[发明专利]一种自由曲面的工业机器人自动磨抛系统及方法

权利要求书

1.一种自由曲面的工业机器人自动磨抛系统，其特征在于：包括上位机、工业机器人、机器人控制器、力传感器、信号采集器、磨抛装置和工作台；所述上位机与所述信号采集器、所述机器人控制器相连，所述机器人控制器与所述工业机器人、所述磨抛装置相连，所述信号采集器与所述力传感器相连；所述工业机器人与所述磨抛装置相连，所述力传感器设置在所述磨抛装置与工业机器人的连接处，所述工作台用于固定工件；

其中，所述上位机包括机器人控制器通信模块、信号采集器通信模块、位姿坐标解算模块、重力补偿模块、摩擦力补偿模块、磨抛轨迹控制模块、磨抛边界识别模块和用户界面；

所述位姿坐标解算模块通过获取工业机器人当前的关节信息，正向求解工业机器人运动学获得工业机器人位姿信息；通过工业机器人的位姿信息逆向求解出工业机器人的关节信息；

所述重力补偿模块通过获取工业机器人当前的姿态信息，计算出磨抛装置的重力在传感器坐标系下的分量，补偿磨抛装置重力的影响；

所述摩擦力补偿模块通过摩擦介质与工件的摩擦系数，修正接触力的摩擦力分力，获得磨抛介质与工件接触力的可靠估计，并与当前工业机器人位姿比较，获得工业机器人的位姿修正量，通过磨抛轨迹控制模块生成机器人轨迹进给的位姿偏移量；将位姿修正量和位姿偏移量合并计算，并转化为机器人的运动指令，发送至机器人控制器控制工业机器人向目标位姿运动，实现机器人磨抛时的位姿自动矫正和基于磨抛轨迹控制模块生成的磨抛轨迹的自动磨抛；

所述磨抛边界识别模块用于限定机器人磨抛区域并判断磨抛结束的条件。

2.根据权利要求1所述的一种自由曲面的工业机器人自动磨抛系统，其特征在于：所述力传感器具有相对且平行的安装平面和工具平面，所述安装平面通过连接件固定在所述工业机器人的末端法兰上，工业机器人末端坐标系的Z轴与力传感器坐标系的Z轴共线且同向，工业机器人末端坐标系的X轴与力传感器坐标系的X轴平行且同向；所述工具平面通过安装连接件与所述磨抛装置固定。

3.根据权利要求1或2所述的一种自由曲面的工业机器人自动磨抛系统，其特征在于：所述力传感器包括六维力传感器和三维力传感器，用以检测空间三维力的大小及方向。

4.根据权利要求1或2所述的一种自由曲面的工业机器人自动磨抛系统，其特征在于：所述信号采集器包括信号滤波放大器和数据采集卡。

5.一种基于权利要求1所述的自由曲面的工业机器人自动磨抛系统的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：开机通电，上位机与机器人控制器通信模块、信号采集器通信模块、位姿坐标解算模块、重力补偿模块、摩擦力补偿模块和用户界面的初始化；

步骤S2：设置磨抛工艺参数；

步骤S3：将工件用夹具固定在工作台上；

步骤S4：设定工业机器人的磨抛运动区域；

步骤S5：设定磨抛参数，包括磨抛接触力阈值大小、磨抛介质与工件的摩擦系数、磨抛进给速率，磨抛轨迹间距和磨抛轨迹方式；所述磨抛轨迹方式包括等间距扫描轨迹和等间距螺旋轨迹；

步骤S6：磨抛磨削力作用在磨抛介质上，力传感器检测到外力，所述外力包括磨抛装置的重力和磨抛时的磨抛介质与工件间的摩擦力，力传感器检测到的力信号传输至力传感器控制器；

步骤S7：力传感器控制器将力信号放大和滤波，信号采集器中的数据采集卡采集力控制器处理后的数据，将数据传输至上位机；

步骤S8：上位机读取并保存工业机器人当前时刻的关节信息，通过位姿坐标解算模块计算当前磨抛装置的位姿；

步骤S9：由当前磨抛装置的姿态，通过重力补偿模块计算当前磨抛装置在工具坐标系下产生的分力；

步骤S10：将步骤S7处理后的数据通过摩擦力补偿模块处理获得磨抛介质与工件接触力；

步骤S11：计算在机器人坐标系下，磨抛介质转动轴与接触力法向的关系，计算机器人位姿的调节量；

步骤S12：计算机器人轨迹进给量，附加到机器人姿态调节量；

步骤S13：将机器人位姿的调节量转换成机器人运动指令，发送至机器人控制器，控制工业机器人向目标位姿运动；

步骤S14：上位机记录所有已经运动过的轨迹，根据边界信息判断曲面磨抛情况，磨抛完成后控制机器人安全运动至初始位置。

6.根据权利要求5所述的一种基于自由曲面的工业机器人自动磨抛系统的方法，其特征在于：所述步骤S10具体为：工业机器人在任一姿态下，上位机得到力传感器检测到的外力读数F，减去该姿态下由磨抛装置重力G引起的外力偏差值^SF_G获得^SF_removeG，并通过摩擦力补偿矩阵M解算出接触力的可靠估计^SF_contact：

^SF_removeG＝F-^SF_G (1)

^SF_contact＝M·^SF_removeG (2)。