一种面向机器人砂带打磨的优化轨迹搜索方法技术

本发明专利技术公开了一种面向机器人砂带打磨的优化轨迹搜索方法，包括以下步骤：规划打磨刀路，生成刀位点并建立刀位点坐标系；为打磨平台建立相应坐标系；建立调整数学模型，通过数学模型进行调整，得到调整后工具坐标系与机器人基坐标系的相对位姿计算公式；建立打磨过程坐标平面，建立机器人打磨轨迹的结点模型；对打磨过程坐标平面纵坐标进行离散，用结构体保存结点信息，得到结构体矩阵；搭建打磨仿真场景，并构建优化机器人打磨轨迹搜索函数，对结点结构体矩阵进行搜索，搜索失败，则结束流程；搜索成功，将搜索信息转换成机器人控制柜命令实现自动化抛光；本发明专利技术得到的轨迹：无碰撞、关节量变化小，为复杂工件打磨提供有效打磨轨迹生成方法。

An Optimal Trajectory Search Method for Robot Abrasive Belt Grinding

The invention discloses an optimized trajectory search method for robot abrasive belt grinding, which includes the following steps: planning the grinding tool path, generating the tool location and establishing the tool location coordinate system; establishing the corresponding coordinate system for the grinding platform; establishing the adjustment mathematical model and adjusting it through the mathematical model, obtaining the relative pose calculation formula of the adjusted tool coordinate system and the robot basic coordinate system. The grinding process coordinate plane is established, and the node model of the robot grinding trajectory is established; the grinding process coordinate plane longitudinal coordinates are discretized, and the structure body is used to save the node information to obtain the structure matrix; the grinding simulation scene is built, and the optimization robot grinding trajectory search function is constructed to search the node structure matrix. If the search fails, the search process is completed. The searching information is converted into the command of the robot control cabinet to realize automatic polishing, and the trajectory obtained by the invention is collision-free and has little change in joint volume, thus providing an effective method for generating grinding trajectory for complex workpiece polishing.

【技术实现步骤摘要】
一种面向机器人砂带打磨的优化轨迹搜索方法
本专利技术涉及机器人砂带打磨的研究领域，特别涉及一种面向机器人砂带打磨的优化轨迹搜索方法。
技术介绍
随着产业的发展，工业产品越来越多地运用了不规则曲面，同时对于曲面的表面形状精度和粗糙度也提出了一定的要求。这些曲面在半精加工和精加工阶段一般都需要经历砂带打磨工序，使曲面获得较为光滑的表面。但手工打磨的现场环境普遍比较恶劣，打磨作业现场的巨大噪音和金属粉尘对于操作者身体的危害受到越来越多人的关注，使得国内雇用打磨工人的费用快速上涨，所以越来越多的企业开始用自动化机器代替工人来进行打磨作业。相对于雇用工人进行手工打磨的生产方式，利用自动化机器打磨生产具有高效率、高精度以及产品质量稳定等优点。现阶段，工业机器人主要的编程方式可分为在线示教和离线编程两种。在线示教编程就是操作人员操作机器人使末端的工件在砂带轮上模拟打磨的过程，在模拟打磨的过程中由机器人控制系统实时采集工业机器人各个关节的关节量，之后让机器人沿着之前模拟的轨迹重复运动；一旦曲面的形状变得复杂，需要示教的位姿将大大增加，示教编程不但耗时长而且加工质量往往也不能令人满意。与在线示教相对应的是离线编程方法，则主要是通过工人操作示教软件，以记录方式或算法生成加工轨迹，实现远离实际加工场地、无需与加工进程同步的机器人或数控机床编程。为了能够快速地生成高质量的机器人砂带打磨轨迹，对离线编程方式生成机器人砂带打磨轨迹的方法进行了研究。由于机器人执行离线编程方法生成的机器人打磨轨迹时，有可能会出现碰撞的情况，如机器人与设备发生碰撞、工件与砂带轮发生碰撞等；同时如果机器人在打磨的过程关节角变化太大的话，关节角可能会出现超限的情况。很多学者对机器人的无碰撞路径规划作了深入的研究，并提出了许多经典的方法，如C空间法、人工势场法等方法；近年来，人工神经网络、遗传算法、模糊算法等智能方法也被应用于机器人无碰路径规划领域中；但是对于机器人砂带打磨情况的无碰优化和关节角优化的方法尚未见文献报道。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种面向机器人砂带打磨的优化轨迹搜索方法。针对复杂形状工件的打磨，首先在工件的被打磨面上规划打磨刀路并生成一系列刀位点；然后搭建机器人砂带打磨的仿真场景，并为仿真场景编写二次开发程序，在二次开发程序中编写优化机器人打磨轨迹搜索函数；搜索函数根据打磨刀路，在仿真场景中搜索无碰优化及关节角优化的机器人打磨轨迹，如果搜索失败，则结束整个流程并输出搜索失败的提示，如果搜索成功，则将搜索得到的机器人打磨轨迹转换成机器人控制柜可执行的代码实现自动化抛光，从而为复杂工件的打磨提供一种更加有效的机器人砂带打磨轨迹生成方法。本专利技术的目的通过以下的技术方案实现：一种面向机器人砂带打磨的优化轨迹搜索方法，包括以下步骤：S1、在工件的被打磨面上规划打磨刀路并生成一系列刀位点，并在刀位点上建立刀位点坐标系；S2、为机器人打磨平台上的单元建立坐标系，所述坐标系包含：机器人基坐标系、机器人末端关节坐标系、初始工具坐标系、被打磨曲面刀位点上坐标系、工件坐标系；S3、建立用于描述工具坐标系位置调整的数学模型，通过描述工具坐标系位置调整的数学模型进行调整，得到调整后工具坐标系与机器人基坐标系的相对位姿计算公式；S4、建立用于描述机器人打磨过程的坐标平面，并建立机器人打磨轨迹的结点模型，所述结点模型用于生成机器人打磨轨迹；S5、对描述机器人打磨过程的坐标平面的纵坐标进行离散，并用一个结构体保存一个结点的信息，得到一个结构体矩阵；S6、搭建机器人砂带打磨仿真场景，并构建优化机器人打磨轨迹搜索函数，对结点结构体矩阵中的元素进行搜索，搜索失败，则结束流程并输出搜索失败提示；搜索成功，则进入下一步；S7、根据搜索得到的机器人打磨轨迹中结点结构体包含的信息，将其转换成机器人控制柜可执行的代码实现自动化抛光。进一步地，步骤S1，所述打磨刀路是打磨过程中，砂带轮与工件的被打磨面进行接触的路径；所述刀位点是通过插补算法在打磨刀路上生成的一系列离散的点；所述坐标系是指固定在每一个刀位点上的坐标系；进一步地，所述固定在每一个刀位点上的坐标系，其坐标系原点为刀位点，其Z轴方向为被打磨曲面在刀位点处指向外部的法向，其X轴方向为刀位点处打磨刀路的切向，其Y轴方向通过右手定则确定；进一步地，步骤S2中，所述坐标系轴向，具体为：机器人基坐标系是机器人自带的坐标系，即世界坐标系；机器人末端关节坐标系原点位于机器人末端法兰盘中心，其Y轴方向为法兰盘径向方向，其X轴为法兰盘轴向方向，其Z轴则可通过右手定则确定；砂带轮上的初始工具坐标系的原点位置为过砂带轮轴线的水平面与砂带中轴线的交点，其Y轴方向为与水平面垂直向上的方向，其X轴为与砂带轮左侧面垂直向左的方向，其Z轴则可通过右手定则确定；被打磨曲面刀位点上的坐标系指固定在每一个刀位点上的坐标系，其原点位置位于刀位点上，Z轴的方向为被打磨曲面在刀位点处指向外部的法向，X轴的方向为刀位点处打磨刀路的切向，Y轴方向通过右手定则确定；工件坐标系的原点位于工件物理重心，XYZ轴的方向与机器人末端关节坐标系一致；进一步地，所述步骤S3，具体为：把砂带轮用于打磨加工区域分为三个部分：左旋装区、右旋转区、平移区；初始工具坐标系{G0}分别在三个区域内进行相应调整，调整后工具坐标系为{G}，通过描述工具坐标系位置调整的数学模型进行调整，即将位置调整数字化，便于计算和表达，调整过程如下：W1、在砂带轮的宽度范围内，初始工具坐标系沿砂带轮的宽度作平移调整，设砂带轮的宽度为W，当变量t∈[-w/2，w/2]时，调整后工具坐标系位于平移区，则调整后工具坐标系相对机器人基坐标系的位置为：W2、将初始工具坐标系{G0}平移到砂带轮最左端后记为{L}，则{L}位于左旋转区，能绕Y轴作顺时针旋转调整；设旋转最大角度为D，当变量t∈[-w/2-D，-w/2]时，调整后工具坐标系位于左旋转区，绕Y轴顺时针旋转角度为d＝-w/2-t，则调整后工具坐标系相对机器人基坐标系的位置为：W3、将初始工具坐标系{G0}平移到砂带轮最右端后记为{R}，则位于右旋转区，能绕Y轴作顺时针旋转调整；设旋转最大角度为D，当变量t∈[w/2，w/2+D]时，调整后工具坐标系位于右旋转区，绕Y轴顺时针旋转角度为d＝t-w/2，则调整后工具坐标系相对机器人基坐标系的位置为：进一步地，所述步骤S4，具体为：以工件被打磨面上刀位点的序号为横坐标，以调整后工具坐标系与机器人基坐标系相对位姿计算公式中变量t为纵坐标，建立坐标平面；在打磨第i个刀位点的时候，刀位点坐标系{Mi}与工具坐标系{G}重合，则机器人末端关节坐标系{6}相对于基坐标系{B}的位姿矩阵为：其中，为机器人末端关节坐标系相对于基坐标系的位姿矩阵；为工件坐标系相对机器人末端关节坐标系的位姿矩阵；为刀位点坐标系相对于工件坐标系的位姿矩阵；为参数t对应的调整后工具坐标系相对于机器人基坐标系的位姿矩阵；将计算得到的位姿矩阵代入机器人逆运动学求解算法中，则求得机器人打磨刀位点i时的关节空间位姿θ＝[θ1～θ6]；建立机器人打磨轨迹结点模型，具体为：在坐标平面上的每一个点为一个结点，记为Node(I,t)，表示第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向机器人砂带打磨的优化轨迹搜索方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、在工件的被打磨面上规划打磨刀路并生成一系列刀位点，并在刀位点上建立刀位点坐标系；S2、为机器人打磨平台上的单元建立坐标系，所述坐标系包含：机器人基坐标系、机器人末端关节坐标系、初始工具坐标系、被打磨曲面刀位点上坐标系、工件坐标系；S3、建立用于描述工具坐标系位置调整的数学模型，通过描述工具坐标系位置调整的数学模型进行调整，得到调整后工具坐标系与机器人基坐标系的相对位姿计算公式；S4、建立用于描述机器人打磨过程的坐标平面，并建立机器人打磨轨迹的结点模型，所述结点模型用于生成机器人打磨轨迹；S5、对描述机器人打磨过程的坐标平面的纵坐标进行离散，并用一个结构体保存一个结点的信息，得到一个结构体矩阵；S6、搭建机器人砂带打磨仿真场景，并构建优化机器人打磨轨迹搜索函数，对结点结构体矩阵中的元素进行搜索，搜索失败，则结束流程并输出搜索失败提示；搜索成功，则进入下一步；S7、根据搜索得到的机器人打磨轨迹中结点结构体包含的信息，将其转换成机器人控制柜可执行的代码实现自动化抛光。

【技术特征摘要】
1.一种面向机器人砂带打磨的优化轨迹搜索方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、在工件的被打磨面上规划打磨刀路并生成一系列刀位点，并在刀位点上建立刀位点坐标系；S2、为机器人打磨平台上的单元建立坐标系，所述坐标系包含：机器人基坐标系、机器人末端关节坐标系、初始工具坐标系、被打磨曲面刀位点上坐标系、工件坐标系；S3、建立用于描述工具坐标系位置调整的数学模型，通过描述工具坐标系位置调整的数学模型进行调整，得到调整后工具坐标系与机器人基坐标系的相对位姿计算公式；S4、建立用于描述机器人打磨过程的坐标平面，并建立机器人打磨轨迹的结点模型，所述结点模型用于生成机器人打磨轨迹；S5、对描述机器人打磨过程的坐标平面的纵坐标进行离散，并用一个结构体保存一个结点的信息，得到一个结构体矩阵；S6、搭建机器人砂带打磨仿真场景，并构建优化机器人打磨轨迹搜索函数，对结点结构体矩阵中的元素进行搜索，搜索失败，则结束流程并输出搜索失败提示；搜索成功，则进入下一步；S7、根据搜索得到的机器人打磨轨迹中结点结构体包含的信息，将其转换成机器人控制柜可执行的代码实现自动化抛光。2.根据权利要求1所述的一种面向机器人砂带打磨的优化轨迹搜索方法，其特征在于，步骤S1，所述打磨刀路是打磨过程中，砂带轮与工件的被打磨面进行接触的路径；所述刀位点是通过插补算法在打磨刀路上生成的一系列离散的点；所述坐标系是指固定在每一个刀位点上的坐标系。3.根据权利要求2所述的一种面向机器人砂带打磨的优化轨迹搜索方法，其特征在于，所述固定在每一个刀位点上的坐标系，其坐标系原点为刀位点，其Z轴方向为被打磨曲面在刀位点处指向外部的法向，其X轴方向为刀位点处打磨刀路的切向，其Y轴方向通过右手定则确定。4.根据权利要求1所述的一种面向机器人砂带打磨的优化轨迹搜索方法，其特征在于，步骤S2中，所述坐标系轴向，具体为：机器人基坐标系是机器人自带的坐标系，即世界坐标系；机器人末端关节坐标系原点位于机器人末端法兰盘中心，其Y轴方向为法兰盘径向方向，其X轴为法兰盘轴向方向，其Z轴则可通过右手定则确定；砂带轮上的初始工具坐标系的原点位置为过砂带轮轴线的水平面与砂带中轴线的交点，其Y轴方向为与水平面垂直向上的方向，其X轴为与砂带轮左侧面垂直向左的方向，其Z轴则可通过右手定则确定；被打磨曲面刀位点上的坐标系指固定在每一个刀位点上的坐标系，其原点位置位于刀位点上，Z轴的方向为被打磨曲面在刀位点处指向外部的法向，X轴的方向为刀位点处打磨刀路的切向，Y轴方向通过右手定则确定；工件坐标系的原点位于工件物理重心，XYZ轴的方向与机器人末端关节坐标系一致。5.根据权利要求1所述的一种面向机器人砂带打磨的优化轨迹搜索方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：把砂带轮用于打磨加工区域分为三个部分：左旋装区、右旋转区、平移区；初始工具坐标系{G0}分别在三个区域内进行相应调整，调整后工具坐标系为{G}，通过描述工具坐标系位置调整的数学模型进行调整，调整过程如下：W1、在砂带轮的宽度范围内，初始工具坐标系沿砂带轮的宽度作平移调整，设砂带轮的宽度为W，当变量t∈[-w/2，w/2]时，调整后工具坐标系位于平移区，则调整后工具坐标系相对机器人基坐标系的位置为：W2、将初始工具坐标系{G0}平移到砂带轮最左端后记为{L}，则{L}位于左旋转区，能绕Y轴作顺时针旋转调整；设旋转最大角度为D，当变量t∈[-w/2-D，-w/2]时，调整后工具坐标系位于左旋转区，绕Y轴顺时针旋转角度为d＝-w/2-t，则调整后工具坐标系相对机器人基坐标系的位置为：W3、将初始工具坐标系{G0}平移到砂带轮最右端后记为{R}，则位于右旋转区，能绕Y轴作顺时针旋转调整；设旋转最大角度为D，当变量t∈[w/2，w/2+D]时，调整后工具坐标系位于右旋转区，绕Y轴顺时针旋转角度为d＝t-w/2，则调整后工具坐标系相对机器人基坐标系的位置为：6.根据权利要求1所述的一种面向机器人砂带打磨的优化轨迹搜索方法，其特征在于，所述步骤S4，具体为：以工件被打磨面上刀位点的序号为横坐标，以调整后工具坐标系与机器人基坐标系相对位姿计算公式中变量t为纵坐标，建立坐标平面；在打磨第i个刀位点的时候，刀位点坐标系{Mi}与工具坐标系{G}重合，则机器人末端关节坐标系{6}相对于基坐标系{B}的位姿矩阵为：其中，为机器人末端关节坐标系相对于基坐标系的位姿矩阵；为工件坐标系相对机器人末端关节坐标系的位姿矩阵；为刀位点坐标系相对于工件坐标系的位姿矩阵；为参数t对应的调整后工具坐标系相对于机器人基坐标系的位姿矩阵；将计算得到的位姿矩阵代入机器人逆运动学求解算法中，则求得机器人打磨刀位点i时...

【专利技术属性】
技术研发人员：张铁，张斌，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44