(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 202211054109.4 (22)申请日 2022.08.31 (71)申请人 武汉理工大 学 地址 430070 湖北省武汉市洪山区珞狮路 122号 (72)发明人 周勇　雷霆　曾峥嵘　李卫东　 胡楷雄　 (74)专利代理 机构 武汉科皓知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 42222 专利代理师 黄靖 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 一种基于区域划分的工业机器人曲面加工 方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于区域划分的工业机 器人曲面加工方法， 通过构建机器人刚度模型， 提出区域刚度指标； 在聚类算法的划分准则中加 入机器人刚度性能的影 响， 对机器人加工轨迹进 行划分， 将待加工曲面分割为不同的子区域； 针 对划分的不同子区域， 以区域刚度指标为优化目 标， 使用人工蜂群算法， 对机器人的冗余度和工 件转台转角进行优化， 获取最佳的加工参数。 本 发明以刚度为指标进行区域划分， 以加工策略为 依据的区域分割可以为后续加工的工艺参数优 化奠定基础， 使区域分割更为有效的为加工服 务， 通过对分区域参数优化实现了机器人曲面加 工轨迹的优化， 降低了机器人加工过程中的末端 变形， 降低了加工零件的轮廓误差， 对提高曲面 加工质量有显著的作用。 权利要求书3页 说明书9页 附图6页 CN 115431267 A 2022.12.06 CN 115431267 A 1.一种基于区域划分的工业机器人曲面加工方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： S1： 获取曲面加工的轨迹和机器人的运动学参数， 建立机器人运动学模型， 将加工轨迹 转换为机器人末端位姿轨 迹； S2： 根据所述曲面加工轨迹、 运动学参数以及铣削参数建立机器人区域刚度指数， 并构 建区域刚度优化模型； S3： 根据所述曲面加工轨迹， 使用聚类算法， 对加工轨迹进行划分， 将曲面划分为不同 的加工子区域； S4： 根据所述划分的不同加工子区域， 建立区域刚度优化模型并对进行求解， 确定子区 域加工的最佳冗余度和转台转角； S5： 根据所述获取的最佳加工参数， 将加工 轨迹传输给铣削机器人， 完成曲面加工 。 2.根据权利要求1所述一种基于区域划分的工业机器人曲面加工方法， 其特征在于， 所 述区域刚度优化模型包括目标函数和 约束条件， 所述目标函数用于最小化机器人在曲面加 工过程中的末端变形， 所述区域刚度优化模型目标函数通过如下公式表示： minf＝minF(γt,γw,cls) 其中， γt表示六自由度机器人执行五轴加工任务的冗余自由度， γw表示工件转台自由 度， cls表示加工 轨迹， F表示加工区域轨 迹点集合的区域刚度指标； 其中， 表示机器人加工区域时整体抵抗变形的能力， 表示机器人加工过程中的末端变形的波动程度， j表示区域中 第j个轨迹点， k为自定义权值， N为区域内轨迹点数量， ka为变形评价指 数， 指机器人某一姿 态下末端抵抗外力变形的能力； 其中， Cfd为机器人平 移柔度矩阵， 由机器人姿态决定， ef为机器人末端所受单位力。 3.根据权利要求2所述所述一种基于区域划分的工业机器人曲面加工方法， 其特征在 于， 约束条件 包括： 第一约束条件， 机器人加工姿态应满足关节极限约束， 保证每个轴的关节角尽量处于 关节转角的中央部分； 第二约束条件， 机器人加工姿态应满足可操作度约束， 通过可操作度约束避免加工过 程中的奇异点； 第三约束条件， 在加工 工件时， 机器人应避免与工件、 转台发生碰撞。 4.根据权利要求3所述一种基于区域划分的工业机器人曲面加工方法， 其特征在于， 所 述第一约束条件通过如下公式表示： 权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115431267 A 2其中， 为关节i的中间位置， qimax和qimin分别表示各关节的最大和最小极限位置， qi表 示关节i的转角,H(q)代表了 当前关节角到 关节中央位置的距离， 其值越小代表关节越靠近 中央位置， H0为关节性能的阈值。 5.根据权利要求3所述一种基于区域划分的工业机器人曲面加工方法， 其特征在于， 所 述第二约束条件通过如下公式表示： 其中， μ(q)表示机器人的可操作度， q为机器人关节角， A＝JθJθT, λmax和 λmin分别是矩阵A 的最大特征值和最小特 征值， μ0为可操作度的阈值， Jθ为机器人的雅可比矩阵。 6.根据权利要求3所述一种基于区域划分的工业机器人曲面加工方法， 其特征在于， 所 述第三约束条件通过如下公式表示： fcolt(q,γw)＝0 其中， fcoll()为运动学仿真软件中的碰撞检测函数。 7.根据权利要求1所述一种基于区域划分的工业机器人曲面加工方法， 其特征在于， 对 加工轨迹进行划分， 将曲面划分为 不同的加工 子区域包括： 对于待加工曲面轨迹， 以轨迹点为顶点V， 顶点之间为边E， 构造一个有权无向图G＝(V, E)； 以顶点对应的机器人刚度和末端位置为相似度衡量， 计算顶点之间的权重wij， 构建待 加工曲面轨 迹点的相似度矩阵W； 根据相似度矩阵W构建度矩阵D和拉普拉斯矩阵L， 对拉普拉斯矩阵进行特征值分解， 获 取其前k个特 征值对应的特 征向量， 按列排成矩阵Q， 对矩阵Q进行 标准化； 使用K‑means对标准 化后的矩阵Q进行聚类， 获取曲面轨 迹点的分类结果。 8.根据权利要求7所述一种基于区域划分的工业机器人曲面加工方法， 其特征在于， 以 顶点对应的机器人刚度和末端位置为相似度衡量， 计算顶点之间的权重wij， 构建待加工曲 面轨迹点的权 重矩阵W， 包括： 对于待分类的轨迹点， 通过机器人运动学逆解， 求解刀具轨迹点对应的机器人关节角， 使用机器人刚度模型计算机器人当前姿态下 单位力引起的末端变形 εi； 将轨迹点位置坐标与末 端变形合并为一个新的六维向量Vi＝(xi,yi,zi, εxi, εyi, εzi)， 并 进行归一化处理， 其中， xj,yj,zj为轨迹点末端位置， εxi, εyi, εzi表示当前轨迹点对应机器人 末端变形； 使用欧氏距离衡量两个顶点Vi之间的相 似度， 借助高斯核函数计算两个顶点之间的权 重wij， 根据所有顶点之间的权 重， 构建一个对称的权 重矩阵W。 9.根据权利要求1所述一种基于区域划分的工业机器人曲面加工方法， 其特征在于， 根 据划分的不同子区域， 对机器人系统区域刚度优化模型进行求解， 确定区域加工的最佳冗 余度和转台转角， 获取最佳加工参数包括： 初始化人工蜂群算法参数， 在搜索空间中随机产生机器人加工参数序列， 即初始蜜源，权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115431267 A 3