一种机器人磨削轨迹规划方法技术

本发明专利技术公开了一种机器人磨削轨迹规划方法，步骤为：S1、构建复杂结构体的三维数字模型，确定待磨削微小结构在三维数字坐标系下的外轮廓坐标，以将微小结构转化为点云的形式；S2、基于微小结构点云生成微小结构的OBB包围盒，确定获得包围盒在三维数字坐标系下八个顶点的坐标；S3、将微小结构包围盒与复杂结构体实物进行坐标配准，确定磨削工具的实际磨削位置；S4、对机械臂末端磨球的磨削运动分别进行速度、位置和位姿规划；S5、采用逆动力学求解方式，由机械臂末端磨头位姿求解得到机械臂关节的变量；该方法能够实现磨削位置精准，并充分考虑了磨削路径的顺滑性，以避免磨削器械产生较大的抖动和误差，具有很好的实用性。具有很好的实用性。具有很好的实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种机器人磨削轨迹规划方法


[0001]本专利技术涉及机器人磨削
，特别涉及一种机器人磨削轨迹规划方法。

技术介绍

[0002]当前，基于机器人的智能化、自主性和安全性，其逐渐代替人工动作，以实现更为需要精准、准确操作的钻削、铣削和磨削等操作。
[0003]对于具有复杂内部结构物体来说，磨削的重点除了对磨削动作的精细化具有一定要求外，对于磨削路径的规划也尤为重要，以避免在对微小结构进行磨削时，对邻近处的其它结构造成破坏。
[0004]因此，为了达到这一目标，磨削路径应从逐层磨削入手，并精准的将待磨削微小结构进行磨除。这一磨削过程与对结构体的外层机构的磨削方式不同，需要对磨削的轨迹与方法进行规划和优化，以确保其入路磨削位置精准、磨削路径顺滑，且磨削器械不会产生较大的抖动和误差。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种适用于用于复杂结构体微小结构磨削的机器人磨削轨迹规划方法。
[0006]为此，本专利技术技术方案如下：
[0007]一种机器人磨削轨迹规划方法，步骤如下：
[0008]S1、构建复杂结构体的三维数字模型，并基于三维数字模型的三维数字坐标系确定待磨削微小结构的外轮廓坐标，以将待磨削的微小结构转化为点云的形式；
[0009]S2、基于微小结构点云生成微小结构的OBB包围盒确定获得包围盒在三维数字坐标系下八个顶点的坐标；
[0010]S3、将由步骤S2确定的微小结构包围盒与固定在磨削台上的复杂结构体进行坐标配准，确定磨削工具的实际磨削位置；
[0011]S4、对同样固定在磨削台上并装配有磨削工具的机械臂的磨削运动轨迹进行规划，包括对机械臂末端磨头的速度规划、位置规划和位姿规划；其中，该步骤的具体实施步骤为：1)构建机械臂的固定基座坐标系、机械手末端坐标系和关节坐标系，以得到机械臂末端磨头的运动学方程，包括各关节的变换矩阵和从机械臂固定基座到磨头的变换矩阵；同时，根据包围盒的形状设计走刀路径，根据磨头的形状与尺寸在包围盒上确定磨削的起始点和终止点；2)速度规划采用七段s形速度曲线法，即将整个运动过程分为七段：加加速、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段和减减速段；3)位置规划采用结合七段s形速度曲线的直线插补法；4)位姿规划采用结合七段s形速度曲线的四元数姿态插补法；
[0012]S5、采用逆动力学求解方式，由机械臂末端磨头的位姿求解得到机械臂各关节的变量。
[0013]进一步地，步骤S1的具体实施步骤为：1)获得复杂结构体的三维数字模型，并确定
复杂结构体在三维数字坐标系下的外轮廓坐标集；2)在复杂结构体的三维数字模型中，确定待磨削的微小结构的位置，并获得微小结构在三维数字坐标系下的外轮廓坐标集；3)将微小结构在三维数字坐标系下的外轮廓坐标集转化为点云数据并进行可视化显示。
[0014]进一步地，步骤S2的具体实施步骤为：1)利用PCA主元分析法获取微小结构点云的质心，并基于质心生成OBB包围盒，进而以质心为原点，包围盒的长、宽、高所在方向分别作为x轴方向、y轴方向和z轴方向，建立包围盒坐标系；2)基于包围盒坐标系，获得包围盒八个顶点的坐标；3)基于包围盒八个顶点的坐标，获得微小结构点云的坐标集；基于微小结构点云分别在包围盒坐标系与三维数字坐标系下的坐标集，获得包围盒坐标系与三维数字坐标系的转换矩阵；进而，利用该转换矩阵即可获得包围盒八个顶点在三维数字坐标系下的坐标。
[0015]进一步地，步骤S3的具体实施步骤为：1)基于固定在磨削台上的复杂结构体，构建实物坐标系，以获得复杂结构体构的外轮廓坐标集；2)利用复杂结构体构分别在实物坐标系与三维数字坐标系下的外轮廓坐标集，得到实物坐标系与三维数字坐标系的转换矩阵；利用该转换矩阵，即可获得包围盒的八个顶点在实物坐标系下坐标。
[0016]进一步地，步骤S402的具体实施步骤为：
[0017]设置机械臂末端磨头在运动中的加速度均为J，J为常数；整个运动过程分为七段，即加加速段T1，即0～t1、匀加速段T2，即t1～t2、减加速段T3，即t2～t3、匀速段T4，即t3～t4、加减速段T5，即t4～t5、匀减速段T6，即t5～t6和减减速段T7，即t6～t7；
[0018]七段s形速度的加速度函数表达式为：
[0019][0020]式中，最大加速度a
max
在T2段，a
max
＝JT1；
[0021]七段s形速度的速度函数表达式为：
[0022][0023]式中，v0为初速度，v1～v6分别为T2段～T7段的初始时刻速度；匀速段T4的速度为运
动中的最大速度v3，也即V
max
；
[0024]七段s形速度的位移函数表达式为：
[0025][0026]式中，p为轨迹总长度，即器械末端的移动距离；p1～p6分别为T2段～T7段的初始时刻与磨削起点之间的轨迹长度。
[0027]进一步地，步骤S403的具体实施步骤为：
[0028]直线轨迹插补公式为：
[0029][0030]式中，i为插补直线上任意一点，其坐标为(x
i
，y
i
，z
i
)，相应地，(x0，y0，z0)为插补前的起始点坐标；Δt为插补周期；v
t
为运行速度；l
i
为自起始点至i点的位移，n为插补点数，
[0031]设机械臂末端在沿着x轴，y轴，z轴进行运动量对应着关节驱动器驱动各个关节的运动进给量Δx，Δy，Δz；则直线轨迹插补公式可知，关节运动进给量与每一个插补周期的位移有关；因此，在进行直线插补的同时，需要结合s形速度曲线的加减速阶段来进行；
[0032]设机械臂在进行第i个插补周期Δt的位移为p
i
，最大加速度为a
max
，匀速运动段速度为v
max
，则结合七段s形速度的位移函数表达式，分段式对应的p
i
的表达式为：
[0033][0034]进而，通过将不同阶段的p
i
带入直线轨迹插补公式中，即得到了第i个插补周期是机械臂末端的坐标；同时，结合速度规划中对最大速度和最大加速度的验证，以及总时间T的表达式：T＝T
a
+T
b
，即可以对总时间T进行求解；其中，T
a
加速时间段，即0～t3，减速时间段，即t4～t7。
[0035]进一步地，步骤S404的具体实施步骤为：
[0036]姿态变化过程中的角位移与时间的变化关系的表达式为：
[0037][0038]式中，w0～w6分别对应时刻的角速度，θ1～θ6分别为T2段～T7段的初始时刻与磨削起点之间的角位移；
[0039]设总角位移θ＝arccos(Q
A
·
Q
B
)，并令代入姿态四元数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机器人磨削轨迹规划方法，其特征在于，步骤如下：S1、构建复杂结构体的三维数字模型，并基于三维数字模型的三维数字坐标系确定待磨削微小结构的外轮廓坐标，以将待磨削的微小结构转化为点云的形式；S2、基于微小结构点云生成微小结构的OBB包围盒确定获得包围盒在三维数字坐标系下八个顶点的坐标；S3、将由步骤S2确定的微小结构包围盒与固定在磨削台上的复杂结构体进行坐标配准，确定磨削工具的实际磨削位置；S4、对固定在磨削台上并装配有磨削工具的机械臂的磨削运动轨迹进行规划，包括对机械臂末端磨头的速度规划、位置规划和位姿规划；其中，该步骤的具体实施步骤为：1)构建机械臂的固定基座坐标系、机械手末端坐标系和关节坐标系，以得到机械臂末端磨头的运动学方程，包括各关节的变换矩阵和从机械臂固定基座到磨头的变换矩阵；同时，根据包围盒的形状设计走刀路径，根据磨头的形状与尺寸在包围盒上确定磨削的起始点和终止点；2)速度规划采用七段s形速度曲线法，即将整个运动过程分为七段：加加速、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段和减减速段；3)位置规划采用结合七段s形速度曲线的直线插补法；4)位姿规划采用结合七段s形速度曲线的四元数姿态插补法；S5、采用逆动力学求解方式，由机械臂末端磨头的位姿求解得到机械臂各关节的变量。2.根据权利要求1所述的机器人磨削轨迹规划方法，其特征在于，步骤S1的具体实施步骤为：1)获得复杂结构体的三维数字模型，并确定复杂结构体在三维数字坐标系下的外轮廓坐标集；2)在复杂结构体的三维数字模型中，确定待磨削的微小结构的位置，并获得微小结构在三维数字坐标系下的外轮廓坐标集；3)将微小结构在三维数字坐标系下的外轮廓坐标集转化为点云数据并进行可视化显示。3.根据权利要求1所述的机器人磨削轨迹规划方法，其特征在于，步骤S2的具体实施步骤为：1)利用PCA主元分析法获取微小结构点云的质心，并基于质心生成OBB包围盒，进而以质心为原点，包围盒的长、宽、高所在方向分别作为x轴方向、y轴方向和z轴方向，建立包围盒坐标系；2)基于包围盒坐标系，获得包围盒八个顶点的坐标；3)基于包围盒八个顶点的坐标，获得微小结构点云的坐标集；基于微小结构点云分别在包围盒坐标系与三维数字坐标系下的坐标集，获得包围盒坐标系与三维数字坐标系的转换矩阵；进而，利用该转换矩阵即可获得包围盒八个顶点在三维数字坐标系下的坐标。4.根据权利要求1所述的机器人磨削轨迹规划方法，其特征在于，步骤S3的具体实施步骤为：1)基于固定在磨削台上的复杂结构体，构建实物坐标系，以获得复杂结构体构的外轮廓坐标集；2)利用复杂结构体构分别在实物坐标系与三维数字坐标系下的外轮廓坐标集，得到实物坐标系与三维数字坐标系的转换矩阵；利用该转换矩阵，即可获得包围盒的八个顶点在实物坐标系下坐标。5.根据权利要求1所述的机器人磨削轨迹规划方法，其特征在于，步骤S402的具体实施步骤为：设置机械臂末端磨头在运动中的加速度均为J，J为常数；整个运动过程分为七段，即加加速段T1，即0～t1、匀加速段T2，即t1～t2、减加速段T3，即t2～t3、匀速段T4，即t3～t4、加减速段T5，即t4～t5、匀减速段T6，即t5～t6和减减速段T7，即t6～t7；七段s形速度的加速度函数表达式为：
式...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘振忠，姚展成，张国彬，张润锋，郑来旺，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：