面向双机器人打磨过程的运动规划研究.pdf
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1、 年 月第 卷 第 期机床与液压 :本文引用格式:姜笑言,崔国华,周震,等面向双机器人打磨过程的运动规划研究机床与液压,():,():收稿日期:基金项目:国家自然科学基金面上项目()作者简介:姜笑言(),男,硕士研究生,研究方向为双机器人协同控制技术。:。通信作者:崔国华(),男,博士,教授,主要从事机器人机械学、多机器人协作控制、工业机器人故障诊断与健康评估等方面的教学与科研工作。:。面向双机器人打磨过程的运动规划研究姜笑言,崔国华,周震,韩家哺(上海工程技术大学机械与汽车工程学院,上海)摘要:针对双机器人轮毂打磨系统的运动规划问题,建立双机器人协调相对运动的运动位姿约束模型,并利用激光跟踪
2、仪及七点法的标定方式分别解决模型中对于双机器人基座标系和工具坐标系的标定问题。选取轮毂边缘面,搭建仿真平台对运动模型进行验证,最后搭建基于 控制器的双机器人协调打磨实验平台,进行了协调打磨位置跟踪实验,结果表明:打磨机器人位置跟踪精度在 以内,证明了模型的准确性与可行性。关键词:双机器人;打磨;协调相对运动;标定中图分类号:,(,):,:;前言在传统制造业的零件加工过程中,飞边、毛刺清理打磨是提高毛坯或成品零件表面质量的重要工序。大多数情况下,打磨工作由手工完成,恶劣的工作环境、极高的劳动强度直接导致飞边、毛刺清理打磨成本居高不下,质量问题频出。因此自动化打磨代替手工打磨成为了一种必然趋势。目
3、前机器人在打磨抛光领域的应用形式多是单机器人与变位机配合或者是双机器人同时操作一个工件完成打磨作业,但是由于变位机自由度的限制,这种打磨方式很难满足打磨覆盖率的要求。利用双工业机器人的协作配合,一个机器人夹持待打磨工件,另一个机器人夹持打磨工具进行作业,夹持机器人有 个自由度,可以很好地满足对复杂工件的打磨任务,并且具有很好的灵活性。双机器人协作可以实现打磨作业的全自动化,有效地弥补了人工打磨的缺陷且可以满足打磨质量要求。双机器人的协作方式分为紧协调和松协调 种,紧协调指在作业过程中两机器人末端始终保持相对静止状态,这类问题运动学约束相对简单;而松协调是指在作业过程中,两机器人末端存在相对运动
4、,这种情况运动约束复杂,因此解决起来比较困难。目前对于双机器人协调的研究应用主要集中在紧协调,比如双机器人协同搬运、抓取物体等,而在实际工业中很多场景都是采用松协调方式,比如协作焊接、电镀、打磨等。目前尚且没有面向松协调运动规划问题比较成熟的理论与方法。本文作者面向双机器人协调轮毂打磨进行研究,采用主从控制的方式,选取夹持工件的机器人为主机器人,打磨机器人为从机器人,对双机器人协调运动进行分析,采用一种主机器人在运动过程末端姿态保持不变,从机器人在确定打磨轨迹的条件下,根据双机器人运动约束模型实时解算出对应位姿的一种协调方式。双机器人运动学分析图 中,、分别表示夹持机器人和打磨机器人的基座标系
5、,、分别表示两机器人末端坐标系,、分别表示工件夹持工具坐标系与打磨工具坐标系,表示工件坐标系。工具与工件接触时,双机器人系统形成一个闭合的运动链,由主从控制策略对系统解耦,可以得到系统约束方程:()()图 双机器人打磨系统坐标系关系 其中:为工件坐标系相对主机器人的转换矩阵,该矩阵根据打磨任务需求得到,一旦打磨轨迹确定,该矩阵即确定,为已知矩阵;为工件相对夹持工具的转换矩阵,根据机械装配结构,工件被固定在夹持工具上,整个过程中,两者相对静止,该矩阵为常数矩阵;为工件相对打磨工具的转换矩阵,任务过程中,打磨工具与打磨点始终直接接触,因此该矩阵由打磨路径决定,为时变矩阵;和分别为夹持工具相对夹持机
6、器人及打磨工具相对打磨机器人的转换矩阵,该矩阵由机械装配结构所决定,但是由于打磨工具的特殊性,需要经过标定得到,为常数矩阵;为两机器人基坐标系之间的转换矩阵,由标定得到,为常数矩阵。在式()()中,根据上述分析找到其他矩阵,即可得到主从机器人的末端运动轨迹:()()()()()()()坐标系标定根据第 节的分析可知,对于式()()中的各个矩阵,和需要经过标定才可以得到,其余矩阵都可以通过直接测量或根据任务需求直接得到,因此为了实现双机器人的协调运动规划任务,首先要对这 个矩阵进行标定。双机器人基坐标系标定双机器人基坐标系之间的相对位姿关系是双机器人协同作业的基础,因此需要进行精确测量,但是机器
7、人基座标系的原点通常隐藏在机器人基座的内部,无法对其进行直接精确的测量。文献提出一种基于公共标靶的三点两步法来进行双机器人的基座标标定,分别找出两机器人相对 个公共标靶的矩阵关系,再利用“机器人标靶机器人”运动链的矩阵转换得到两机器人基坐标之间的关系。文献通过 个机器人工具末端多次到达同一个点的“握手”方式,建立标定矩阵方程,分别对转换矩阵的旋转部分与平移部分进行标定,直接得到 个机器人基座之间坐标转换,不需要借助辅助工具。文献研究了一种基于视觉传感器的双机器人基坐标系关系的标定方法,通过一个机械手持有的摄像机观察另一个机械手末端的主动运动来实现,该方法独立于机器人系统中其他关系的标定过程,可
8、由系统自动完成,且不需要任何人工标定辅助。文中依据文献的思想,利用激光跟踪仪作为公共标靶,根据 建模的特点,通过机器人单轴旋转的方式,分别得到单个机器人相对激光跟踪仪的转换矩阵和,然后通过矩阵转换关系最终得到两机器人基座之间的齐次矩阵:()()此标定方式对机器人的操作要求低,标定方法计算过程不涉及机器人内部编码器读数和关节角数值,避免了人为操作误差和机器人本身误差带来的标定精度影响,同时利用激光跟踪仪设备测量精度高的优点,标定结果精度高,提高了标定效率。标定过程如下:()整个机器人在零位状态下,靶球固定在机器人末端,一轴进行单轴转动,在转动过程中记录 个激光跟踪仪跟踪到的靶球位置,为点集。对点
9、集 进行圆拟合,其轴线即为基坐标系 轴所在的直线,求其单位向量,指向机器人本体即为基座标系的 轴;()机器人回到零位,二轴进行单轴转动,采集 个靶球坐标点为点集。对 进行圆拟合,其轴线为下一个关节坐标系 轴所在直线。根据 建模方式,两相邻关节 轴公共垂线即为上一个关节的 轴所在直线,方向指向机器人本体即为 轴;()由步骤()()求得的、轴进行叉乘得到 轴,即可得到的旋转部分;()求出、轴的交点,即为基座标系原点所第 期姜笑言 等:面向双机器人打磨过程的运动规划研究 在的位置,从而得到的位置向量,即可得到;()同样的方法得到另一个机器人相对激光跟踪仪的转换矩阵;()根据公式()得到。基坐标系标定
10、实验如图 所示,整个标定平台包括 台待标定的机器人及其控制平台、激光跟踪仪、靶球、跟踪仪上位机。按照第 节中的步骤,进行双机器人基座标系标定实验,每个关节转动采集 组数据进行后续拟合操作,实验数据如表 表 所示。图 双机器人基座标系标定实验平台 表 夹持机器人一轴转动靶球坐标 序号 坐标 坐标 坐标 表 夹持机器人二轴转动靶球坐标 序号 坐标 坐标 坐标 表 打磨机器人一轴转动靶球坐标 序号 坐标 坐标 坐标 表 打磨机器人二轴转动靶球坐标 序号 坐标 坐标 坐标 一轴转动拟合圆的轴线作为基座相对于跟踪仪坐标系的 轴,求得其结果为(,)二轴转动拟合圆的轴向量为(,)故有:得出夹持机器人基座旋转
11、矩阵为 根据两空间直线交点的求解方式,可以得到、所在直线的交点,即为该坐标系原点的位置,因此可以进一步得出相对激光跟踪仪的齐次变换矩阵为 机床与液压第 卷对于打磨机器人,同理得出其基座相对激光跟踪仪的齐次变换矩阵为 由式()得出两机器人基座之间转换矩阵为 标定 的标定最终是要确定工具坐标系相对于机器人末端坐标系的转换矩阵,其标定精度直接关系到机器人位置跟踪的精度,在实际生产中直接影响着产品的生产质量,因此为了减小机器人定位误差,精准的工具坐标系的标定非常重要。标定的方式包括外部基准法与多点标定法,外部基准法指借助辅助工具进行标定,这种方式标定效率高,但是其对测量装置相对于世界坐标系的安装位姿比
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