基于一维力传感器的机器人砂带打磨恒力控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了基于一维力传感器的机器人砂带打磨恒力控制方法，包括以下步骤：根据受力分析，获取各坐标系的力映射关系；通过打磨法向力和切向力关系，建立并简化接触力与传感器坐标系的力映射关系；通过打磨形变和打磨深度关系，建立打磨动力学模型；设计自适应滑模迭代控制算法，并建立力控制模型；根据力映射关系和力控制模型，设计力控制器；通过反馈力，应用力映射关系计算出打磨法向力，并输入到力控制器算出法向偏移量，再传输到控制模块；本发明专利技术使机器人砂带打磨力控制在一维力传感器上进行，避免了多维力传感器的高成本问题，同时降低了控制复杂度；应用简单，参数设置方便，有效地补偿砂带打磨时不确定性带来的误差，适用于实际打磨。

Constant Force Control Method and Device for Robot Belt Grinding Based on One-Dimensional Force Sensor

The invention discloses a constant force control method for robot abrasive belt grinding based on one-dimensional force sensor, which includes the following steps: obtaining force mapping relationship of coordinate systems according to force analysis; establishing and simplifying force mapping relationship between contact force and sensor coordinate system by grinding normal force and tangential force relationship; establishing grinding dynamics model by grinding deformation and grinding depth relationship; An adaptive sliding mode iterative control algorithm is designed and a force control model is established; a force controller is designed according to the force mapping relationship and the force control model; a grinding normal force is calculated by using the force mapping relationship through feedback force and input to the force controller to calculate the normal offset, and then transmitted to the control module; the grinding force of the robot abrasive belt is controlled on a one-dimensional force sensor. It avoids the problem of high cost of multi-dimensional force sensor and reduces the control complexity. It is simple to use and convenient to set parameters. It can effectively compensate the errors caused by uncertainty in belt grinding, and is suitable for actual grinding.

【技术实现步骤摘要】
基于一维力传感器的机器人砂带打磨恒力控制方法及装置
本专利技术涉及机器人砂带打磨力控制的研究领域，特别涉及基于一维力传感器的机器人砂带打磨恒力控制方法及装置。
技术介绍
作为一种精加工工序，砂带磨削既可以实现高的材料去除率，又可用于改善部件的表面粗糙度。而当砂带打磨配上多自由度的工业机器人时，就可以形成柔性制造单元，特别适合于加工表面的几何形状比较复杂的工件，如涡轮叶片或水龙头，还避免了如加工环境造成的人身健康问题，加工效率低，劳动力成本逐年增加，稳定性差，工艺一致性不够等在手工打磨和数控打磨过程中经常出现的问题。因此，许多学者对机器人砂带打磨加工做了大量研究，其中有一部分研究针对打磨轨迹规划问题。虽然轨迹规划能在一定程度上改善工件的加工质量，但是，光进行机器人轨迹规划无法达到机器人砂带打磨的加工要求，所以需要对机器人砂带打磨进行力控制，从而得到高的材料去除率，进而提高打磨质量。机器人砂带打磨力控制可分为被动力控制和主动力控制。其中，被动力控制主要是凭借一些辅助的柔顺机构，使机器人在与砂带轮接触时能够对打磨力产生自然顺从。该控制方法虽然能有效地提高打磨质量，却降低了力响应的动态范围和末端位置的精度。为了克服被动力控制存在的这些不足，主动力控制便应运而生并成为如今机器人研究领域的一个主要方向。目前，针对机器人主动力控制的研究基本可以归为两类：基于传统策略的力控制和基于智能策略的力控制，其中传统的控制方法又主要分为力/位混合控制和阻抗控制。这些传统的力控制策略虽然能达到一定的控制效果，但是由于在机器人打磨中存在非线性以及大量的不确定性，导致这些控制方法很难达到满意的效果。为了克服这些问题，相关研究人员提出了可实时计算出最佳控制参数的智能控制方法，但需要一定量的训练才能达到控制效果。也有一些学者提出了自适应阻抗控制，通过直接和间接两种方法，使其在环境参数未知的情况下具有较好的力跟踪效果，但是在调节过程中过多的自适应增益参数不利于实际的应用。
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，提供基于一维力传感器的机器人砂带打磨恒力控制方法。根据工件打磨时的受力情况，对打磨时刀具末端与工件之间的接触力模型进行受力分析并得到相应的力映射关系，通过讨论和验证打磨法向力与切向力之间的关系，简化力映射关系，从而建立打磨法向力与一维传感器上力的映射关系；通过探讨打磨时形变和打磨深度的关系，建立基于变形的机器人砂带打磨动力学模型；提出自适应滑模迭代算法，并根据算法提出相应的力控制模型，再根据力控制模型以及力映射关系设计控制器并得到具体的控制流程，从而实现控制机器人末端打磨法向力的目的。本专利技术的另一目的在于提供基于一维力传感器的机器人砂带打磨恒力控制装置。本专利技术的主要目的通过以下的技术方案实现：基于一维力传感器的机器人砂带打磨恒力控制方法，包括以下步骤：S1、根据打磨过程的受力情况，对机器人末端的打磨工件和砂带轮之间的接触力进行受力分析，获取传感器坐标系和砂带轮坐标系之间的力映射关系；通过打磨法向力和切向力的关系，建立并简化接触力与传感器坐标系上的力映射关系；S2、通过打磨形变和打磨深度的关系，建立基于变形的机器人砂带轮打磨动力学模型；S3、设计自适应滑模迭代控制算法，并根据机器人砂带轮打磨动力学模型，建立相应的力控制模型；S4、根据接触力与传感器坐标系上的力映射关系和相应的力控制模型，设计相应的自适应滑模迭代恒力控制器；S5、通过一维力传感器接收的力，应用接触力与传感器坐标系上的力映射关系，计算出法向打磨力并进行反馈，将反馈的接触力输入到相应的自适应滑模迭代恒力控制器，从而得到一个法向的偏移量，并将法向的偏移量传输到控制模块进行控制。进一步地，所述步骤S1，具体为：T1、根据打磨时的模型，建立坐标系之间的位姿关系：力传感器坐标系，砂带轮坐标系，其中力传感器坐标系原点为传感器的几何中心，力传感器坐标系X轴方向为传感器轴线方向，力传感器坐标系Y轴方向为传感器的径向方向，力传感器坐标系Z轴方向根据坐标系的右手法则确定；砂带轮坐标系的原点位于砂带轮中心沿径向方向的砂带表面上，砂带轮坐标系X轴方向为砂带轮径向方向，砂带轮坐标系Y轴方向为砂带轮轴向方向，砂带轮坐标系Z轴方向根据坐标系的右手法则确定，且打磨时两个坐标系的Z轴平行；T2、对打磨过程中的力进行分析，设Ft和Fn分别为砂带轮坐标系上的打磨切向力和法向力，F't和F'n表示将Ft和Fn转移到力传感器坐标系上的力，Fx和Fy分别表示一维力传感器上X轴和Y轴的力，则有：通过上式，求出砂带轮坐标系上的打磨法向力和切向力：其中，θ为两个坐标系的Y轴之间夹角；T3、建立砂带轮坐标系上打磨法向力和切向力的关系：Fn＝ηFt，其中，η为砂带轮坐标系上打磨法向力和切向力比值；T4、根据步骤T2和步骤T3，得到一维力传感器X轴的力Fx和砂带轮坐标系上打磨法向力Fn之间关系：Fx＝Fn(cosθ-sinθ/η)；最终控制目的是使力Fn达到恒力，但Fn无法直接获得，需要通过Fx算出，控制器中的力为Fn，故需要通过传感器得到的Fx需要通过该式转化为Fn；进一步地，所述步骤S2，具体为：U1、建立磨削力动力学模型：其中，fp(t)为法向磨削力，m为系统惯性矩阵在打磨力法向方向上的分量，c为系统阻尼矩阵在打磨力法向方向上的分量，k为磨削过程刚度在打磨力法向方向上的分量，x(t)为刀具垂直于工件表面的位置，即打磨深度；分别为x(t)的一阶导数和二阶导数；U2、分析打磨过程中机器人末端受力情况，建立机器人末端受力模型：f(t)＝fp(t)+fs(t)，其中，fs(t)为打磨过程中机器人的变形力；U3、研究打磨法向力与打磨深度的关系，建立打磨变形量与变形力的关系：δx(t)＝x*(t)-x(t)，fs(t)＝ksδx(t)，其中，δx(t)为刀具垂直于工件表面的打磨变形量，x*(t)为规划的打磨深度，ks为机器人打磨系统的静态刚度；U4、根据步骤U1、步骤U2、步骤U3的关系式，得到基于变形的机器人砂带打磨动力学模型：进一步地，所述步骤S3，具体为：V1、根据打磨力误差，设计滑模状态：ex(t)＝fx(t)-fxd(t)，其中，λ为滑模面系数，Sx(t)为打磨时的滑模状态，ex(t)、分别为打磨力误差和打磨力误差的一阶导数；fx(t)、分别为时刻实际打磨力和时刻实际打磨力的一阶导数；fxd(t)、分别为时刻期望打磨力和时刻期望打磨力的一阶导数；V2、根据步骤S2建立的基于变形的机器人砂带打磨动力学模型和步骤V1的滑模状态，则有：其中，m为系统惯性矩阵在打磨力法向方向上的分量，c为系统阻尼矩阵在打磨力法向方向上的分量，k为磨削过程刚度在打磨力法向方向上的分量，Sxi为第i次迭代时的滑模状态；和分别为加工深度构成的滑模面的一阶导数和二阶导数；且有：其中，Sxi为实际的打磨力滑模面，Sai(t)为加工深度构成的滑模面，Sδi(t)为加工变形构成的滑模面，Sf(t)为理想加工力构成的滑模面；δxi(t)和为打磨变形在工件法线方向上的分量及其一阶导数；V3、根据步骤V2，以及所期望得到的滑模状态，即Sxi＝0，得到力控制模型：进一步地，所述步骤S4，具体为：W1、根据步骤S1简化的力映射关系和步骤S3的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于一维力传感器的机器人砂带打磨恒力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据打磨过程的受力情况，对机器人末端的打磨工件和砂带轮之间的接触力进行受力分析，获取传感器坐标系和砂带轮坐标系之间的力映射关系；通过打磨法向力和切向力的关系，建立并简化接触力与传感器坐标系上的力映射关系；S2、通过打磨形变和打磨深度的关系，建立基于变形的机器人砂带轮打磨动力学模型；S3、设计自适应滑模迭代控制算法，并根据机器人砂带轮打磨动力学模型，建立相应的力控制模型；S4、根据接触力与传感器坐标系上的力映射关系和相应的力控制模型，设计相应的自适应滑模迭代恒力控制器；S5、通过一维力传感器接收的力，应用接触力与传感器坐标系上的力映射关系，计算出法向打磨力并进行反馈，将反馈的接触力输入到相应的自适应滑模迭代恒力控制器，从而得到一个法向的偏移量，并将法向的偏移量传输到控制模块进行控制。

【技术特征摘要】
1.基于一维力传感器的机器人砂带打磨恒力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据打磨过程的受力情况，对机器人末端的打磨工件和砂带轮之间的接触力进行受力分析，获取传感器坐标系和砂带轮坐标系之间的力映射关系；通过打磨法向力和切向力的关系，建立并简化接触力与传感器坐标系上的力映射关系；S2、通过打磨形变和打磨深度的关系，建立基于变形的机器人砂带轮打磨动力学模型；S3、设计自适应滑模迭代控制算法，并根据机器人砂带轮打磨动力学模型，建立相应的力控制模型；S4、根据接触力与传感器坐标系上的力映射关系和相应的力控制模型，设计相应的自适应滑模迭代恒力控制器；S5、通过一维力传感器接收的力，应用接触力与传感器坐标系上的力映射关系，计算出法向打磨力并进行反馈，将反馈的接触力输入到相应的自适应滑模迭代恒力控制器，从而得到一个法向的偏移量，并将法向的偏移量传输到控制模块进行控制。2.根据权利要求1所述的基于一维力传感器的机器人砂带打磨恒力控制方法，其特征在于，所述步骤S1，具体为：T1、根据打磨时的模型，建立坐标系之间的位姿关系：力传感器坐标系，砂带轮坐标系；其中力传感器坐标系原点为传感器的几何中心，力传感器坐标系X轴方向为传感器轴线方向，力传感器坐标系Y轴方向为传感器的径向方向，力传感器坐标系Z轴方向根据坐标系的右手法则确定；砂带轮坐标系的原点位于砂带轮中心沿径向方向的砂带表面上，砂带轮坐标系X轴方向为砂带轮径向方向，砂带轮坐标系Y轴方向为砂带轮轴向方向，砂带轮坐标系Z轴方向根据坐标系的右手法则确定，且打磨时两个坐标系的Z轴平行；T2、对打磨过程中的力进行分析，设Ft和Fn分别为砂带轮坐标系上的打磨切向力和法向力，Ft'和Fn'表示将Ft和Fn转移到力传感器坐标系上的力，Fx和Fy分别表示一维力传感器上X轴和Y轴的力，则有：通过上式，求出砂带轮坐标系上的打磨法向力和切向力：其中，θ为两个坐标系的Y轴之间夹角；T3、建立砂带轮坐标系上打磨法向力和切向力的关系：Fn＝ηFt，其中，η为砂带轮坐标系上打磨法向力和切向力比值；T4、根据步骤T2和步骤T3，得到一维力传感器X轴的力Fx和砂带轮坐标系上打磨法向力Fn之间关系：Fx＝Fn(cosθ-sinθ/η)。3.根据权利要求1所述的基于一维力传感器的机器人砂带打磨恒力控制方法，其特征在于，所述步骤S2，具体为：U1、建立磨削力动力学模型：其中，fp(t)为法向磨削力，m为系统惯性矩阵在打磨力法向方向上的分量，c为系统阻尼矩阵在打磨力法向方向上的分量，k为磨削过程刚度在打磨力法向方向上的分量，x(t)为刀具垂直于工件表面的位置，即打磨深度；分别为x(t)的一阶导数和二阶导数；U2、分析打磨过程中机器人末端受力情况，建立机器人末端受力模型：f(t)＝fp(t)+fs(t)，其中，fs(t)为打磨过程中机器人的变形力；U3、研究打磨法向力与打磨深度的关系，建立打磨变形量与变形力的关系：δx(t)＝x*(t)-x(t)，fs(t)＝ksδx(t)，其中，δx(t)为刀具垂直于工件表面的打磨变形量，x*(t)为规划的打磨深度，ks为机器人打磨系统的静态刚度；U4、根据步骤U1、步骤U2、步骤U3的关系式，得到基于变形的机器人砂带打磨动力学模型：4.根据权利要求3所述的基于一维力传感器的机器人砂带打磨恒力控制方法，其特征在于，所述步骤S3，具体为：V1、根据...

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