(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 202210974274.5 (22)申请日 2022.08.15 (71)申请人 华中科技大 学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 1037号 (72)发明人 李文龙　田亚明　范嘉恩　王东方　 蒋诚　徐伟　 (74)专利代理 机构 华中科技大 学专利中心 42201 专利代理师 孔娜 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) B25J 11/00(2006.01) B23C 9/00(2006.01) B23C 3/00(2006.01) (54)发明名称 一种面向航空大构件铣削的机器人末端位 姿跟踪补偿方法 (57)摘要 本发明属于机器人加工相关技术领域， 其公 开了一种面向航空大构件铣削的机器人末端位 姿跟踪补偿方法， 包括以下步骤： (1)确定视觉跟 踪测量系统与机器人加工系统之间的位姿变换 关系， 并在工件待加工区域内完成机器人关节刚 度参数辨识， 且构建机器人末端 柔度椭球； (2)将 机器人末端柔度椭球转换至铣削加工接触点处 以完成刀具轴的机器人刚度空间转换， 并确定刚 度性能评价指标， 以加工刀具冗余角为自变量优 化求解机器人理论位姿； (3)基于瞬时刚性力模 型及接触点处的柔度椭球预测加工路径上接触 点的变形， 进而完成机器人末端位姿预补偿， 并 对测量位姿偏差进行实时补偿 。 本发明实现了航 空大构件机器人铣削加工过程中的末端位姿精 准调控。 权利要求书4页 说明书10页 附图3页 CN 115229796 A 2022.10.25 CN 115229796 A 1.一种面向航空大构件铣削的机器人末端位姿跟踪补偿方法， 其特征在于， 该补偿方 法包括以下步骤： (1)借助靶标确定视觉跟踪测量系统与机器人加工系统之间的位姿变换关系， 并在工 件待加工区域内完成机器人关节刚度参数辨识， 且构建机器人末端柔度椭球； (2)将机器人末端柔度椭球转换至铣削加工接触点处以完成刀具轴的机器人刚度空间 转换， 并确定刚度性能评价指标， 以加工刀具冗余角为自变量优化 求解机器人理论 位姿； (3)基于瞬时刚性力模型及接触点处的柔度椭球预测加工路径上接触点的变形， 进而 基于接触点的变形完成机器人末端位姿预补偿， 并对测量 位姿偏差进行实时补偿； 其中， 所述预补偿为加工前的离线补偿， 实时补偿为加工过程中的在线补偿， 两者均通 过修正机器人的关节角来实现。 2.如权利要求1所述的面向航空大构件铣削的机器人末端位姿跟踪补偿方法， 其特征 在于： 所述位姿变换关系具体指的是激光跟踪仪测量坐标系 {LT}‑机器人基坐标系 {B}之间 的位姿变换矩阵 以及六维智能传感器 坐标系{STS} ‑机器人末端坐 标系{E}之间的位姿 变换矩阵 变换矩阵 和 的计算公式为： 公式(1)中， n≥3， 为机器人位姿参数矩阵， 通过机器人控制器直接获取； 为靶 标的位姿变换矩阵， 通过激光跟踪仪直接获取； 令 则 和 的计算转化为AX＝YB的求解问题， 将旋转矩阵 相乘转化为四元数相乘， 通过等式两边相减构建目标函数， 基于拉格朗日乘子法求解未知 量。 3.如权利要求2所述的面向航空大构件铣削的机器人末端位姿跟踪补偿方法， 其特征 在于： 将AX＝YB分解可 得： 将公式(2)展开可 得： RARX＝RYRB                       (3) RAtX+tA＝RYtB+tY                     (4) 将公式(3)转 化为四元数相乘可 得： QAqX＝qYQB                       (5) 其中， q＝[q0 q1 q2 q3]T为旋转矩阵R对应的四元 数， Q表示 为： 对于n组公式(5)， 构建下列目标函数：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115229796 A 2其中， 公式(7)为典型的无约束优化问题， 通过令其一阶导函数等于0可实现qX和qY的同步求 解， 进而求解得到RX和RY； 最后， 根据公式(4)， 通过线性 最小二乘可 快速求解tX和tY。 4.如权利要求1所述的面向航空大构件铣削的机 器人末端位姿跟踪补偿方法， 其特征在 于： 所述工件待加工区域具体指的是机器人在执行铣削加工任务时的工作区域， 机器人关节 刚度参数辨识时应涵盖该工件待加工区域， 以对角刚度矩阵 表示， 其中， diag( ·)表示向量·的对角矩阵， 对角元素为 向量·对应的值， 除对角线之外 的元素均为0， 为机器人第j个关节的关节刚度， 获取 Kq的步骤为： 首先， 在机器人执行铣削加工任务时的工作区域内选取M组位姿， 末端分别加载N种载 荷， 并在每组机器人位姿及载荷下， 通过六维力传感器和激光跟踪仪获取机器人末端在机 器人基坐标系下表示的六维力矢量F＝[fT mT]T和变形量D ＝[dT δT]T， 其中， f＝[fx fy fz]T 和m＝[mx my mz]T分别为x、 y、 z轴方向上的力和力矩， d＝[dx dy dz]T和 δ＝[δx δy δz]T分别 为x、 y、 z轴方向上的位置变化 量和姿态变化 量； 其次， 根据末端受力与变形量的关系确定刚度辨识模型， 刚度辨识模型的表达式为： D＝JCqJTF          (9) 其中， J为速度雅可比矩阵， 为机器人关节柔度矩阵； 通过将Cq剥离， 将公式(9)转 化为： D＝HCq         (10) 其中， 系数矩阵H的表达式为： 其中， Jrc为雅可比矩阵的第r行第c列元 素， fc为F的第c个元 素； 至此通过最小二乘快速求解Cq， 完成机器人关节刚度参数辨识， 进一步地， 得到笛卡尔 空间柔度矩阵：权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115229796 A 3