[發(fā)明專利]基于虛擬夾具的遙操作機(jī)器人磨切一體加工系統(tǒng)與方法

在審

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• 申請日: 2021-07-07
• 公開（公告）號(hào): CN113386142A
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫濤;王猛;王攀峰;宋軼民;陳躍程
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): B25J9/16
• 分類號(hào): B25J9/16;B25J11/00;B25J3/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 琪琛

1.一種基于虛擬夾具的主從遙操作機(jī)器人磨切一體加工系統(tǒng)，其特征在于，包括：視覺系統(tǒng)、主動(dòng)操控機(jī)器人、虛擬夾具控制系統(tǒng)、機(jī)器人控制系統(tǒng)、從動(dòng)加工機(jī)器人；其中，所述主動(dòng)操控機(jī)器人、從動(dòng)加工機(jī)器人與機(jī)器人控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線連接；所述主動(dòng)操控機(jī)器人與虛擬夾具控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線進(jìn)行連接；所述視覺系統(tǒng)與其他部分均不連接。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于虛擬夾具的主從遙操作機(jī)器人磨切一體加工系統(tǒng)，其特征在于：磨切加工時(shí)，所述主動(dòng)操控機(jī)器人、虛擬夾具控制系統(tǒng)均位于遙操作室A中；視覺系統(tǒng)、機(jī)器人控制系統(tǒng)和從動(dòng)加工機(jī)器人位于距離所述遙操作室A較遠(yuǎn)的加工車間B中。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于虛擬夾具的主從遙操作機(jī)器人磨切一體加工系統(tǒng)，其特征在于：可通過所述虛擬夾具控制系統(tǒng)調(diào)整虛擬夾具的形狀、大小、位置，分別生成三種適于各類殘留特征加工的平面型、曲面型和圓柱型虛擬夾具。

4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述系統(tǒng)的基于虛擬夾具的主從遙操作機(jī)器人磨切一體加工方法，其特征在于，通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：

1)工人通過所述視覺系統(tǒng)獲取中大型鑄造件的殘留特征與所述從動(dòng)加工機(jī)器人末端執(zhí)行器的相對位姿；

2)工人據(jù)此通過所述虛擬夾具控制系統(tǒng)生成適于殘留特征加工的虛擬夾具；

3)工人通過所述虛擬夾具控制系統(tǒng)調(diào)整虛擬夾具與中大型鑄造件殘留特征之間的相對位姿，使虛擬夾具滿足所述中大型鑄造件殘留特征的磨切加工需求；

4)通過所述虛擬夾具控制系統(tǒng)給虛擬夾具施加人工斥力場，斥力場產(chǎn)生的斥力對所述主動(dòng)操控機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)進(jìn)行約束與引導(dǎo)；

5)工人施加給所述主動(dòng)操控機(jī)器人末端的驅(qū)動(dòng)力和斥力場產(chǎn)生的斥力的合力共同決定所述從動(dòng)加工機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，使其對所述中大型鑄造件殘留特征進(jìn)行加工。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述基于虛擬夾具的主從遙操作機(jī)器人磨切一體加工方法，其特征在于，所構(gòu)建的虛擬夾具可表示為：

S_m,i＝f(x,y,z) (1)

S_m,i∈S_m (2)

式中，S_m,i為虛擬夾具邊界上的任意一點(diǎn)，S_m為虛擬夾具的邊界；x,y,z分別為虛擬夾具的控制變量，可對虛擬夾具的大小、形狀、凹凸度等屬性進(jìn)行調(diào)整；虛擬夾具的中心點(diǎn)可表示為：P₀(x₀,y₀,z₀)，加工時(shí)，工人以虛擬夾具中心點(diǎn)為中心對其位姿進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整函數(shù)為：

式中，R和P分別表示旋轉(zhuǎn)和平移變換矩陣。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述基于虛擬夾具的主從遙操作機(jī)器人磨切一體加工方法，其特征在于，所述主動(dòng)操控機(jī)器人和從動(dòng)加工機(jī)器人間采用基于增量式位置跟隨的控制方式：

首先，通過所述主動(dòng)操控機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解模型，由其各主動(dòng)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角計(jì)算出末端位置以同樣的方式得到下一周期的末端位置計(jì)算出相鄰周期的位置增量為

然后，由所述從動(dòng)加工機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解模型，根據(jù)其關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)量計(jì)算出所述從動(dòng)加工機(jī)器人末端執(zhí)行器位置加上所述主動(dòng)操控機(jī)器人末端位置增量，即可得到所述從動(dòng)加工機(jī)器人末端目標(biāo)位置，

式中，K為所述主動(dòng)操控機(jī)器人與從動(dòng)加工機(jī)器人之間的運(yùn)動(dòng)縮放比例系數(shù)；通過所述從動(dòng)操控機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，求得其主動(dòng)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)量；

基于上述主動(dòng)操控機(jī)器人與從動(dòng)加工機(jī)器人間的控制方式，所述主動(dòng)和從動(dòng)機(jī)器人工作空間之間的映射可表示為：

W_Z＝KW_C (6)

式中，W_Z為所述主動(dòng)操控機(jī)器人的工作空間，W_C為所述從動(dòng)加工機(jī)器人的工作空間。