[发明专利]一种立体石雕机器人加工系统的变形预测及补偿方法

说明书

本发明涉及一种立体石雕机器人加工系统的变形预测及其补偿方法，包括：构建立体石雕机器人加工系统的运动学模型，求解立体石雕机器人加工系统的雅克比矩阵；设计机器人刚度辨识实验，辨识出立体石雕机器人加工系统的关节刚度，建立刚度从关节空间向末端笛卡尔空间的映射关系；根据立体石雕机器人加工系统所处的位姿和加工时所受的外力，利用关节刚度模型预测加工立体石雕机器人加工系统末端变形值与各关节变形值；根据预测出的各关节变形，对各关节角度进行调整，来消除加工立体石雕机器人加工系统末端的变形。从而实现任一立体石雕机器人加工系统结构变形值的定量补偿，以提高立体石雕机器人加工系统在进行石材加工时的刀具轨迹精度。

技术领域

本发明涉及一种立体石雕机器人加工系统的变形预测及补偿方法，属于石材机械臂加工新技术领域。

背景技术

在石材产业中，石雕作为一门艺术，是石材与雕刻艺术的完美结合，一直记录着世界文明的发展历程，是人类文化及艺术传承的主要载体，具有很高的艺术价值和文化价值。尽管石材加工技术已取得了长足进步，但对于石材立体雕刻制品的加工，我国目前还都主要依靠手工配合电动工具进行加工，石材立体雕刻制品的传统加工方法周期长，生产率低下，人工成本高，产品的质量完全取决于工人的专业技术积累，导致成品率低下且难以满足质量要求，因此石材雕刻工艺制品加工中存在的问题迫切需要使用自动化程度高的雕刻加工设备去解决。

立体石雕机器人加工系统以高载荷机器人为主体，末端执行器为电主轴，再配以用于石材加工的刀具，可以实现对石材坯料的立体雕刻，由于立体石雕机器人加工系统可以在三维空间内实现位置和姿态的任意转换，从而大大拓宽了其加工范围、加快了其加工效率，是实现石材产品智能化加工的重要手段。但由于立体石雕机器人加工系统的低刚度特性，在机器人进行石材雕刻时，外载和末端执行器的重力，都会引起加工立体石雕机器人加工系统的变形，导致末端刀具走刀轨迹产生偏差，造成加工石材尺寸精度不符合要求而报废。因此要实现立体石雕机器人加工系统对石材的高效高精度加工，对立体石雕机器人加工系统的变形预测及补偿的技术问题亟待解决。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题是立体石雕机器人加工系统的变形预测及补偿方法，所求解的立体石雕机器人加工系统末端的变形补偿量，可提高立体石雕机器人加工系统刀具走刀轨迹的精度，为立体石雕机器人加工系统进行石材加工提供了保障。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种立体石雕机器人加工系统的变形预测及其补偿方法，包括以下步骤：

(1)基于D-H方法，建立携带末端执行器的机器人加工立体石雕机器人加工系统运动学模型，使用矢量积法求解立体石雕机器人加工系统的雅克比矩阵；

(2)在立体石雕机器人加工系统的加工区域内，选取一个合适的位姿，对立体石雕机器人加工系统施加不同的外力，测量立体石雕机器人加工系统的实际变形量，应用最小二乘法辨识机器人加工立体石雕机器人加工系统的关节刚度值，通过建立刚度从关节空间向末端笛卡尔空间的映射关系，构建立体石雕机器人加工系统末端，处于不同位姿下的笛卡尔刚度矩阵；

(3)根据立体石雕机器人加工系统所处的位姿和进行加工时所受的外力，计算立体石雕机器人加工系统的笛卡尔刚度矩阵，进而测出立体石雕机器人加工系统的末端变形值，最后通过调整机器人相应的关节角来消除立体石雕机器人加工系统末端的变形值，从而提高刀具轨迹精度。

在一较佳实施例中，所述求解立体石雕机器人加工系统的雅克比矩阵至少包括：

(1)在立体石雕机器人加工系统上建立坐标系，根据机器人的连杆长度a_i-1、连杆扭角α_i-1、关节距离d_i、关节转角θ_i、末端执行器长度l₀与刀具长度s₀，依次求解各连杆间的齐次变换矩阵建立立体石雕机器人加工系统的运动学方程