一种农业加工机器人系统及控制方法与流程

本发明涉及机械加工邻域，具体涉及一种农业加工机器人系统及控制方法。

背景技术：

我国是一个农业大国，虽然农业人口众多，但随着工业化进程的不断加速，可以预计农业劳动力将逐步向社会其它产业转移。实际上，进入21世纪后，我国将面临着比世界任何国家都要严重的人口老龄化问题，农业劳动力不足的问题将日益凸现。在日本、美国等发达国家，农业人口少，随着农业生产的规模化、多样化、精确化，劳动力不足的矛盾越来越突出，许多作业项目如蔬菜、水果的挑选与采摘等都是劳动密集型工作，再加上农时季节要求，劳动力短缺的问题越来越突出。因此，世界各国对农业机器人非常重视，投入了大量的资金和人力进行机器人的研究开发。

机器人在工业方面的应用已十分普遍，智能机器人开始逐步解放劳动力。在机械加工业中，机器人性能和准确性达不到要求，发展比较缓慢。近年来，将智能机器人与数控平台结合起来，弥补了机器人准确性不高的缺陷，使其有了很好的应用前景。

通过相关专利查询，发现有以下的公开文献：

专利“机器人运动控制系统和方法，申请号CN201610357485.9”该发明包括控制器，用于将被控机器人各个轴在笛卡尔坐标系下的空间位置坐标与被控机器人轴关节空间位置进行转换，得到所述被控机器人的轴的目的位置，并根据所述目标位置生成控制指令；驱动器，通过总线与所述控制器相连，用于根据所述控制指令驱动所述被控机器人中的电机运动到所述目的位置；电机，与所述驱动器相连，用于在所述驱动器的驱动下转动，实现了对机器人进行运动控制的技术效果。

专利“果蔬采摘机器人运动控制系统，申请号CN201620073258.9”该发明中传感器组通过多串口卡把采集到的信息传输到PC机中，双目视觉系统采集果蔬信息，并通过视频采集卡把视频信息传递到PC机中；PC机将接收到信息综合处理后通过PCI总线对运动控制器下达指令，运动控制器接到指令后，指示驱动器让伺服电机做相应转动，从而驱动机器人本体做相应的前进、后退、转弯等动作。同时，PC机通过无线网卡，把接收到的视频信息实时传到上位机中，使得操作人员在远处可以实时掌控机器人本体运行情况。

通过上述专利分析，发现现有的运动控制系统主要是通过控制器、驱动器这些硬件系统实现对机器的运动控制，无法做到和自动生成运动控制程序那样实现机器运动控制，从而产生精度不高、稳定性低的问题。

技术实现要素：

本发明目的在于克服现有技术的不足，尤其解决现有的零部件加工生产精度不高、稳定性低的问题，提供一种农业加工机器人系统及控制方法，在构建切削加工控制系统整体结构的基础上，建立了机器人运动学模型，对其正逆运动学特点进行分析。规划设计切削加工的程序，自动生成运动控制程序，从而可以自动生成机器人运动控制程序的加工指令，直接驱动机器人末端执行刀具的运动，实现零部件的加工生产。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种农业切削加工机器人系统，其特征在于，所述系统包括计算机辅助设计模块、信息处理模块、运动模型模块、机器人运动控制程序模块四个模块。其中：

所述计算机辅助设计模块负责设计零部件CAD尺寸要求，并根据工艺要求将其生成坐标文件；所述信息处理模块包括Rose C++类、STNCLIB类库、EXPRESS编辑器，用于完成生产加工程序中具体控制信息的获取；所述运动模型模块包括正运动学和逆运动学，用于建立切削加工机器人运动模型，分析其正、逆运动学特点；所述机器人运动控制程序模块负责规划设计切削加工的程序，自动生成运动控制程序。

一种农业切削加工机器人系统实现的切削加工机器人运动控制方法，所述方法包括以下步骤：

S1，进行G代码坐标转换；

S2，反向求解欧拉角表达式；

S3，求解运动学模型；

S4，生成运动控制程序。

附图说明

图1是本发明的一个具体实施例的结构示意图。

图2是本发明的一个具体实施方式中切削加工机器人运动控制方法流程图。

图3是本发明的农业切削机器人D-H坐标系。

图4是本发明的农业切削机器人运动控制程序生成模块结构图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明进行更加详细与完整的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

参见图1，本发明的一种农业切削加工机器人系统包括计算机辅助设计模块1、信息处理模块2、运动模型模块3、机器人运动控制程序模块4。其中：

所述计算机辅助设计模块1负责设计零部件CAD尺寸要求，并根据工艺要求将其生成坐标文件；所述信息处理模块2包括Rose C++类、STNCLIB类库、EXPRESS编辑器，用于完成生产加工程序中具体控制信息的获取；所述运动模型模块3包括正运动学和逆运动学，用于建立切削加工机器人运动模型，分析其正、逆运动学特点；所述机器人运动控制程序模块4负责规划设计切削加工的程序，自动生成运动控制程序。

参见图2，本发明的一种农业切削加工机器人系统实现的切削加工机器人运动控制方法，所述方法包括以下步骤：

S1，进行G代码坐标转换。进行G代码坐标转换，首先要对其空间坐标进行定义。定义规则如下：

1)z轴为垂直于机床工作台平面的方向，可调整机器人末端执行刀具与待加工材料之间距离；

2)x轴平行于机床工作台平面，正方向为主轴的右方；

3)y轴依据x、z轴确定；

4)G代码旋转坐标A、B、C这3条轴线与x、y、z等这3条坐标系旋转运动方向一一对应；

5)坐标原点o根据具体实例器件决定。

根据以上定义，G代码坐标与末端执行刀具之间的关系为：

其中，其中，i、j、k分别是x、y、z轴上的单位向量。R是与G代码第1个旋转坐标向对应的矩阵。R的表示式为：

其中，Er为根据A、B、C等3轴确定的旋转矩阵；Si和Ci分别旋转角度的正弦和余弦。变换后，G代码坐标与末端执行刀具矢量的关系表达式为：

S2，反向求解欧拉角表达式。在对机器人末端执行刀具的运动过程进行优化时，为了将自由度γ与其他变量区分开来，一般采用欧拉角表达式。因此，需要将上述所求齐次坐标矢量表达式转换为欧拉角表达式。转化后的结果为：

其中，A、B为末端执行刀具的两个旋转坐标角度，且自由度γ与A、B无关，属于冗余分量。

S3，求解运动学模型。机器人运动模型通常采用D-H法进行建立。根据农业切削机器人实体图，建立的D-H坐标系如图3所示。图3中，Z0轴沿关节1的轴，Zi轴沿关节i+1的轴。令所有Xi轴与机座坐标系X0轴平行，Yi轴按右手坐标系确定。该农业切削机器人的运动学方程为：

T6＝A1A2A3A4A5A6 (9)

求解两杆之间的位姿矩阵Ai为：

A1＝Rot(z0，θ1)Trans(l1，0，0) (10)

A2＝Rot(z1，θ2)Trans(l2，0，0) (11)

A3＝Rot(z2，θ3)Trans(l3，0，0) (12)

A4＝Rot(z3，θ4)Trans(l4，0，0) (13)

A5＝Rot(z4，θ5)Trans(l5，0，0) (14)

A6＝Rot(z5，θ6)Trans(l6，0，0) (15)

其中，n、o、a分别为X、Y、Z坐标轴的单位矢量；θ1～θ6为各关节变量。

S4，生成运动控制程序。在生成运动控制程序时，需要选择末端执行刀具加工步长为单位进行设计和优化。机器人末端执行刀具运动控制程序由系统自动生成，其模块结构如图4所示。

在每个加工步长的运动控制程序产生时，应先根据规划要求在数据库中找到相对应的加工信息，设计刀具信息及其运动轨迹信息，并将轨迹信息送给圆弧优化器生成冗余优化路径点；然后，将末端执行刀具的信息与优化路径送入位姿求解器，求出逆运动学方程；再结合数据库参考指标确定末端执行器件各关节运动速度；最后生成机器人运动控制程序，且该程序可被控制系统自动识别。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。