[發明專利]一種自主研磨大型自由曲面的機器人

在審

• 申請號: 201710498471.3
• 申請日: 2017-06-27
• 公開（公告）號: CN107097122A
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發明（設計）人: 王文忠;高金剛;楊達毅;李琨;楊利;徐剛
• 申請（專利權）人: 長春工程學院
• 主分類號: B24B19/00
• 分類號: B24B19/00;B24B49/12;B62D57/032
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種研磨大型自由曲面機器人。

背景技術

目前的串聯、并聯機器人及基于五軸框架式加工機器人應用在復雜曲面研磨加工方面，受到設備加工范圍的限制與設備的精度、剛度、響應速度、穩定性及動力等方面的制約，該種方法的缺點和不足是無法實現對大型自由曲面的研磨加工。

現有研拋大型復雜曲面自主作業微小機器人通過固定的視覺攝像頭獲取的待加工曲面及機器人位置方面，具有加工范圍有限和需要事先取得待加工曲面CAD數據模型的缺點和不足。通過單目視覺掃描的方式重構待加工曲面CAD數據模型的方法，具有無法實時控制研磨工具末端位姿的缺點和不足。

自主移動作業機器人在實現路徑規劃、避障、自身定位，同時對全區域進行搜索遍歷及在線檢測識別目標物體方面，局部路徑規劃方法主要有人工勢場法、遺傳算法、和模糊邏輯算法等。針對全區域遍歷搜索，搜索時劃定柵格仍然具有一定的難度，采用神經網絡方法來進行區域遍歷，通常要求預知搜索環境的模型，并且在計算神經網絡參數時具有較高的計算復雜度。

通過單目相機獲取研磨工具端位姿引導機器人研磨工具末端作業，具有只能局限于某一固定平面內且無法直接獲取物體的三維信息的缺點和不足。采用平行雙目或斜交雙目的非正交雙目立體視覺進行三維位姿確定時，具有獲得深度信息精度不夠高及需要多個特征點匹配的缺點和不足。

基于位置的視覺伺服方法很大程度上依賴于攝像機參數標定精度，缺乏對圖像軌跡的直接控制。在基于圖像的視覺伺服中，缺乏對機械手三維空間軌跡的直接控制，圖像雅可比的奇異性問題會導致伺服系統的不穩定性和伺服任務的失敗。混合視覺伺服由于需求解單應性矩陣并對它進行分解處理，比較復雜和耗時。目前，無標定視覺伺服則無需預先對攝像機參數進行精確標定，但是主要針對基于圖像的視覺伺服方法，利用圖像特征實現與混合視覺伺服相似的運動解耦特性方面具有缺點和不足。

發明內容

要解決的技術問題

本發明的目的是為了克服現有技術中加工大型非結構化曲面范圍受到限制、無法實時控制研磨工具末端位姿、無法在機器人運動學、動力學模型和攝像機參數不確定的情況下獲得穩定的軌跡跟蹤控制等缺點，提供了一種具有自主作業能力、動態控制研磨工具末端位姿及能對研磨工具末端和環境之間接觸力進行控制優點的自主研磨大型自由曲面機器人。

技術方案

為了解決上述技術問題，本發明是通過以下技術方案實現的。

一種具有自主作業功能的研磨大型自由曲面的機器人，包括機器人本體1、X向進給機構2、X向進給機構支撐可伸縮足3、Y向進給機構4、Y向進給機構支撐可伸縮足腿5、轉動機構6、擺動機構7、Z向進給機構8、研磨工具機構9、相機B及其對應激光裝置10、相機A及其對應激光裝置11、姿態傳感器；其特征在于：對全部待加工表面能通過測量光柵尺與相機共同確定的若干個局部區域實現自主遍歷搜索，并實時控制研磨工具末端的位姿及對研磨作用力進行基于無標定視覺伺服的視覺/力覺反饋的模糊邏輯阻抗控制。

X向和Y向的進給機構與各自的測量光柵尺組合可實現移動平臺在X向和Y向的直線插補運動并確定運動方向，Z向的進給機構與其上的測量光柵尺組合實現直線運動。

根據相機A和B獲取在X向和Y向的圖像，可判斷在各自方向的待加工曲面邊界，結合測量光柵尺記錄的X向和Y向的運動，可判斷與選擇曲面的已加工區域和未加工區域。

相機A及其對應激光裝置確定研磨工具末端的位姿相機B及其對應激光裝置確定研磨工具末端的位置通過相機A和B獲取研磨工具末端和環境之間關系，進一步與機器人本體的運動位置相對應，進行實時控制研磨工具末端的位姿。

采用的正交雙目立體視覺模型中，根據相機A和B獲取各自圖像平面信息，將研磨工具末端的坐標轉換到機器人基坐標系中，進而確定研磨工具末端的位姿。

對相機A和B獲取的圖像平面采用基于圖像的視覺伺服，通過找出一組特征使每個特征僅與研磨工具末端的一個圖像平面內的運動自由度存在關聯，以實現完全解耦的運動控制。圖像信息的獲取和處理是與研磨工具末端反饋控制同時進行，機器人控制器整體作為內環調節器，作為外環的視覺控制器則起到為內環控制器提供給定的作用，以實現研磨作用力控制的視覺/力覺反饋的模糊邏輯阻抗控制。

附圖說明

圖1：本發明提供的自主研磨大型自由曲面的機器人結構示意圖；