一种基于六维力传感器的机器人柔性智能打磨系统的制作方法

本实用新型涉及工业机器人应用领域，具体是一种基于六维力传感器的机器人柔性智能打磨系统。

背景技术：

在工业生产过程中，打磨是很常见的工序。随着人力成本的上升，工业现场的打磨作业也面临着机器换人的迫切需求。对于多数的打磨作业，被打磨工件的外形多为不规则曲面，对于打磨过程中的轨迹规划问题，很难通过示教完成机器人的编程工作，通过离线编程的方式生成的机器人运动轨迹对于单件小批量的打磨工作存在时间成本高、精度差等问题，对于柔性化需求打磨现场单纯离线编程的方式很难胜任。引入视觉等方式的解决方案带来成本的大幅提高。

公开号为cn103878666a的中国发明专利(一种自由曲面机器人打磨系统)专利提出了一种用机器人进行自由曲面的机器人打磨系统概念，通过离线编程生成机器人的磨抛轨迹，通过气动柔性气缸补偿离线编程规划的轨迹与工件实际位置的偏差。采用柔性气缸的方式，结构复杂，维护成本高，离线编程过程复杂，且对于柔性的工作现场，限制了离线编程使用。申请号为cn106799738a的中国发明专利提出了一种不需要提前离线编程的打磨方式，打磨轨迹边界采用电脑设定或通过视觉系统等方式给定，引起设备采购、维护成本大幅提高，同时对操作人员素质要求高。

技术实现要素：

本实用新型针对当前打磨系统对工业现场柔性适应性差，成本高昂等问题，提出了一种基于六维力传感器的机器人柔性智能打磨系统。

为达到上述目的，本实用新型包括机器人本体、六维力传感器、抛磨装置、机器人控制器、示教器等，所述六维力传感器安装在机器人本体末端、抛磨装置与六维力传感器另一端连接。所述的机器人本体为协作机器人或工业机器人，所述的机器人控制器与机器人电连接，所述的示教器与机器人控制器电连接；所述的机器人控制器为该机器人配套的控制器，所述的示教器为该机器人配套的示教器。

所述的柔性智能打磨系统还包含实时力信息采集模块、打磨路径规划与实时力控程序模块、人机交互模块。所述的实时力信号采集模块将打磨力信息实时的进行采集、转换并传输至打磨路径规划与实时力控程序模块中，所述的打磨路径规划与实时力控程序模块对针对接受到的力信号信息对打磨路径进行规划、对机器人位姿进行控制从而完成打磨操作，所述的人机交互模块提供人机交互界面并将需要操作人员设定的信息传输至打磨路径规划与实时力控程序模块中去。

其中实时力信息采集模块包含前端信号处理、ad转换模块、六维力信息采集模块等子模块；打磨路径规划和实时力控程序模块包含重力补偿模块、拖动示教模块、二维边界识别模块、打磨轨迹控制模块、位姿坐标变换模块等子模块；人机交互模块包含打磨系统人机交互界面、人机交互程序等。

打磨路径规划和实时力控程序模块中，重力补偿模块用于精确补偿抛磨装置重力影响；拖动示教模块是通过感知机器人末端六维力传感器的人为示教拖动力信息控制机器人向目标方向移动、记录并复现位姿信息的软件模块；二维边界识别模块是识别并整合操作人员拖动机器人末端框定出的二维力打磨区域边界信息的模块；打磨轨迹控制模块的作用是保证在打磨工件表面法线方向打磨力恒定，且打磨过程实时控制抛磨装置垂直于打磨工件表面。位姿坐标变换模块的作用是将打磨轨迹控制模块解算出的工件坐标系信息解算到机器人坐标系中。

所述的实时力信息采集模块以单片机的形式集成于六维力传感器内部，人机交互模块以软件的形式嵌入机器人的示教器中。打磨路径规划和实时力控程序模块以软件的形式嵌入六维力传感器的单片机的内部程序中，或者以软件的形式嵌入机器人控制器的内部程序中，又或者以软件的形式集成于单独的上位机中。

所述六维力传感器内部集成的单片机通讯方式支持rs422、ethercat、ethernet。单片机的采样率大于等于500hz。

所述的智能打磨系统具备以六维力传感器反馈终端的力控拖动示教的能力。

所述智能打磨系统在小曲率打磨情况下(曲率半径大于200mm)，通过拖动示教的方式框定二维打磨区域，打磨过程中通过六维力传感器实时反馈打磨装置和打磨曲面的相对位姿以及打磨力，通过机器人控制器控料实现打磨装置位姿调整，从而完成打磨；

所述智能打磨系统在大曲率打磨情况下(曲率半径小于等于200mm)，框定二维打磨区域后，正式打磨操作之前先通过打磨系统慢速模拟的方式，扫描三维打磨轨迹，并以此三维扫描轨迹作为正式打磨过程中的控制前馈信息，结合六维力传感器的实时力控信息实现精细打磨操作。

所述打磨过程中的完成一次交叉轨迹为一个打磨循环，即在一个方向上完成全覆盖的一轮打磨后在其正交方向上再完成一轮全覆盖打磨为一个打磨循环。

本实用新型具有以下优点及突出性效果：

1、本实用新型可实现在柔性打磨工作中，不需要离线编程、不需要视觉系统和三维扫描系统等通过实时力控的方式实现柔性打磨工作现场全曲率覆盖，操作简单，维护方便。

2、本实用新型的控制是基于机器人自带的控制器以及六维力传感器内部的单片机，打磨系统的人机交互界面集成在机器人自带的示教器上，简化了控制系统，提高了系统的可靠性和实时性。

附图说明

图1为基于六维力传感器的机器人柔性智能打磨系统的原理图。

图2-1为基于六维力传感器的机器人柔性智能打磨系统软件模块流程图(1)

图2-2为基于六维力传感器的机器人柔性智能打磨系统软件模块流程图(2)

图2-3为基于六维力传感器的机器人柔性智能打磨系统软件模块流程图(3)

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明：

对图1各部分进行说明如下：

1、示教器2、机器人控制器3、机器人本体4、六维力传感器5、抛磨装置6、被打磨工件

如图1所示，基于六维力传感器的机器人柔性智能打磨系统包括示教器1、机器人控制器2、机器人本体3、六维力传感器4、抛磨装置5、被打磨工件6等。所述六维力传感器4安装在机器人本体3末端、抛磨装置5与六维力传感器4另一端连接。

所述的机器人本体3为协作机器人或工业机器人，所述的机器人控制器2与机器人3电连接，所述的示教器1与机器人控制器2电连接；所述的机器人控制器2为该机器人3配套的控制器，所述的示教器1为该机器人3配套的示教器。

如图2所示，智能打磨系统还包含实时力信息采集模块、打磨路径规划与实时力控程序模块、人机交互模块。所述的实时力信号采集模块将打磨力信息实时的进行采集、转换并传输至打磨路径规划与实时力控程序模块中，所述的打磨路径规划与实时力控程序模块对针对接受到的力信号信息对打磨路径进行规划、对机器人位姿进行控制从而完成打磨操作，所述的人机交互模块提供人机交互界面并将需要操作人员设定的信息传输至打磨路径规划与实时力控程序模块中去。其中实时力信息采集模块包含前端信号处理、ad转换模块、六维力信息采集模块等子模块；打磨路径规划和实时力控程序模块包含重力补偿模块、拖动示教模块、二维边界识别模块、打磨轨迹控制模块、位姿坐标变换模块等子模块；人机交互模块包含打磨系统人机交互界面、人机交互程序等。

打磨路径规划和实时力控程序模块中，重力补偿模块用于精确补偿抛磨装置5重力影响；拖动示教模块是通过感知机器人末端六维力传感器的人为示教拖动力信息控制机器人向目标方向移动、记录并复现位姿信息的软件模块；二维边界识别模块是识别并整合操作人员拖动机器人末端框定出的二维力打磨区域边界信息的模块；打磨轨迹控制模块的作用是保证在打磨工件表面法线方向打磨力恒定，且打磨过程实时控制抛磨装置垂直于打磨工件表面。位姿坐标变换模块的作用是将打磨轨迹控制模块解算出的工件坐标系信息解算到机器人坐标系中。

如图2-1所示，实时力信息采集模块以单片机的形式集成于六维力传感器4内部，打磨路径规划和实时力控程序模块以软件的形式嵌入机器人控制器2内部程序中，人机交互模块以软件的形式嵌入机器人的示教器1中。

如图2-2所示，实时力信息采集模块以单片机的形式集成于六维力传感器4内部，打磨路径规划和实时力控程序模块以软件的形式嵌入六维力传感器4的单片机的内部程序中，人机交互模块以软件的形式嵌入机器人的示教器1中。这种方式具有极高的集成度，对机器人控制器内本身的程序变动很少。

所述的机器人本体3为协作机器人或工业机器人，机器人控制器2为该机器人配套的控制器，柔性智能打磨系统的打磨路径规划和实时力控程序模块嵌入到机器人控制器2中或是嵌入到六维力传感器4的单片机中，都有效的减少了控制系统的层级，提高了系统的可靠性、安全性和实时性。柔性智能打磨系统的人机界面集成在机器人自带的示教器上。操作人员只需要通过示教器1进行参数设置和交互即可完成打磨操作，从而减少了操控原件的冗余，降低了操作人员的操作难度。

如图2-3所示，打磨路径规划和实时力控程序模块也可以软件的形式嵌入上位机的内部程序中，通过上位机与机器人控制器进行通讯实现打磨路径规划和实时力控程序的交互，从而实现机器人的打磨工作。

所述六维力传感器4内部集成的单片机通讯方式支持rs422、ethercat、ethernet。这三种通讯方式可以涵盖大部分机器人控料器通讯方式，可满足绝大部分机器人应用需求；单片机的采样率大于等于500hz，满足机器人实时力控精度要求。

所述的智能打磨系统具备以六维力传感器4为反馈终端的力控拖动示教能力。具体的打磨方式如下：

所述智能打磨系统在小曲率打磨情况下(曲率半径大于200mm)，通过拖动示教的方式框定二维打磨区域，打磨过程中通过六维力传感器4实时反馈打磨装置和打磨曲面的相对位姿以及打磨力信息至机器人控制器2，通过机器人控制器2的控制程序实现打磨装置位姿调整，从而完成打磨；

当曲率较大时，由于曲率过大，打磨过程抛磨装置5在工件6表面跟随过程中位姿变化过快，无法与智能打磨系统的实时性相匹配，直接进行打磨会存在由于跟随滞后引起的打磨不稳定的问题。具体的解决方案是：所述智能打磨系统在大曲率打磨情况下(曲率半径小于等于200mm)，框定二维打磨区域后，正式打磨操作之前先通过打磨系统慢速模拟的方式，速度设定在5mm/s以下，扫描三维打磨轨迹，并以此三维扫描轨迹作为正式打磨过程中的控制前馈信息，结合六维力传感器4的实时力控信息实现精细打磨操作，这样可以实现在大曲率条件下打磨的实时性控制要求。

两种打磨方式结合可实现工业化柔性打磨现场的被打磨工件的全曲率覆盖，拓宽了打磨系统的使用范围。

所述打磨过程中的完成一次交叉打磨为一个打磨循环，即在框定打磨区域的一个方向上完成全覆盖的一轮打磨后在其正交方向上再完成一轮全覆盖打磨为一个打磨循环。通过交叉打磨使打磨过程更精细，减少死角残留。