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专利号: 2024106368203
申请人: 江苏科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-03-02
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种打磨机器人遥操作方法,其特征在于,所述打磨机器人为末端带有六维力传感器的机械臂,通过力反馈主手控制并实现力反馈;所述遥操作方法包括:(1)建立包括打磨机器人、待打磨物体和周边环境的虚拟空间,虚拟空间通过VR眼镜实现视觉反馈;对六维力传感器进行重力补偿,对力反馈主手与机械臂进行坐标转换与工作空间匹配,实现力反馈主手对机械臂的移动操作;

(2)确定待打磨物体表面的打磨目标点在虚拟空间中的位置;

(3)计算机械臂末端点与打磨目标点之间的距离,若距离大于距离阀值,则执行步骤(4),否则执行步骤(5);

(4)构建圆柱形通道生成距离优先的虚拟力引导,当机械臂末端点的位置在圆柱形引导通道内,不进行力反馈;当机械臂末端点超出圆柱形引导通道,生成虚拟力引导,方向为圆柱形引导通道距离机械臂末端点最近的点;然后返回步骤(3);

(5)构建漏斗形通道生成精度优先的虚拟力引导,若机械臂末端点在漏斗型通道内,根据机械臂末端点位置生成向中轴线与打磨目标点的虚拟力引导,所述中轴线为机械臂末端点与打磨目标点之间的连线;然后返回步骤(3);

(6)循环执行步骤(3)至(5),直至到达打磨目标点位置;

(7)确定打磨目标点处的法线;

(8)对法线姿态的欧拉角进行坐标系转换,先将虚拟空间坐标系转换为过渡坐标系,再将过渡坐标系转换为机器人坐标系;采用四元数运算以避免欧拉角的万向锁问题,先计算将虚拟空间坐标系的欧拉角转换为过渡坐标系所需的四元数,再计算过渡坐标系旋转为机器人坐标系的四元数,将两个四元数相乘,得到虚拟空间中欧拉角转换为机器人坐标系欧拉角所需的旋转变换;

(9)虚拟力反馈引导姿态,获取机械臂当前姿态,将法线姿态减去机械臂姿态,计算出两者之间姿态的差值;根据差值生成靠近目标姿态的虚拟力引导;

步骤(4)中,圆柱形引导通道在虚拟空间中根据机械臂末端点坐标为起点、打磨目标点坐标作为终点生成;

圆柱形引导通道的虚拟力Fd计算公式为:

Fd=kdδ(Xd)

δ(Xd)=Xd‑D(Xd)

其中,Fd为引导力矢量,kd为力反馈的反馈系数;δ(Xd)为矢量,方向为机械臂末端点指向圆柱型引导通道轴线,大小为机械臂末端点到圆柱形引导通道轴线的距离;rd为圆柱形引导通道的半径;Xd表示机械臂末端点在虚拟空间中的坐标,D(Xd)表示引导路径上距离机械臂末端点最近的点;a为大于0的值;

步骤(5)中,漏斗形引导通道以机械臂末端点与打磨目标点之间的连线作为中轴线、距离作为高生成,其中打磨目标点作为顶点,机械臂末端点作为底面;

漏斗形引导通道的虚拟力Ff计算公式为:

Ff=Fsin+Fcos=ksinδsin(Xf)+kcosδcos(Xf)Fsin为机械臂末端在漏斗范围内力反馈正弦分量的力,Fcos为机械臂末端在漏斗范围内力反馈余弦分量的力,ksin为机械臂末端在漏斗范围内力反馈正弦分量的反馈系数,kcos为机械臂末端在漏斗范围内力反馈余弦分量的反馈系数;δsin(Xf)为机械臂末端点指向漏斗轴线的矢量;δcos(Xf)机械臂末端点平行于漏斗轴线的矢量;Xf为机械臂末端点位置;

步骤(7)包括:在虚拟空间中选择待打磨物体模型上距离打磨目标点处最近的顶点作为基础顶点a,获取与该基础顶点a构成三角形的其他两个点b、c;将b、c点的坐标分别减去基础顶点a的坐标,获得两个矢量Side1和Side2;将两个矢量进行叉积,获取垂直于两个矢量的第三矢量η,该第三矢量η的方向即为打磨目标点处的法线方向;

步骤(8)包括:计算将虚拟空间坐标系的欧拉角转换为过渡坐标系所需的四元数qmid:qmid=qz*qy*qx

其中,(eulerx,eulery,eulerz)为虚拟空间坐标系中的欧拉角;

计算过渡坐标系旋转为机器人坐标系的四元数qsec:

从虚拟空间坐标系到机器人坐标系需要进行的旋转变换为:qend=qmid*qsec。

2.根据权利要求1所述的打磨机器人遥操作方法,其特征在于,步骤(1)中,所述对六维力传感器进行重力补偿,包括:测量六维力传感器在不同姿态下的数值,姿态如下表所示:

计算六维力传感器的工具重力以及质心点的位置:

其中,G为工具重力;Lx、Ly、Lz为质心点在传感器坐标系下的坐标位置,F为测量的轴向力,T为测量的力矩。

3.根据权利要求1所述的打磨机器人遥操作方法,其特征在于,步骤(2)包括:以待打磨物体底面已知的三个角点O、A和B建立平面坐标系,以OA方向为X轴,OB方向为Y轴;再以垂直于OAB并且朝向打磨目标点P的方向为Z轴,建立空间坐标系;将P点沿Y轴负方向平移至边界线,设为P′点,PP′的连线即为Y轴的坐标;对P′点沿着Z轴负方向作至OA的连线,即为P点在坐标系上Z轴的坐标;O点与连线的距离为X轴的坐标;由此获取P点相对于O点的坐标位置(Px,Py,Pz)。

4.根据权利要求1所述的打磨机器人遥操作方法,其特征在于,步骤(3)中,所述距离阀值取机械臂臂长的10%。

5.根据权利要求1所述的打磨机器人遥操作方法,其特征在于,步骤(5)中,判断机械臂末端点在漏斗型通道内的方法为:获取机械臂末端点指向漏斗轴线的矢量δsin(Xf)和机械臂末端点指向打磨目标点的矢量δ(Xf);

通过|δsin(Xf)|/δ(Xf)计算出机械臂当前点与打磨目标点的连线与漏斗中轴线之间的夹角正弦值,若计算出的正弦值小于sinα,并且|δsin(Xf)|