申请/专利权人：上海智能制造功能平台有限公司

申请日：2021-12-06

公开（公告）日：2024-03-22

公开（公告）号：CN114131605B

主分类号：B25J9/16

分类号：B25J9/16;B25J11/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.22#授权;2022.03.22#实质审查的生效;2022.03.04#公开

摘要：本发明公开一种船体零件打磨轨迹自动配准调整装置及方法，包括S1、获取第一打磨轨迹，其中,所述第一打磨轨迹通过离线编程的方式得到的机器人离线打磨轨迹，基于所述机器人打磨轨迹获取打磨轨迹上各个打磨轨迹点处的三维坐标信息；S2、将所述第一打磨轨迹进行坐标变换，得到合适当前实际作业空间的第二打磨轨迹；S3、基于法向恒力跟踪控制方法对所述第二打磨轨迹进行实时在线动态调整进行在线动态调整。本发明通过确定离线编程中和实际作业中的待打磨船体零件的停放位姿偏差，并在此基础上对原有的离线打磨轨迹进行坐标变换，便可以配准机器人打磨轨迹与实际需要的打磨轨迹之间的偏差，保证船体零件的自由边打磨质量。

主权项：1.一种基于船体零件打磨轨迹自动配准调整装置的调整方法，其特征在于，所述装置包括：打磨仿真系统，基于待打磨船体零件构建打磨仿真模型，构建打磨机器人的打磨轨迹；构件处理平台，用于放置和固定待打磨船体零件，二自由度可移动龙门架，用于带动所述打磨机器人在X轴上的运动，其中所述打磨机器人基于所述打磨仿真系统对待打磨船体零件的自由边进行打磨处理；控制系统，用于发出控制指令，控制所述装置的运行；所述控制系统分别与所述打磨仿真系统、所述构件处理平台、所述二自由度可移动龙门架、所述打磨机器人连接；所述构件处理平台包括多个能够进行升降的支撑柱，待打磨船体零件的下表面与所述支撑柱接触连接；所述二自由度可移动龙门架包括X轴移动导轨和Y轴可移动底座，所述X轴移动导轨位于所述构件处理平台的两侧，所述Y轴可移动底座位于所述构件处理平台的上方并且在水平方向上垂直于所述X轴移动导轨，所述X轴移动导轨运动带动所述Y轴可移动底座运动；所述Y轴可移动底座设置有倒挂的所述打磨机器人，所述打磨机器人的末端安装有力传感器，所述力传感器与所述控制系统连接，用于对打磨过程中的接触力信息进行采集，并根据采集到的信息对打磨机器人的初始打磨轨迹进行实时在线动态调整；所述Y轴可移动底座设置有倒挂激光传感器，通过跟随所述二自由度可移动龙门架的运动，用于测量得到全局坐标下待打磨船体零件的完整三维点云数据；所述调整方法包括如下步骤；S1、获取第一打磨轨迹，其中,所述第一打磨轨迹通过离线编程的方式得到的机器人离线打磨轨迹，基于所述机器人打磨轨迹获取打磨轨迹上各个打磨轨迹点处的三维坐标信息；S2、将所述第一打磨轨迹进行坐标变换，得到合适当前实际作业空间的第二打磨轨迹；S3、基于法向恒力跟踪控制方法对所述第二打磨轨迹进行实时在线动态调整进行在线动态调整；将S2中的问题转换为将离线编程中的待打磨船体零件经过旋转平移变换到打磨船体零件在实际作业位置：定义旋转平移矩阵 其中，R表达式为： 其中，θ,α,β都为角度值，分别表示待打磨船体零件在x轴、y轴和z轴上的旋转角度大小；T的表达式为：T＝[x0y0z0]T其中，x0,y0,z0分别表示待打磨船体零件在x轴、y轴和z轴各个坐标轴上的平移量大小；获取待打磨船体零件上任一关键点的离线编程三维坐标为x,y,z、实际三维坐标为x',y',z'，其坐标转换关系为： 多个关键点，表示为： 其中，n为关键点的个数，n2；通过最小二乘法求解超定方程组的方式来求解得到六个未知参数θ,α,β,x0,y0,z0；所述关键点为待打磨船体零件上各个直线段和圆弧段之间的交点；所述S3包括：通过力传感器实时采集机器人自由边打磨处理过程中的接触力信息；对接触力信息进行重力补偿和法向力分解处理，得到打磨过程中打磨工具和待打磨船体零件之间实际接触力的法向分力；根据实际接触力的法向分力，通过基于位置的阻抗控制模型对机器人末端执行器的位置进行实时在线修正，从而在线动态调整机器人的初始打磨轨迹，其中，所述基于位置的阻抗控制模型基于机器人末端接触力和位置偏差之间的关系构建；基于位置的阻抗控制模型本质上就是通过接触力偏差来对机器人的末端位置进行调整，其表达式为： 使用位置偏差值Xf＝X-Xd来代替X，再将代替之后的结果由时域转换为频域，得到： 在使用机器人进行船体零件的自由边打磨处理过程中，通过设定Md、Bd和Kd，再将力传感器采集到的实际打磨接触力的法向分力和期望法向分力之间的力偏差计算出来作为基于位置的阻抗控制模型的输入值，输出得到机器人末端执行器需要进行调整的位置偏差量；根据所述位置偏差量，对机器人末端执行器的位置进行调整，使得调整后机器人末端执行器的位置能够始终跟踪待打磨船体零件的自由边；基于位置的阻抗控制模型被分为两部分：关于第一部分，其流程为：首先根据力传感器5采集到的接触力信息F，经重力补偿、坐标变换和法向分解处理后得到机器人的实际接触法向分力Fn，再将Fn与期望接触法向分力Fdn相减，得到它们之间的差值即力偏差Fe＝Fn-Fdn，然后再将Fe作为输入值输入到公式10中的基于位置的阻抗控制模型中去，输出得到机器人自由边打磨处理过程中机器人末端执行器的位置修正量e，得到e之后最后再将e与初始打磨位置信息Xr相结合，得到修正后的机器人打磨轨迹目标位置信息Xd；完成基于位置的阻抗控制模型中的第一部分阻抗控制外环；第二部分为机器人位置控制内环的实现：首先由修正后的Xd和根据机器人正运动学运算得到的此时机器人末端执行器的位置信息Xk，当Xk与Xd不相同存在着差异时，由Xk与Xd之间的位置偏差Xs＝Xd-Xk，再经过机器人逆运动学求解将Xs转换为机器人的各个关节旋转角度值θi；得到θi后，根据其引导机器人运动，使机器人运动到调整后的目标位置Xd，从而实现法向恒力跟踪下基于位置的阻抗控制对机器人打磨轨迹进行在线动态调整；如果原始的打磨轨迹相较船体零件的自由边更为偏离船体零件，则调整其逐渐靠近船体零件；而如果原始的打磨轨迹相较自由边更为靠近船体零件，则调整其更为偏离零件，从而使得调整后的机器人打磨轨迹能够始终跟踪待打磨船体零件的自由边，保证自由边打磨质量；S301、去噪处理：采用统计滤波的方法对原始三维点云数据进行滤波处理；统计滤波的原理就是通过计算当前点与周围k近邻点之间的距离D1，D2…Dk以及它们之间的距离平均值来进行滤波，如果其中一个近邻点与当前点之间的距离Di大于的DM个标准差以上，则该近邻点就被视为一个噪声点需要进行去除处理，其中，i＝1，2，.....，k；设近邻点的数目k始终不变，取为20，DM则分别取值为1，3，5，得到各个待打磨船体零件12在不同DM下的统计滤波后的三维点云数据；为了定量评价不同DM下的统计滤波效果，首先在经过相同变换之后所模拟获得的原始点云数据中选择一个，然后再在选择的原始点云数据中手动去除噪声点，记录它们的数量以及正常点的数量，最后设置两个滤波评价指标假阳性率FPR和假阴性率FNR，通过计算它们的数值来定量评价不同DM下的统计滤波效果；其中，假阳性率是指本身为正常点却被误认为噪声点的数量与手动去除滤波中剩余的正常点的数量的比值；而假阴性率则指本身为噪声点却被归类为正常点的数目与手动滤波中正常点的数目之比，它们的计算公式如下式所示： 经过处理计算，在滤波参数近邻点的数目k取值不变的情况下，当DM的选择取值越小时，FPR的数值就会越大，而FNR的数值会越小；由FPR和FNR的定义，当FPR和FNR的数值越小时，统计滤波的滤波效果就会越明显，滤波的准确度越高；S302、降采样处理：在进行统计滤波之后，为了降低后续算法的时间复杂度和空间复杂度，还需要进行点云简化处理；采用体素栅格法对滤波后的点云数据进行简化处理，其简化效果与其设置的体素栅格尺寸大小有关；S303、点云边界提取：对于基于法线信息进行点云数据边界提取的算法，其提取效果主要与近邻点的数目k和法向量的夹角规定阈值有关，通过将k的值由原来的20调整为15，并将法向量的夹角规定阈值默认的π2调整为5π8，再对预处理之后的待打磨船体零件12的三维点云数据进行边界提取；S304、点云关键点的选取与提取a、分析待打磨船体零件12的外形轮廓特点：待打磨船体零件12的外形轮廓都是由若干个直线段和若干个圆弧段所组成的，因此选择使用待打磨船体零件12上各个直线段和圆弧段之间的交点，也就是拐点来作为关键点；b、使用RANSAC随机采样一致性拟合的方法对点云关键点进行提取；其具体原理为：首先针对点云数据的边界提取结果采用RANSAC直线拟合或圆弧拟合的方式拟合出点云边界数据上存在的一段直线段或圆弧段点云，然后再以此为基础剔除掉边界数据在直线段或圆弧段上的点，最后针对剔除出直线段或圆弧段上点的点云边界数据继续使用RANSAC直线拟合或圆弧拟合，并继续剔除直线段或圆弧段上的点，直到剩余的点云数据无法再继续拟合为止；在点云边界数据拟合完成之后，通过RANSAC拟合的方式获取得到所拟合的各个直线段和圆弧段的参数方程，然后通过对这些拟合参数方程求交点的方式来计算得到待打磨船体零件12的各个关键点的实际三维坐标。

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