CN115837675B - 一种基于协作机器人曲面作业自适应运动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于协作机器人曲面作业自适应运动控制方法，包括爬壁机器人本体、机械臂、位移传感器和打磨工具，包括以下控制方法：步骤一：爬壁机器人本体作为行进机构，本发明通过机械臂末端安装一个位移传感器，利用位移传感器先对作业面进行扫描获取作业面X/Y/Z的相关信息，再利用相关算法对作业面的相关位置信息进行处理，处理完成后将相关信息输入到机械臂控制器，控制器对作业路劲进行自动规划，规划完成后，机械臂开始依据规划的路径对作业面进行自动作业，作业过程中机械臂依据扫描获取的相关信息，自动调整机械臂来适应作业曲面，从而保证作业工具与作业面的位置相对恒定，从而保证作业效果。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体为一种基于协作机器人曲面作业自适应运动控制方法。
背景技术
近年来，随着我国制造业转型升级压力增加和劳动力成本的不断攀升，越来越多的企业考虑以机器换人，作业场景也越来越复杂，作业面有简单的平面到复杂的曲面，有已知的形状的作业面到未知形状的作业面，机器人也从处理批量产品到处理小批量多批次多规格的产品，机器人也从固定的变成可移动的机器人，基于此，机器人对作业对象感知，识别变动越来越重要；
目前，机器人为了更好的适应曲面作业现在主要采用两种方式：一种在机械臂末端安装力控装置；另一种在机械臂末端安装三维结构相机；在机械臂末端安装力控装置成本较高，且体积较大，重量较重，搭载了力控装置后，机械臂末端能搭载作业工具的重量就有限，对末端工具限制较大，否则就得使用承重能力更大的机械臂，进一步增加成本，特别是移动机器人搭载能力有限，不太适合用于移动机器人；在机械臂末端安装三维结构相机，一方面成本较高，另一方面不适用在光照较为敏感的室外，图像数据较大，对机器人硬件能力要求较高，需要强大的图像处理能力；
因此，本发明提供一种基于协作机器人曲面作业自适应运动控制方法，解决以上问题。
发明内容
鉴于现有技术中所存在的问题，本发明公开了一种基于协作机器人曲面作业自适应运动控制方法，采用的技术方案是，包括爬壁机器人本体、机械臂、位移传感器和打磨工具，包括以下控制方法：
步骤一：爬壁机器人本体作为行进机构，通过自动或者手动的方式搭载机械臂、位移传感器以及打磨工具到达维养作业区域；
步骤二：机器臂控制器接收作业区域数据，根据数据确定扫描区域，并规划扫描轨迹；
步骤三：机械臂从收回状态运动到安全点；
步骤四：机械臂Z轴设定与作业面的高度为H0，以X、Y方向的扫描轨迹，对作业区域进行扫描，采集位移传感器与作业面的高度数据Hd，Hd随着作业面的凹凸不平发生变化；
步骤五：依据位移传感器数据，作业区域数据，位移传感器、打磨工具中心点与机械臂末端中心点位置关系，依据作业面与打磨工具距离固定的算法，进行机械臂打磨作业轨迹规划；
步骤六：机械臂依据规划的修复轨迹进行自动打磨，打磨过程中机械臂依据规划的作业轨迹实时调整Z位置，保持打磨工具距离打磨面的距离不变，来保证打磨头的下压量恒定，从而保证打磨效果，从而自动适应不同的打磨面，智能打磨；
步骤七：打磨完成后，机械臂沿Z方向向上运动一定距离，脱离作业面；
步骤八：机械臂自动运动回到安全点；
步骤九：机械臂收回，作业完成，机器人可以行进到下一作业点。
作为本发明的一种基于协作机器人曲面作业自适应运动控制方法优选技术方案，所述机械臂的底座固定安装在爬壁机器人本体的顶部，所述位移传感器与打磨工具固定安装在机械臂的末端。
作为本发明的一种基于协作机器人曲面作业自适应运动控制方法优选技术方案，所述步骤二扫描轨迹的计算流程如下：
1)：机械臂控制器接收到打磨作业区域数据，并根据打磨头的半径R，计算出打磨头XY方向，在作业区域P1、P2、P3、P4；
2)：位移传感器扫描的中心与打磨头的中心在XY方向重合，确定机械臂末端XY方向的扫描区域为S1、S2、S3、S4；
3)：依据末端扫描区域S1、S2、S3、S4，计算规划出机械臂末端XY方向的扫描轨迹。
作为本发明的一种基于协作机器人曲面作业自适应运动控制方法优选技术方案，所述打磨作业区域数据为：
D-打磨中心点到机械臂底座的距离；θ1-机器人与大地高度方向的夹角；θ2-打磨点与机器人中轴线的夹角；L-打磨区域的长；W-打磨区域的宽；R-打磨头的半径。
作为本发明的一种基于协作机器人曲面作业自适应运动控制方法优选技术方案，所述打磨头、位移传感器与机械臂末端中心的位置关系为：Xd、Yd、Zd为位移传感器到机械臂末端中心在X方向、Y方向和Z方向的距离；Xt、Yt、Zt为打磨工具中心到机械臂末端中心在X方向、Y方向和Z方向的的距离；H0为扫描轨迹时，机械臂末端中心到作业面初始固定的高度；Ht为基于H0，打磨工具中心到作业面的高度；Hd为扫描轨迹时，位移传感器检测到的位移传感器到作业面的高度。
作为本发明的一种基于协作机器人曲面作业自适应运动控制方法优选技术方案，所述机械臂末端XY方向的扫描区域确定过程为：P1/P2/P3/P4-打磨作业区域的4个顶点；S1/S2/S3/S4-机械臂扫描区域的4个顶点。
作为本发明的一种基于协作机器人曲面作业自适应运动控制方法优选技术方案，所述机械臂末端XY方向的扫描轨迹计算规划为：Sp1、Sp2、Sp3······Sp7、Sp8代表扫描轨迹的各点。
作为本发明的一种基于协作机器人曲面作业自适应运动控制方法优选技术方案，所述步骤五打磨作业轨迹规划的计算如下：
1)：修复作业时，打磨头需要与作业面接触，则机械臂末端与作业面的高度H＝Zd+Hd-Ht＝Zd+Hd-(H0-Zt)＝Zd+Hd-H0+Zt，并依据H确定修复作业机械臂末端Z轴坐标；
2)：依据打磨头与机械臂末端中心的关系，确定机械臂末端所示的XY方向的修复作业区域为T1、T2、T3、T4；
3)：依据机械臂末端修复区域T1、T2、T3、T4，计算规划出机械臂末端XY方向的修复轨迹。
作为本发明的一种基于协作机器人曲面作业自适应运动控制方法优选技术方案，所述机械臂末端所示的XY方向的修复作业区域确定过程为：修复S1/S2/S3/S4-机械臂修复区域的4个顶点。
作为本发明的一种基于协作机器人曲面作业自适应运动控制方法优选技术方案，所述机械臂末端XY方向的修复轨迹计算规划为：Tp1、Tp2、Tp3······Tp7、Tp8代表修复轨迹的各点。
本发明的有益效果：本发明通过机械臂末端安装一个位移传感器，利用位移传感器先对作业面进行扫描获取作业面X/Y/Z的相关信息，再利用相关算法对作业面的相关位置信息进行处理，处理完成后将相关信息输入到机械臂控制器，控制器对作业路劲进行自动规划，规划完成后，机械臂开始依据规划的路径对作业面进行自动作业，作业过程中机械臂依据扫描获取的相关信息，自动调整机械臂来适应作业曲面，从而保证作业工具与作业面的位置相对恒定，从而保证作业效果。
附图说明
图1为本发明智能维养爬壁机器人示意图；
图2为本发明智能维养机器人作业流程图；
图3为本发明作业面与机器人相对位置关系图；
图4为本发明打磨工具中心点、位移传感器与机械臂末端中心点位置关系图；
图5为本发明修复轨迹区域与扫描路径区域图；
图6为本发明扫描轨迹图；
图7为本发明作业轨迹图。
图中：1机器人本体、2机械臂、3位移传感器、4打磨工具、5作业面。
具体实施方式
实施例1
如图1至图7所示，本发明公开了一种基于协作机器人曲面作业自适应运动控制方法，采用的技术方案是，包括爬壁机器人本体1、机械臂2、位移传感器3和打磨工具4，机械臂2的底座固定安装在爬壁机器人本体1的顶部，位移传感器3与打磨工具4固定安装在机械臂2的末端，包括以下控制方法：
步骤一：爬壁机器人本体1作为行进机构，通过自动或者手动的方式搭载机械臂2、位移传感器3以及打磨工具4到达维养作业区域；
步骤二：机器臂控制器接收作业区域数据，根据数据确定扫描区域，并规划扫描轨迹；机械臂控制器接收到打磨作业区域数据，打磨作业区域数据为：D-打磨中心点到机械臂底座的距离；θ1-机器人与大地高度方向的夹角；θ2-打磨点与机器人中轴线的夹角；L-打磨区域的长；W-打磨区域的宽；R-打磨头的半径；并根据打磨头的半径R，计算出打磨头XY方向，在作业区域P1、P2、P3、P4；位移传感器3扫描的中心与打磨头的中心在XY方向重合，确定机械臂2末端XY方向的扫描区域为S1、S2、S3、S4；打磨头、位移传感器3与机械臂2末端中心的位置关系为：Xd、Yd、Zd为位移传感器到机械臂末端中心在X方向、Y方向和Z方向的距离；Xt、Yt、Zt为打磨工具中心到机械臂末端中心在X方向、Y方向和Z方向的的距离；H0为扫描轨迹时，机械臂末端中心到作业面5初始固定的高度；Ht为基于H0，打磨工具中心到作业面5的高度；Hd为扫描轨迹时，位移传感器检测到的位移传感器到作业面5的高度；依据末端扫描区域S1、S2、S3、S4，计算规划出机械臂2末端XY方向的扫描轨迹；所述机械臂末端XY方向的扫描区域确定过程为：P1/P2/P3/P4-打磨作业区域的4个顶点；S1/S2/S3/S4-机械臂扫描区域的4个顶点，机械臂2末端XY方向的扫描轨迹计算规划为：Sp1、Sp2、Sp3······Sp7、Sp8代表扫描轨迹的各点；
步骤三：机械臂2从收回状态运动到安全点；
步骤四：机械臂2Z轴设定与作业面5的高度为H0，以X、Y方向的扫描轨迹，对作业区域进行扫描，采集位移传感器3与作业面5的高度数据Hd，Hd随着作业面5的凹凸不平发生变化；
步骤五：依据位移传感器3数据，作业区域数据，位移传感器3、打磨工具中心点与机械臂2末端中心点位置关系，依据作业面5与打磨工具4距离固定的算法，进行机械臂2打磨作业轨迹规划；打磨作业轨迹规划的计算为：修复作业时，打磨头需要与作业面5接触，则机械臂2末端与作业面5的高度H＝Zd+Hd-Ht＝Zd+Hd-(H0-Zt)＝Zd+Hd-H0+Zt，并依据H确定修复作业机械臂2末端Z轴坐标；依据打磨头与机械臂2末端中心的关系，确定机械臂2末端所示的XY方向的修复作业区域为T1、T2、T3、T4；机械臂2末端所示的XY方向的修复作业区域确定过程为：修复S1/S2/S3/S4-机械臂修复区域的4个顶点；依据机械臂末端修复区域T1、T2、T3、T4，计算规划出机械臂2末端XY方向的修复轨迹；机械臂2末端XY方向的修复轨迹计算规划为：Tp1、Tp2、Tp3······Tp7、Tp8代表修复轨迹的各点；
步骤六：机械臂2依据规划的修复轨迹进行自动打磨，打磨过程中机械臂2依据规划的作业轨迹实时调整Z位置，保持打磨工具4距离打磨面的距离不变，来保证打磨头的下压量恒定，从而保证打磨效果，从而自动适应不同的打磨面，智能打磨；
步骤七：打磨完成后，机械臂2沿Z方向向上运动一定距离，脱离作业面5；
步骤八：机械臂2自动运动回到安全点；
步骤九：机械臂2收回，作业完成，机器人可以行进到下一作业点。
本发明涉及的电路连接为本领域技术人员采用的惯用手段，可通过有限次试验得到技术启示，属于广泛使用的现有技术。
本文中未详细说明的部件为现有技术。
上述虽然对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，而不具备创造性劳动的修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (7)
1.一种基于协作机器人曲面作业自适应运动控制方法，包括爬壁机器人本体(1)、机械臂(2)、位移传感器(3)和打磨工具(4)，其特征在于，包括以下控制方法：
步骤一：爬壁机器人本体(1)作为行进机构，通过自动或者手动的方式搭载机械臂(2)、位移传感器(3)以及打磨工具(4)到达维养作业区域；
步骤二：机器臂控制器接收作业区域数据，根据数据确定扫描区域，并规划扫描轨迹；所述扫描轨迹的计算流程如下：
1)：机械臂控制器接收到打磨作业区域数据，并根据打磨头的半径R，计算出打磨头XY方向，在作业区域P1、P2、P3、P4；
2)：位移传感器(3)扫描的中心与打磨头的中心在XY方向重合，确定机械臂(2)末端XY方向的扫描区域为S1、S2、S3、S4；
3)：依据末端扫描区域S1、S2、S3、S4，计算规划出机械臂(2)末端XY方向的扫描轨迹；
所述打磨头、位移传感器(3)与机械臂(2)末端中心的位置关系为：Xd、Yd、Zd为位移传感器到机械臂末端中心在X方向、Y方向和Z方向的距离；Xt、Yt、Zt为打磨工具中心到机械臂末端中心在X方向、Y方向和Z方向的的距离；H0为扫描轨迹时，机械臂末端中心到作业面(5)初始固定的高度；Ht为基于H0，打磨工具中心到作业面(5)的高度；Hd为扫描轨迹时，位移传感器检测到的位移传感器到作业面(5)的高度；
步骤三：机械臂(2)从收回状态运动到安全点；
步骤四：机械臂(2)Z轴设定与作业面(5)的高度为H0，以X、Y方向的扫描轨迹，对作业区域进行扫描，采集位移传感器(3)与作业面(5)的高度数据Hd，Hd随着作业面(5)的凹凸不平发生变化；
步骤五：依据位移传感器(3)数据，作业区域数据，位移传感器(3)、打磨工具中心点与机械臂(2)末端中心点位置关系，依据作业面(5)与打磨工具(4)距离固定的算法，进行机械臂(2)打磨作业轨迹规划；所述打磨作业轨迹规划的计算如下：
1)：修复作业时，打磨头需要与作业面(5)接触，则机械臂(2)末端与作业面(5)的高度H＝Zd+Hd-Ht＝Zd+Hd-(H0-Zt)＝Zd+Hd-H0+Zt，并依据H确定修复作业机械臂(2)末端Z轴坐标；
2)：依据打磨头与机械臂(2)末端中心的关系，确定机械臂(2)末端所示的XY方向的修复作业区域为T1、T2、T3、T4；
3)：依据机械臂末端修复区域T1、T2、T3、T4，计算规划出机械臂(2)末端XY方向的修复轨迹；
步骤六：机械臂(2)依据规划的修复轨迹进行自动打磨，打磨过程中机械臂(2)依据规划的作业轨迹实时调整Z位置，保持打磨工具(4)距离打磨面的距离不变，来保证打磨头的下压量恒定，从而保证打磨效果，从而自动适应不同的打磨面，智能打磨；
步骤七：打磨完成后，机械臂(2)沿Z方向向上运动一定距离，脱离作业面(5)；
步骤八：机械臂(2)自动运动回到安全点；
步骤九：机械臂(2)收回，作业完成，机器人行进到下一作业点。
2.根据权利要求1所述的一种基于协作机器人曲面作业自适应运动控制方法，其特征在于：所述机械臂(2)的底座固定安装在爬壁机器人本体(1)的顶部，所述位移传感器(3)与打磨工具(4)固定安装在机械臂(2)的末端。
3.根据权利要求1所述的一种基于协作机器人曲面作业自适应运动控制方法，其特征在于：所述打磨作业区域数据为：
D-打磨中心点到机械臂底座的距离；θ1-机器人与大地高度方向的夹角；θ2-打磨点与机器人中轴线的夹角；L-打磨区域的长；W-打磨区域的宽；R-打磨头的半径。
4.根据权利要求1所述的一种基于协作机器人曲面作业自适应运动控制方法，其特征在于：所述机械臂(2)末端XY方向的扫描区域确定过程为：P1/P2/P3/P4-打磨作业区域的4个顶点；S1/S2/S3/S4-机械臂扫描区域的4个顶点。
5.根据权利要求1所述的一种基于协作机器人曲面作业自适应运动控制方法，其特征在于：所述机械臂(2)末端XY方向的扫描轨迹计算规划为：Sp1、Sp2、Sp3······Sp7、Sp8代表扫描轨迹的各点。
6.根据权利要求1所述的一种基于协作机器人曲面作业自适应运动控制方法，其特征在于：所述机械臂(2)末端所示的XY方向的修复作业区域确定过程为：修复S1/S2/S3/S4-机械臂修复区域的4个顶点。
7.根据权利要求1所述的一种基于协作机器人曲面作业自适应运动控制方法，其特征在于：所述机械臂(2)末端XY方向的修复轨迹计算规划为：Tp1、Tp2、Tp3······Tp7、Tp8代表修复轨迹的各点。
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