一种立体石雕机器人加工系统的变形预测及补偿方法技术方案

本发明专利技术涉及一种立体石雕机器人加工系统的变形预测及其补偿方法，包括：构建立体石雕机器人加工系统的运动学模型，求解立体石雕机器人加工系统的雅克比矩阵；设计机器人刚度辨识实验，辨识出立体石雕机器人加工系统的关节刚度，建立刚度从关节空间向末端笛卡尔空间的映射关系；根据立体石雕机器人加工系统所处的位姿和加工时所受的外力，利用关节刚度模型预测加工立体石雕机器人加工系统末端变形值与各关节变形值；根据预测出的各关节变形，对各关节角度进行调整，来消除加工立体石雕机器人加工系统末端的变形。从而实现任一立体石雕机器人加工系统结构变形值的定量补偿，以提高立体石雕机器人加工系统在进行石材加工时的刀具轨迹精度。

A Deformation Prediction and Compensation Method for Stereo Stone Carving Robot Machining System

The present invention relates to a deformation prediction and compensation method for a three-dimensional stone carving robot processing system, which includes: constructing a kinematics model of the robot processing system, solving Jacobian matrix of the robot processing system; designing a stiffness identification experiment of the robot, identifying the joint stiffness of the robot processing system, and establishing the stiffness from joint space to the end. The mapping relation of end Cartesian space; According to the position and posture of the solid stone carving robot processing system and the external force during processing, the joint stiffness model is used to predict the end deformation value and joint deformation value of the processing system of the solid stone carving robot; According to the predicted joint deformation, the joint angle is adjusted to eliminate the end of the processing system of the solid stone carving robot. Deformation of end. Thus, the quantitative compensation of the structural deformation of any three-dimensional stone carving robot processing system can be realized, so as to improve the tool path accuracy of the three-dimensional stone carving robot processing system in stone processing.

【技术实现步骤摘要】
一种立体石雕机器人加工系统的变形预测及补偿方法
本专利技术涉及一种立体石雕机器人加工系统的变形预测及补偿方法，属于石材机械臂加工新

技术介绍
在石材产业中，石雕作为一门艺术，是石材与雕刻艺术的完美结合，一直记录着世界文明的发展历程，是人类文化及艺术传承的主要载体，具有很高的艺术价值和文化价值。尽管石材加工技术已取得了长足进步，但对于石材立体雕刻制品的加工，我国目前还都主要依靠手工配合电动工具进行加工，石材立体雕刻制品的传统加工方法周期长，生产率低下，人工成本高，产品的质量完全取决于工人的专业技术积累，导致成品率低下且难以满足质量要求，因此石材雕刻工艺制品加工中存在的问题迫切需要使用自动化程度高的雕刻加工设备去解决。立体石雕机器人加工系统以高载荷机器人为主体，末端执行器为电主轴，再配以用于石材加工的刀具，可以实现对石材坯料的立体雕刻，由于立体石雕机器人加工系统可以在三维空间内实现位置和姿态的任意转换，从而大大拓宽了其加工范围、加快了其加工效率，是实现石材产品智能化加工的重要手段。但由于立体石雕机器人加工系统的低刚度特性，在机器人进行石材雕刻时，外载和末端执行器的重力，都会引起加工立体石雕机器人加工系统的变形，导致末端刀具走刀轨迹产生偏差，造成加工石材尺寸精度不符合要求而报废。因此要实现立体石雕机器人加工系统对石材的高效高精度加工，对立体石雕机器人加工系统的变形预测及补偿的技术问题亟待解决。
技术实现思路
本专利技术所要解决的主要技术问题是立体石雕机器人加工系统的变形预测及补偿方法，所求解的立体石雕机器人加工系统末端的变形补偿量，可提高立体石雕机器人加工系统刀具走刀轨迹的精度，为立体石雕机器人加工系统进行石材加工提供了保障。为了解决上述的技术问题，本专利技术提供了一种立体石雕机器人加工系统的变形预测及其补偿方法，包括以下步骤：(1)基于D-H方法，建立携带末端执行器的机器人加工立体石雕机器人加工系统运动学模型，使用矢量积法求解立体石雕机器人加工系统的雅克比矩阵；(2)在立体石雕机器人加工系统的加工区域内，选取一个合适的位姿，对立体石雕机器人加工系统施加不同的外力，测量立体石雕机器人加工系统的实际变形量，应用最小二乘法辨识机器人加工立体石雕机器人加工系统的关节刚度值，通过建立刚度从关节空间向末端笛卡尔空间的映射关系，构建立体石雕机器人加工系统末端，处于不同位姿下的笛卡尔刚度矩阵；(3)根据立体石雕机器人加工系统所处的位姿和进行加工时所受的外力，计算立体石雕机器人加工系统的笛卡尔刚度矩阵，进而测出立体石雕机器人加工系统的末端变形值，最后通过调整机器人相应的关节角来消除立体石雕机器人加工系统末端的变形值，从而提高刀具轨迹精度。在一较佳实施例中，所述求解立体石雕机器人加工系统的雅克比矩阵至少包括：(1)在立体石雕机器人加工系统上建立坐标系，根据机器人的连杆长度ai-1、连杆扭角αi-1、关节距离di、关节转角θi、末端执行器长度l0与刀具长度s0，依次求解各连杆间的齐次变换矩阵建立立体石雕机器人加工系统的运动学方程(2)根据步骤(1)中建立的运动学模型，采用矢量积法完成对立体石雕机器人加工系统的速度雅克比矩阵Jv(θ)的求解，建立各关节速度与加工立体石雕机器人加工系统末端线速度v、末端角速度ω的映射关系；(3)根据步骤(1)中建立的运动学模型，基于静态平衡状态下力的平衡条件，完成对立体石雕机器人加工系统的力雅克比矩阵JF(θ)的求解，建立操作力F向关节力矩Γ映射的线性关系；(4)令(2)中建立的速度雅克比矩阵的行列式为零，即|Jv(θ)|＝0，求解立体石雕机器人加工系统的奇异形位或奇异状态。在一较佳实施例中，所述计算立体石雕机器人加工系统的笛卡尔刚度矩阵包括：(1)设立体石雕机器人加工系统末端的广义加载力矩阵为F＝[FxFyFzTxTyTz]，选择一个立体石雕机器人加工系统处于非奇异形位的加工位姿，进行刚度辨识实验，分别对末端施加不同的外力，测量末端产生的变形ΔX＝[ΔxΔyΔzΔφxΔφyΔφz]与立体石雕机器人加工系统所受的外力F，并根据胡克定律，求解在该位姿下的立体石雕机器人加工系统笛卡尔刚度矩阵K；(2)基于建立的速度雅克比矩阵Jv(θ)与的力雅克比矩阵JF(θ)，忽略重力和关节摩擦力的影响，利用虚功原理，建立关节刚度与笛卡尔刚度之间的线性关系，即完成刚度从关节空间向末端笛卡尔空间的映射；(3)根据(2)中建立的映射关系，根据刚度辨识实验所测得的变形值ΔX与加载力F，利用最小二乘法，回归拟合出立体石雕机器人加工系统关节刚度矩阵Kθ＝[Kθ1Kθ2Kθ3Kθ4Kθ5Kθ6]；(4)当拟合的变形误差如果不满足小误差条件时，此时误差系数矩阵必然不满秩，需要进行奇异值分解，再进行求解关节刚度矩阵Kθ，直至变形误差满足要求为止。在一较佳实施例中：预测出立体石雕机器人加工系统的末端变形值包括：(1)在立体石雕机器人加工系统的加工区域内，基于任意位姿下立体石雕机器人加工系统的D-H参数，求解得到立体石雕机器人加工系统随位姿变化的速度雅克比矩阵Jv(θ)与力雅克比矩阵JF(θ)；(2)根据辨识得到的关节刚度矩阵Kθ、速度雅克比矩Jv(θ)与力雅克比矩阵JF(θ)，基于建立的刚度从关节空间向末端笛卡尔空间的映射关系，求解立体石雕机器人加工系统在不同位姿下的笛卡尔刚度矩阵K；(3)根据测得立体石雕机器人加工系统末端所受的加载力F，基于胡克定律，求解立体石雕机器人加工系统末端所产生的变形值ΔX；(4)运用关节空间和笛卡尔空间的对偶理论，求解平衡加载力F所需的关节力矩Γ，并根据计算的关节刚度，预测出各关节所产生的关节角位移Δθ。通过在原先关节角θold的基础上减去预测出的关节角位移Δθ就得到立体石雕机器人加工系统经过补偿后的关节角θnew。相较于现有技术，本专利技术的技术方案具备以下有益效果：本专利技术涉及了一种立体石雕机器人加工系统的变形预测及补偿方法，给出了立体石雕机器人加工系统关节刚度和机器人末端变形的函数关系，设计了一种立体石雕机器人加工系统关节刚度的辨识方法，继而可以预测出立体石雕机器人加工系统在进行加工时任意负载下所产生的变形，并提出了补偿此变形量的算法。该技术可解决在石材加工过程中由于机器人加工立体石雕机器人加工系统刚度低，产生立体石雕机器人加工系统变形造成的刀具误差过大的问题。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图进行实例实施。图1是本专利技术实施方式所提供的立体石雕机人加工立体石雕机器人加工系统的变形预测及补偿方法的流程示意图；图2是本专利技术实施例中立体石雕机器人加工系统关节刚度辨识方法的流程示意图；图3是本专利技术实施例中预测出的立体石雕机器人加工系统末端变形值与实际变形值；图4是本专利技术实施例中变形补偿后立体石雕机器人加工系统末端实际变形值。具体实施方式参考图1，一种立体石雕机器人加工系统的变形预测及其补偿方法，用到的方法至少包括：依据D-H参数法，对立体石雕机器人加工系统的结构进行分析，在立体石雕机器人加工系统每一个连杆上构建坐标系，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种立体石雕机器人加工系统的变形预测及其补偿方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)基于D‑H方法，建立携带末端执行器的机器人加工立体石雕机器人加工系统运动学模型，使用矢量积法求解立体石雕机器人加工系统的雅克比矩阵；(2)在立体石雕机器人加工系统的加工区域内，选取一个合适的位姿，对立体石雕机器人加工系统施加不同的外力，测量立体石雕机器人加工系统的实际变形量，应用最小二乘法辨识机器人加工立体石雕机器人加工系统的关节刚度值，通过建立刚度从关节空间向末端笛卡尔空间的映射关系，构建立体石雕机器人加工系统末端，处于不同位姿下的笛卡尔刚度矩阵；(3)根据立体石雕机器人加工系统所处的位姿和进行加工时所受的外力，计算立体石雕机器人加工系统的笛卡尔刚度矩阵，进而预测出立体石雕机器人加工系统的末端变形值，最后通过调整机器人相应的关节角来消除立体石雕机器人加工系统末端的变形值，从而提高刀具轨迹精度。

【技术特征摘要】
1.一种立体石雕机器人加工系统的变形预测及其补偿方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)基于D-H方法，建立携带末端执行器的机器人加工立体石雕机器人加工系统运动学模型，使用矢量积法求解立体石雕机器人加工系统的雅克比矩阵；(2)在立体石雕机器人加工系统的加工区域内，选取一个合适的位姿，对立体石雕机器人加工系统施加不同的外力，测量立体石雕机器人加工系统的实际变形量，应用最小二乘法辨识机器人加工立体石雕机器人加工系统的关节刚度值，通过建立刚度从关节空间向末端笛卡尔空间的映射关系，构建立体石雕机器人加工系统末端，处于不同位姿下的笛卡尔刚度矩阵；(3)根据立体石雕机器人加工系统所处的位姿和进行加工时所受的外力，计算立体石雕机器人加工系统的笛卡尔刚度矩阵，进而预测出立体石雕机器人加工系统的末端变形值，最后通过调整机器人相应的关节角来消除立体石雕机器人加工系统末端的变形值，从而提高刀具轨迹精度。2.根据权利要求1所述的一种立体石雕机器人加工系统的变形预测及其补偿方法，其特征在于，所述求解立体石雕机器人加工系统的雅克比矩阵至少包括：(1)在立体石雕机器人加工系统上建立坐标系，根据机器人的连杆长度ai-1、连杆扭角αi-1、关节距离di、关节转角θi、末端执行器长度l0与刀具长度s0，依次求解各连杆间的齐次变换矩阵Tii-1，建立立体石雕机器人加工系统的运动学方程T70＝T10T21T32T43T54T65T76；(2)根据步骤(1)中建立的运动学模型，采用矢量积法完成对立体石雕机器人加工系统的速度雅克比矩阵Jv(θ)的求解，建立各关节速度θi与加工立体石雕机器人加工系统末端线速度v、末端角速度ω的映射关系；(3)根据步骤(1)中建立的运动学模型，基于静态平衡状态下力的平衡条件，完成对立体石雕机器人加工系统的力雅克比矩阵JF(θ)的求解，建立操作力F向关节力矩Γ映射的线性关系；(4)令(2)中建立的速度雅克比矩阵的行列式为零，即|Jv(θ)|＝0，求解立体石雕机器人加工系统的奇异形位或奇异状态。3.根据权利要求1所述的一种立体石雕机器人加工系统的变形预测及其补偿方法，其特征在于，所述计算立...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹方辰，王柴志，薛海昂，吴湘成，纪清智，严文俊，黄身桂，黄吉祥，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：福建,35