面向大曲面高精度处理的机器人自动示教控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种面向大曲面高精度处理的机器人自动示教控制系统及方法，包括控制器和机械臂，所述机械臂输出端上安装有搭载块，在该搭载块搭载面经伸缩机构与示教块球铰连接，通过控制器控制机械臂、球铰、伸缩机构，使机械臂的输出端垂直于大曲面表面处理位置，当在示教过程中，可以通过控制系统快速实现大曲面表面轮廓的轨迹示教，为曲面精细化处理提供多点示教，更为机器人执行单元提供快速的数据信息。有益效果：通过示教系统和方法，预先获取大曲面表面处理轨迹过程中的多点示教信息，为机器人实施表面处理过程提供快速的轨迹规划，有效提高清洗精度。

Robot automatic teaching control system and method for large surface and high precision processing

【技术实现步骤摘要】
面向大曲面高精度处理的机器人自动示教控制系统及方法
本专利技术涉及机器人高精度处理
，具体的说是一种面向大曲面高精度处理的机器人自动示教控制系统及方法。
技术介绍
随着激光清洗技术广泛应用，在某些关键部件的膜层去除对激光清洗工艺控制提出了非常高的要求。尤其像飞机蒙皮、复合材料涂层的激光去除，不仅仅对激光器本身的性能提出了较高要求，而且对表面处理过程中的激光作用距离、作用的角度、清洗速度的均匀性、沿曲面法线方向上的指向性提出了较高要求。传统技术中，为了达到高精度处理的要求，还处于使用手持式的激光器进行清洗。通过操作人员的工作经验进行激光处理，但是处理操作过程中，由于操作时间长，手臂会发抖，操作人员不能精准的保持操作距离，导致激光清洗获得的表面效果差、表面质量均匀性不一致，甚至会损伤其表面基体。为了提高其清洗效果，采取机器人搭载激光输出端进行其表面精细化处理是非常具有成效的方式，为了满足大曲面的精细化表面处理，目前激光处理常用的示教法有遥控示教、直接示教、离线轨迹编程方法等。其中，直接示教又叫手把手示教,由人直接搬动机器人的手臂对机器人进行示教；遥控示教是现在工业机器人示教的主要方式，通过人眼观察，并通过操作员遥控调节机器人和观察姿态而完成，示教速度慢，人为因素影响大，清洗误差大。遥控示教和离线轨迹编程方法均需要依靠人为观察和操作。离线轨迹编程方法通常又叫计算机编程法，该方法往往需要知道详细的表面处理模型，但一般表面处理的均为后期维修维保过程中，很难获得其三维精细化模型参数。处理过程中，往往不能结合被处理件的结构构造，进而难以实现精确的示教参数与精确的表面处理轨迹。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供了一种面向大曲面高精度处理的机器人自动示教控制系统及方法，搭建示教系统，可实现在大曲面表面的任一施工位置获取对应的施工距离，并记录示教位置点及机器人位姿参数值，实现大曲面表面连续点快速的示教位置点数据信息，通过控制器，对机械臂的高度和角度进行控制和校对，达到调节精度后，记录对应的施工位置的状态参数，当实际操作时，通过状态参数，实现控制器对机械臂进行控制。为达到上述目的，本专利技术采用的具体技术方案如下：一种面向大曲面高精度处理的机器人自动示教控制系统，包括控制器，所述控制器与机械臂连接，其关键技术在于：在所述机械臂输出端上安装有搭载块，在该搭载块搭载面上设置有伸缩机构、第三CCD图像传感器和激光圆点发生器；所述伸缩机构的伸缩杆顶端设置有位移传感器，该伸缩杆的伸缩端与搭载块搭载面固定连接，所述伸缩杆的示教连接端经第一球绞与示教块示教面铰接，在该示教块示教面上还设置有第一CCD图像传感器、第二CCD图像传感器，所述第一CCD图像传感器、第二CCD图像传感器采集端均朝向所述伸缩机构的示教连接端且所述第一CCD图像传感器、第二CCD图像传感器的采集方向相互垂直；所述伸缩机构的伸缩杆上设置有位移传感器，所述位移传感器与所述控制器的位移检测端连接；所述第三CCD图像传感器的采集方向与所述伸缩机构的伸缩杆伸缩方向平行，且所述第三CCD图像传感器的采集方向垂直于所述搭载块搭载面；所述激光圆点发生器与所述搭载块经精密旋转轴铰接；所述控制器的第一图像采集端与所述第一CCD图像传感器连接，所述控制器的第二图像采集端与所述第二CCD图像传感器连接，所述控制器的第三图像采集端与所述第三CCD图像传感器连接，所述控制器的示教连接端与所述伸缩机构连接，所述控制器的位移检测端与所述位移传感器连接；所述控制器的示教角度控制端与所述第一球绞连接，所述控制器的定位激光控制端与精密旋转轴连接，所述控制器的清洗控制端与所述清洗激光器连接，所述控制器的激光定位端与所述定位激光器连接。其中，搭载块用于搭载工件表面处理工具或者设备，例如激光清洗器等，用于对工件表面进行清洁或者除去涂层等。由于去除涂层材料的特殊性，需要保证其作用角度、距离的精度。为了保证在实际施工过程中，实时保持垂直操作和施工，在示教控制时，通过采集方向相垂直的第一CCD图像传感器和第二CCD图像传感器，采集两个垂直投影方向上示教面和伸缩杆之间的投影夹角，结合控制器控制第一球绞转动，使伸缩杆垂直于示教面。在实际施工过程中，示教面相当于实际施工点所在切面，当记录下当前位置在伸缩杆直于示教面时机械臂的状态参数后，即可得到实际操作过程中，机械臂的工作状态。同样的，通过上述设计，伸缩机构用于控制搭载块搭载面与示教块示教面之间的距离。伸缩杆伸缩时，控制器保持示教块当前位置不移动，而通过伸缩杆伸缩端的伸长和缩短并配合机器臂的高度，来调节机械臂输出端上的搭载块与示教块之间距离。相当于模拟实际施工过程中机械臂的动作。激光圆点发生器可以设置多种颜色，例如红色。经精密旋转轴安装固定，并用于对伸缩高度进行检测，利用激光圆点发生器的激光投射时的偏转角度θ和投射到示教面上的位置关系，来判断是当前搭载块的位置是偏高还是偏低。其中，精密旋转轴用于对激光圆点发生器的激光投射时的偏转角度进行采集。第三CCD图像传感器对激光投射点的位置进行采集，来驱动控制器发出高度调节信号。第三CCD图像传感器与激光圆点发生器相结合，对伸缩杆的伸缩长度和激光光点投射位置进行实时检测。第一CCD图像传感器、第二CCD图像传感器实现对第一球绞的偏转和旋转角度进行实时检测，实现闭环检测与控制。再进一步的，所述伸缩机构或为带光栅的电缸伸缩机构，所述控制器(的示教连接端与电缸伸缩机构的电缸连接；所述伸缩机构或为丝杆螺母结构，在所述控制器的示教连接端与所述丝杆螺母结构的丝杆驱动电机连接。一种面向大曲面高精度处理的机器人自动示教控制方法，其关键在于包括：用于确定施工位置并进行初始化设置的步骤；假设以示教连接端作为施工位置O；其中，初始化设置的具体内容为：根据施工位置O，获取该施工位置O的实际施工距离lz；测量得到激光圆点发生器与第三CCD图像传感器之间的相对距离为|AM|；根据实际施工距离lz和相对距离|AM|，结合直角三角形夹角与边长的关系，求取激光圆点发生器的偏转角度θ；用于控制器控制第一球绞转动，使伸缩机构伸缩杆垂直于所述示教块的示教面的步骤；用于控制器控制机械臂、伸缩机构和精密旋转轴，使伸缩杆的示教连接端、伸缩端之间的距离等于施工距离lz的步骤。其中，根据直角三角形规律，偏转角度θ＝arctan|AM|/lz。当直线AM与第三CCD图像传感器的采集延长线垂直时，激光圆点发生器发出的激光光线与第三CCD图像传感器的采集延长线的交点与第三CCD图像传感器的距离即为施工距离lz。通过上述方法，第一，控制实现伸缩杆垂直于示教面；第二，控制搭载块与示教块之间的距离等于施工距离，第三，可以记录满足上述两点时，机械臂的状态参数，在实际施工时，可以直接调取记录的对应的状态参数，进行直接施工，满足了对实际工件的操作要求，无需人为参与。通过示教控制系统，实现了在工件施工前期，提前获取施工过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向大曲面高精度处理的机器人自动示教控制系统，包括控制器(1)，所述控制器(1)与机械臂(2)连接，其特征在于：在所述机械臂(2)输出端上安装有搭载块(3)，在该搭载块(3)搭载面上设置有伸缩机构(4)、第三CCD图像传感器(9)和激光圆点发生器(10)；/n所述伸缩机构(4)的伸缩杆顶端设置有位移传感器(4a)，该伸缩杆的伸缩端与搭载块(3)搭载面固定连接，所述伸缩杆的示教连接端经第一球绞(11)与示教块(5)示教面铰接，在该示教块(5)示教面上还设置有第一CCD图像传感器(7)、第二CCD图像传感器(8)，所述第一CCD图像传感器(7)、第二CCD图像传感器(8)采集端均朝向所述伸缩机构(4)的示教连接端且所述第一CCD图像传感器(7)、第二CCD图像传感器(8)的采集方向相互垂直；/n所述第三CCD图像传感器(9)的采集方向与所述伸缩机构(4)的伸缩杆伸缩方向平行，且所述第三CCD图像传感器(9)的采集方向垂直于所述搭载块(3)搭载面；/n所述激光圆点发生器(10)与所述搭载块(3)经精密旋转轴(12)铰接；/n所述控制器(1)的第一图像采集端与所述第一CCD图像传感器(7)连接，所述控制器(1)的第二图像采集端与所述第二CCD图像传感器(8)连接，所述控制器(1)的第三图像采集端与所述第三CCD图像传感器(9)连接，所述控制器(1)的示教连接端与所述伸缩机构(4)连接，所述控制器(1)的位移检测端与所述位移传感器(4a)连接；所述控制器(1)的示教角度控制端与所述第一球绞(11)连接，所述控制器(1)的定位激光控制端与精密旋转轴(12)连接，所述控制器(1)的激光定位端与所述定位激光器(10)连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种面向大曲面高精度处理的机器人自动示教控制系统，包括控制器(1)，所述控制器(1)与机械臂(2)连接，其特征在于：在所述机械臂(2)输出端上安装有搭载块(3)，在该搭载块(3)搭载面上设置有伸缩机构(4)、第三CCD图像传感器(9)和激光圆点发生器(10)；
所述伸缩机构(4)的伸缩杆顶端设置有位移传感器(4a)，该伸缩杆的伸缩端与搭载块(3)搭载面固定连接，所述伸缩杆的示教连接端经第一球绞(11)与示教块(5)示教面铰接，在该示教块(5)示教面上还设置有第一CCD图像传感器(7)、第二CCD图像传感器(8)，所述第一CCD图像传感器(7)、第二CCD图像传感器(8)采集端均朝向所述伸缩机构(4)的示教连接端且所述第一CCD图像传感器(7)、第二CCD图像传感器(8)的采集方向相互垂直；
所述第三CCD图像传感器(9)的采集方向与所述伸缩机构(4)的伸缩杆伸缩方向平行，且所述第三CCD图像传感器(9)的采集方向垂直于所述搭载块(3)搭载面；
所述激光圆点发生器(10)与所述搭载块(3)经精密旋转轴(12)铰接；
所述控制器(1)的第一图像采集端与所述第一CCD图像传感器(7)连接，所述控制器(1)的第二图像采集端与所述第二CCD图像传感器(8)连接，所述控制器(1)的第三图像采集端与所述第三CCD图像传感器(9)连接，所述控制器(1)的示教连接端与所述伸缩机构(4)连接，所述控制器(1)的位移检测端与所述位移传感器(4a)连接；所述控制器(1)的示教角度控制端与所述第一球绞(11)连接，所述控制器(1)的定位激光控制端与精密旋转轴(12)连接，所述控制器(1)的激光定位端与所述定位激光器(10)连接。


2.根据权利要求1所述的面向大曲面高精度处理的机器人自动示教控制系统，其特征在于：所述伸缩机构(4)或为带光栅的电缸伸缩机构，所述控制器(1)的示教连接端与电缸伸缩机构的电缸连接；
所述伸缩机构(4)或为丝杆螺母结构，在所述控制器(1)的示教连接端与所述丝杆螺母结构的丝杆驱动电机连接。


3.一种面向大曲面高精度处理的机器人自动示教控制方法，其特征在于包括：
用于确定施工位置并进行初始化设置的步骤；
假设以示教连接端作为施工位置O；
其中，初始化设置的具体内容为：
根据施工位置O，获取该施工位置O的实际施工距离lz；
测量得到激光圆点发生器(10)与第三CCD图像传感器(9)之间的相对距离为|AM|；
根据实际施工距离lz和相对距离|AM|，结合直角三角形夹角与边长的关系，求取激光圆点发生器(10)的偏转角度θ；
用于控制器(1)控制第一球绞(11)转动，使伸缩机构(4)伸缩杆垂直于所述示教块(5)的示教面的步骤；

【专利技术属性】
技术研发人员：全旭松，叶亚云，叶朗，张尽力，刘长春，罗欢，陈海平，周海，蒋晓东，易聪之，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心，
类型：发明
国别省市：四川;51