机器人加渣作业方法、系统、运动轨迹规划方法、系统与流程

本发明属于连铸结晶器加渣领域，具体涉及一种机器人加渣作业系统及运动轨迹规划方法。

背景技术：

结晶器保护渣具有润滑、防止钢水与空气接触发生二次氧化、吸收钢水中的夹杂物等作用。因此，在连铸过程中严格控制结晶器内保护渣的厚度，使保护渣均匀加在钢水液面上对改善铸坯质量具有极其重要的意义。

结晶器加渣的传统方法为人工手动加入，这种方式存在工作量大、工作环境恶劣、钢坯生产质量不稳定等缺点。近些年出现了一些自动加渣的设备，如自动加渣机器人，降低了高温高粉尘恶劣环境对人体的损害问题，一定程度上提高了钢坯的生产质量。但目前的加渣机器人主要为自动化，尚未实现智能化，即加渣轨迹是按事先规划好的运动路径，未能根据结晶器状态对保护渣的实际需求进行智能实时加渣，并且机器人的运动轨迹规划需要通过编程实现，操作比较复杂。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种机器人加渣作业方法、系统、运动轨迹规划方法、系统，用于实现根据结晶器状态实际状态和现场环境约束，进行智能实时加渣，以进一步提高保护渣添加的均匀性。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种机器人加渣作业轨迹规划方法，该规划方法包括：

通过机器人进行加渣运动轨迹的示教操作；实时检测在示教过程中结晶器状态、周围环境的状态信息，将感知到的所述状态信息与操作信息进行分析，抽象出状态信息与操作之间的映射关系；

根据抽象出的所述映射关系和所述的结晶器状态、周围环境的状态信息，生成机器人作业运动轨迹的控制信号。

可选地，所述状态信息与操作之间的映射关系为：

t(t1,t2,..,tn)＝f(s(m),s(e))

其中，f为结晶器状态、周围环境的状态信息与机器人操作之间的映射函数，t为机器人各关节的扭矩向量，s(m)为结晶器的状态函数，s(e)为周围环境的状态函数，t1,t2,...,tn为机器人各关节扭矩。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种机器人加渣作业轨迹规划系统，该规划系统包括：

第一模式运行单元，用于通过机器人进行加渣运动轨迹的示教操作；实时检测在示教过程中结晶器状态、周围环境的状态信息，将感知到的所述状态信息与操作信息进行分析，抽象出状态信息与操作之间的映射关系；

第二模式运行单元，用于根据抽象出的所述映射关系和所述的结晶器状态、周围环境的状态信息，生成机器人作业运动轨迹的控制信号。

可选地，所述状态信息与操作之间的映射关系为：

t(t1,t2,..,tn)＝f(s(m),s(e))

其中，f为结晶器状态、周围环境的状态信息与机器人操作之间的映射函数，t为机器人各关节的扭矩向量，s(m)为结晶器的状态函数，s(e)为周围环境的状态函数，t1,t2,...,tn为机器人各关节扭矩。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种机器人加渣作业系统，该系统包括：

感知子系统，用于实时检测结晶器状态、周围环境的状态信息以及人工对机器人的操作信息，并将感知到的信息输入到决策子系统；

决策子系统，用于执行所述的轨迹规划方法；

执行子系统，用于根据所述控制信号，按规划的轨迹完成加渣操作。

可选地，所述感知子系统包括视觉传感器和力觉传感器；其中所述视觉传感器用于采集所述感知结晶器液面和周围环境的状态信息，所述力觉传感器感知机器人各关节的扭矩。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种机器人加渣作业方法，该方法包括：

实时检测结晶器状态、周围环境的状态信息以及人工对机器人的操作信息；

将所述的结晶器状态、周围环境的状态信息以及人工对机器人的操作信息进行分析，抽象出状态信息与操作之间的映射关系，并根据所述状态信息和映射关系生成机器人运动轨迹的控制信号；

根据所述控制信号完成加渣操作。

可选地，所述状态信息与操作之间的映射关系为：

所述状态信息与操作之间的映射关系为：

t(t1,t2,..,tn)＝f(s(m),s(e))

其中，f为结晶器状态、周围环境的状态信息与机器人操作之间的映射函数，t为机器人各关节的扭矩向量，s(m)为结晶器的状态函数，s(e)为周围环境的状态函数，t1,t2,...,tn为机器人各关节扭矩。

如上所述，本发明的一种机器人加渣作业方法、系统、运动轨迹规划方法、系统，具有以下有益效果：

本发明能根据结晶器状态状态，实现智能精准实时加渣；无需编程，操作简便易行；本发明基于人类加渣的经验规律控制机器人进行加渣操作，使加渣作业的柔性更强；克服了现有技术存在的人工工作量大、未能根据结晶器状态的实际状态和需求进行实时智能加渣以及机器人示教编程复杂等缺点，实现了结晶器加渣作业系统的智能化，且机器人的动运轨迹规划具有操作简单无需编程的特点。

附图说明

图1为本发明运动轨迹规划方法流程图；

图2为本发明加渣机器人的系统组成图；

图3为本发明实施例的三自由度工业机器人机构简图；

图4为本发明实施例的三自由度工业机器人参数说明图；

图5为本发明实施例的三自由度工业机器人运动轨迹图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1～5。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本发明提供一种机器人加渣作业轨迹规划方法，该规划方法包括：

通过机器人进行加渣运动轨迹的示教操作；实时检测在示教过程中结晶器状态、周围环境的状态信息，将感知到的所述状态信息与操作信息进行分析，抽象出状态信息与操作之间的映射关系；

根据抽象出的所述映射关系和所述的结晶器状态、周围环境的状态信息，生成机器人作业运动轨迹的控制信号。

其中，定义所述通过机器人进行加渣运动轨迹的示教操作；实时检测在示教过程中结晶器状态、周围环境的状态信息，将感知到的所述状态信息与操作信息进行分析，抽象出状态信息与操作之间的映射关系为学习模式；定义根据抽象出的所述映射关系和所述的结晶器状态、周围环境的状态信息，生成机器人作业运动轨迹的控制信号为工作模式。

于一实施例中，所述状态信息与操作之间的映射关系为：

t(t1,t2,..,tn)＝f(s(m),s(e))

其中，f为结晶器状态、周围环境的状态信息与机器人操作之间的映射函数，t为机器人各关节的扭矩向量，s(m)为结晶器的状态函数，s(e)为周围环境的状态函数，t1,t2,...,tn为机器人各关节扭矩。

本发明还提供一种机器人加渣作业轨迹规划系统，该规划系统包括：

第一模式运行单元，用于通过机器人进行加渣运动轨迹的示教操作；实时检测在示教过程中结晶器状态、周围环境的状态信息，将感知到的所述状态信息与操作信息进行分析，抽象出状态信息与操作之间的映射关系；

第二模式运行单元，用于根据抽象出的所述映射关系和所述的结晶器状态、周围环境的状态信息，生成机器人作业运动轨迹的控制信号。

于一实施例中，所述状态信息与操作之间的映射关系为：

t(t1,t2,..,tn)＝f(s(m),s(e))

其中，f为结晶器状态、周围环境的状态信息与机器人操作之间的映射函数，t为机器人各关节的扭矩向量，s(m)为结晶器的状态函数，s(e)为周围环境的状态函数，t1,t2,...,tn为机器人各关节扭矩。

如图2所示，本发明还提供一种机器人加渣作业系统，该系统包括感知子系统、决策子系统和执行子系统；

其中，所述感知子系统，用于实时检测结晶器状态、周围环境的状态信息以及人工对机器人的操作信息，并将感知到的信息输入到决策子系统。

于一实施例中，所述感知系统包括视觉传感器和力觉传感器，其中所述视觉传感器用于采集所述感知结晶器液面和周围环境的状态信息，所述力觉传感器感知机器人各关节的扭矩。

所述决策子系统，具有学习的功能，用于通过机器人进行加渣运动轨迹的示教操作；实时检测在示教过程中结晶器状态、周围环境的状态信息，将感知到的所述状态信息与操作信息进行分析，抽象出状态信息与操作之间的映射关系；根据抽象出的所述映射关系和所述的结晶器状态、周围环境的状态信息，生成机器人作业运动轨迹的控制信号。

所述执行子系统，包括具有拖动示教功能的机器人本体和设置于机器人末端的加渣装置，用于根据所述控制信号，按规划的轨迹完成加渣操作，以实现保护渣的智能实时加入。

本发明还提供一种机器人加渣作业方法，该方法包括：

实时检测结晶器状态、周围环境的状态信息以及人工对机器人的操作信息；

将所述的结晶器状态、周围环境的状态信息以及人工对机器人的操作信息进行分析，抽象出状态信息与操作之间的映射关系，并根据所述状态信息和映射关系生成机器人运动轨迹的控制信号；

根据所述控制信号完成加渣操作。

可选地，所述状态信息与操作之间的映射关系为：

所述状态信息与操作之间的映射关系为：

t(t1,t2,..,tn)＝f(s(m),s(e))

其中，f为结晶器状态、周围环境的状态信息与机器人操作之间的映射函数，t为机器人各关节的扭矩向量，s(m)为结晶器的状态函数，s(e)为周围环境的状态函数，t1,t2,...,tn为机器人各关节扭矩。

下面采用具体的数值进行对本发明的实施方式进行举例说明，但并非局限于以下实施方式。机器人本体以一个平面三自由度工业机器人为例进行说明，其机构简图如图3，具体参数如下：

连杆几何参数：l1＝1m,l2＝1m,l3＝0.5m；

连杆质量参数：m1＝1kg,m2＝1kg,m3＝0.5kg；

关节扭矩参数：τ1max＝45n.m,τ2max＝20n.m,τ3max＝5n.m；

初始位姿：x0＝0.4m,y0＝2.2m,qt0＝80^°；

目标点：xg＝-1.9,yg＝-0.5；

障碍点坐标：xob＝-0.5,yob＝2.1。

如图4所示为上述参数的图形说明，图中表示出了机器人的坐标系原点、初始位姿和目标点，运动界限表明了机器人的运动空间即运动不能超出该虚线圆形区域，实线的圆形区域为障碍区域即机器人在运动规划时应该避开该区域。

图5为利用上述规划方法产生的运动轨迹。由图可以看出，机器人可以绕过障碍成功到达目标点，且运动路径为光滑曲线。

本发明克服了现有技术存在的人工工作量大、未能根据结晶器状态的实际状态和需求进行实时智能加渣以及机器人示教编程复杂等缺点，实现了结晶器加渣作业系统的智能化，且机器人的运动轨迹规划具有操作简单无需编程的特点。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。