(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210414139.5 (22)申请日 2022.04.20 (71)申请人 中南大学 地址 410083 湖南省长 沙市岳麓区麓山 南 路932号 (72)发明人 陈明松　彭诚旭　蔺永诚　王冠强　 蔡金亮　邹奋扬　曾维栋　 (51)Int.Cl. B25J 11/00(2006.01) B25J 9/08(2006.01) B25J 9/16(2006.01) B25J 13/08(2006.01) B25J 18/00(2006.01) (54)发明名称 一种针对复杂 曲面的机器人力控磨抛装置 及控制方法 (57)摘要 本发明公开了一种针对复杂曲面的机器人 力控磨抛装置及其控制方法， 包括六轴机器臂本 体、 控制器模块、 视觉模块、 音圈电机主动浮动机 构、 六维力传感器、 末端磨抛工具模块； 所述视觉 模块通过连接板固定到机械臂末端， 用以获取初 步轨迹信息和定位； 所述主动浮动机构通过底座 固定在视觉模块连接板下； 所述力传感器固定于 浮动机构动子连接件下； 所述磨抛作业模块固定 于力传感器连接法兰下方。 本发 明装置采用模块 化分置设计， 针对不同加工需求配置不同型号的 部件而不改变整体结构， 易于维护； 控制系统将 机械臂的位置、 姿态和主动浮动机构分别使用相 应局部规划器控制， 并以此修正全局规划轨迹， 有效提高了控制系统的动态响应性能， 提高了作 业质量。 权利要求书2页 说明书5页 附图4页 CN 114800551 A 2022.07.29 CN 114800551 A 1.一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及控制方法， 其特征在于： 装置包括机器 臂本体、 控制器模块、 视觉模块、 主动浮动机构、 力传感器、 末端磨抛工具模块。 装置采用模 块化分置设计， 所述视觉模块通过连接板固定到机械臂末端， 用以获取曲面磨抛作业的初 步轨迹信息和定位； 所述主动浮动机构通过底座固定在视觉模块连接板下； 所述力传感器 固定于浮动机构动子连接件下， 用以读取控制方法所需求的力信号； 所述末端磨抛工具模 块固定于力传感器连接法兰下方， 末端磨具具备可装卸性， 可满足复杂曲面的不同打磨加 工需求； 所述控制器模块在PC中实现， 采用分层规划的算法逻辑对打磨过程进行调控； 所述的一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置的控制方法， 其特征在于， 通过视觉 模块生成磨抛区域的点云模型并将其可视化到上位机， 全局规划器根据上位机中手动框选 的磨抛区域或者设置全局打磨模式来进行磨抛路径的规划， 磨抛过程中控制器将分别通过 位置、 姿态、 力三个局部控制器对全局路径进行优化， 机械臂采用基于位置的速度控制、 电 机采用电流控制、 实现对复杂曲面轮廓的跟踪以及法向恒力磨抛； 具体包括以下步骤： 步骤1： 基础工作准备， 进行基于视觉的手眼标定， 确定磨抛工具TCP方式下工具坐标 系， 对力信号进行 处理工作， 第一是对采集的力信号进 行滤波处理， 第二是对力 传感器下方 连接磨抛工具进行重力补偿； 步骤2： 全局信息处理， 机械臂移动到待磨抛区域上方， 视觉模块将采集待磨抛区域的 表面深度点云信息以及RGB图像信息， 并通过匹配算法将RGB图和点云图进 行像素点匹配可 视化在上位机软件GUI窗口中， 通过设定局部磨抛模式框选磨抛区域或者全局磨抛模式， 上 位机对设定磨抛区域进行磨抛全局路径规划， 并将路径信息发送给机械臂驱动， 机械臂采 用基于位置的速度控制方式， 其以速度为控制量， 位置为反馈量， 对速度设定上限阈值， 速 度以梯形曲线方式变化， 此 所述控制方式能够更加柔 顺地实现磨抛 过程； 步骤3： 实时力控磨抛， 开始磨抛后， 磨抛工具按照全局规划路径执行磨抛作业轨迹， 并 通过限位控制器、 姿态控制器、 接触力控制器三个局部控制器对磨抛 过程进行调控。 2.根据权利要求1所述的一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及控制方法， 其特 征在于： 步骤1中可以自主设定磨抛方式， 调整工具坐标系Z轴即力控制的方向实现端磨、 角 磨 等磨抛方式， 并相应地添加末端工具坐标系和力传感器坐标系的力映射处理以及进行具体 步骤中各控制器阈值的改变。 3.根据权利要求1所述的一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及控制方法， 其特 征在于： 所述限位控制器通过结合姿态控制器， 可以将限位控制器退化成只需要控制一个自由 度即工具坐标系的Z轴， 减少 了控制量， 此时位置控制器给予机械臂一个工具坐标系Z轴 方 向的速度控制量使其远离磨抛表面 直到柔顺装置位移量到 达设定零 点附近。 4.根据权利要求1所述的一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及控制方法， 其特 征在于： 所述姿态控制器中设定有三个对称的跨越转矩设定零点的阈值范围， 以防止姿态过度 重复控制导致机械臂的震颤， 当力信号突破这个阈值范围， 说明磨抛装置轴向与曲面法向 此时不平行， 姿态控制 器进行控制， 根据 受力分析知此时磨抛装置需要顺着额外力矩的方 向旋转， 姿态控制器控制工具坐标系XYZ旋转方向的速度， 使 得磨抛装置法向趋向于曲面法权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114800551 A 2向。 5.根据权利要求1所述的一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及控制方法， 其特 征在于： 所述力控制器中通过基于深度强化学习的PID控制方式对输出力进行控制， 较大程度 提高力控制的实时响应性能， 能有效抑制磨抛过程中机械臂的振动对力信号的影响， 力控 制只需专 注控制Z轴方向上的力即可。 6.根据权利要求1所述的一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及控制方法， 其特 征在于： 所述机械臂的全局规划路径在每个控制周期内经过三个局部控制器得到更新， 并下发 给机械臂工控机使其追踪 更新后的路径进 行磨抛作业， 实现磨抛工具始终跟踪曲面轮廓以 及在曲面法向上进行作业并提供恒定的磨抛力。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114800551 A 3