本发明涉及特种加工机器人技术领域，尤其涉及一种磨抛单元位姿感知方法、打磨方法和磨抛单元。
背景技术：
大型复杂构件，如飞机蒙皮、风电叶片、高铁车身、舰船船体等，是航空、交通与能源等战略支柱产业的核心部件。目前大型复杂构件最常见的加工作业之一是表面磨抛，大部分磨抛作业对打磨的表面一致性有高要求，比如大型客机蒙皮的表面磨抛活化。打磨的表面一致性是指所有打磨区域的打磨程度及质量的一致程度，具体的实施方式是对于所有待打磨区域，要保证全型面、不重复地打磨。但是当前大部分磨抛执行器不具备位置感知功能，难以实现全型面、不重复的打磨。
技术实现要素：
有鉴于此，为解决上述问题，本发明的实施例提供了一种磨抛单元位姿感知方法、打磨方法和磨抛单元。
本发明的实施例提供一种磨抛单元，包括以下步骤：
包括以下步骤：
s1获取磨抛单元初始坐标和目标坐标之间的偏差，机器人控制所述磨抛单元由初始坐标向目标坐标的方向运行，每隔预设时间利用姿态传感器获取磨抛单元的运行角度，利用光流传感器获取磨抛单元在相邻时刻之间的移动路程，基于航迹推算法可得出磨抛单元当前时刻的坐标；
s2根据磨抛单元当前时刻的坐标和目标坐标，得到磨抛单元当前时刻的坐标和目标坐标之间的偏差，机器人控制磨抛单元由当前时刻的坐标向目标坐标的方向运行，直至运行至目标坐标；
其中，航迹推算法的原理是，所述光流传感器获取磨抛单元在n时刻和n 1时刻之间的移动路程rn，所述姿态传感器获取磨抛单元在第n时刻的移动方向θn，假设第n时刻磨抛单元的坐标为(xn，yn)，则第n 1时刻磨抛单元的坐标为(xn 1，yn 1)，
本发明的实施例还提供一种磨抛单元打磨方法，其特征在于，包括以下步骤：
s3对工件的待打磨区域建立坐标系，获取磨抛单元打磨轨迹，打磨轨迹包括起点坐标和至少一个拐点坐标；
s4机器人利用如权利要求1所述磨抛单元位姿感知方法，控制磨抛单元由起点坐标向下一个拐点坐标的方向运行，直至运行至打磨轨迹中的最后一个拐点。
进一步地，步骤s3包括：
s31对工件的待打磨区域建立坐标系，记机器人上下移动方向为y轴方向，机器人左右移动方向为x轴方向；
s32将待打磨区域均匀分隔为多个纵向区域，将最边缘的纵向区域的一端点记为起点，起点坐标为(xo，yo)，将轨迹规划为弓字形；
s33获取每个纵向区域的纵向距离hi，分别计算每个纵向区域的上边界拐点和下边界拐点坐标。
进一步地，将待打磨区域均匀分隔为n个多个纵向区域，
进一步地，第i个纵向区域的上边界拐点的坐标为(xupi，yupi)，计算公式为：
第i个纵向区域的下边界拐点坐标为(xdowni，ydowni)，计算公式为：
其中，xo、yo分别为起点的横、纵坐标，r为系数，d为打磨机圆盘直径，i＝1、2...n，n为纵向区域的数量。
本发明的实施例还提供一种磨抛单元，基于上述磨抛单元打磨方法，包括打磨机、姿态传感器和光流传感器；
所述姿态传感器固定于所述打磨机上，用于每隔预设时间获取磨抛单元的运行角度，所述光流传感器固定于所述打磨机上，与待打磨区域相贴，用于每隔预设时间获取磨抛单元在相邻时刻之间的移动路程。
进一步地，还包括固定件、支撑杆和支撑板；
所述打磨机固定于所述固定件上，所述支撑杆沿上下向移动安装于所述固定件上，所述支撑板固定于所述支撑杆下端，所述支撑板和所述固定件之间设有第一弹簧，所述光流传感器固定于所述支撑板上。
进一步地，所述光流传感器与所述支撑板之间连接有第一转轴和第二转轴，所述第一转轴和所述第二转轴相垂直设置。
进一步地，所述支撑板和所述光流传感器之间连接有多个第二弹簧。
进一步地，还包括活塞套筒和活塞杆；
所述活塞套筒呈中空设置且沿上下向延伸，所述活塞套筒底面贯穿设有穿孔；所述活塞杆沿上下向延伸，所述活塞杆上端穿过所述穿孔位于所述活塞套筒内，所述活塞杆与所述穿孔密封接触，所述活塞杆上端凸伸形成环形凸伸部，所述环形凸伸部与所述活塞套筒内侧壁相抵，以将所述活塞套筒内部在上下向分为两个腔室，所述活塞套筒上下两端开设有分别与两个腔室连通的第一进气嘴和第二进气嘴，所述活塞套筒固定于所述固定件上，所述打磨机与所述活塞杆下端固定连接。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：机器人实时获取磨抛单元的位置和运动姿态，来调整磨抛单元下一步的运行方向，可实时对磨抛单元的运动轨迹进行调整，使得磨抛单元不断向目标坐标移动，保证打磨的实际轨迹和规划轨迹之间的一致性，避免重复打磨。
对于指定的一片待打磨区域，磨抛单元能够自主规划打磨路径，路径规划按照弓字型进行规划，每次向右移动一定距离，将待打磨表面完全覆盖，保证全型面、不重复的打磨，提高各区域打磨的一致性。利用姿态传感器测量当前磨抛单元的行进方向，利用光流传感器记录相邻时刻之间行进的路程，基于航迹推算法，可以计算得到磨抛单元当前的位置坐标，打磨过程中能够实时将磨抛单元当前的位置与规划轨迹中下一个拐点之间的偏差反馈给机器人，用于机器人做闭环控制。
附图说明
图1是本发明中轨迹规划算法示意图；
图2是本发明中基于航迹推算法测量计算磨抛单元位置的示意图；
图3是本发明中磨抛单元实时当前位置与下一个拐点之间偏差的示意图；
图4是本发明提供的实现磨抛单元自适应柔性恒力打磨功能的打磨头一实施例的结构示意图；
图5是图4中活塞套筒和活塞杆的结构示意图；
图6是图4中活塞套筒和活塞杆的剖面示意图；
图7是图4中实现磨抛单元自适应柔性恒力打磨功能的打磨头局部结构示意图；
图8是图4中下固定板和圆盘的结构示意图；
图9是图4中光流传感器固定于下固定板的结构示意图。
图中：活塞套筒1、第一进气嘴1a、第二进气嘴1b、活塞杆2、环形凸伸部21、打磨机3、上固定板4、第一法兰支座41、导轨柱5、运动平台6、环形滑块61、螺柱62、螺栓63、下固定板7、第二让位孔71、圆盘8、姿态传感器9、光流传感器10、支撑杆11、凸伸块11a、支撑板12、第一弹簧13、第二法兰支座14、穿孔14a、第一转轴15、第二转轴16、第二弹簧17。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
本发明的实施例提供一种磨抛单元位姿感知方法，包括以下步骤：
s1获取磨抛单元初始坐标和目标坐标之间的偏差，机器人控制所述磨抛单元由初始坐标向目标坐标的方向运行，每隔预设时间利用姿态传感器获取磨抛单元的运行角度，利用光流传感器获取磨抛单元在相邻时刻之间的移动路程，基于航迹推算法可得出磨抛单元当前时刻的坐标；
s2根据磨抛单元当前时刻的坐标和目标坐标，得到磨抛单元当前时刻的坐标和目标坐标之间的偏差，机器人控制磨抛单元由当前时刻的坐标向目标坐标的方向运行，直至运行至目标坐标；
其中，航迹推算法的原理是，请参见图2，所述光流传感器获取磨抛单元在n时刻和n 1时刻之间的移动路程rn，所述姿态传感器获取磨抛单元在第n时刻的移动方向θn，假设第n时刻磨抛单元的坐标为(xn，yn)，则第n 1时刻磨抛单元的坐标为(xn 1，yn 1)，
因此，当磨抛单元运行至第n 1时刻的位置，根据第n时刻的位置、在第n时刻和第n 1时刻之间运行的角度和行程，可计算出第n 1时刻位置的坐标。如此，机器人实时获取磨抛单元的位置和运动姿态，来调整磨抛单元下一步的运行方向，可实时对磨抛单元的运动轨迹进行调整，使得磨抛单元不断向目标坐标移动，保证打磨的实际轨迹和规划轨迹之间的一致性，避免重复打磨。
本发明的实施例还提供一种磨抛单元打磨方法，包括以下步骤：
s3对工件的待打磨区域建立坐标系，获取磨抛单元打磨轨迹，打磨轨迹包括起点坐标和至少一个拐点坐标。
s4机器人利用如权利要求1所述磨抛单元位姿感知方法，控制磨抛单元由起点坐标向下一个拐点坐标的方向运行，直至运行至打磨轨迹中的最后一个拐点。
具体的，步骤s3包括：
s31对工件的待打磨区域建立坐标系，记机器人上下移动方向为y轴方向，机器人左右移动方向为x轴方向。
s32将待打磨区域均匀分隔为多个纵向区域，将最边缘的纵向区域的一端点记为起点，起点坐标为(xo，yo)，将轨迹规划为弓字形，请参见图1，本实施例中，将最左侧纵向区域的下端点记为起点，左侧第一个纵向区域内的上边界拐点坐标为(xup1，yup1)，下边界拐点坐标为(xdown1，ydown1)，第二个纵向区域内的上边界拐点坐标为(xup2，yup2)，下边界拐点坐标为(xdown2，ydown2)，依次类推。按照弓字型路径进行规划，每次向右移动一定距离，可将待打磨表面完全覆盖，保证全型面、不重复的打磨。
将待打磨区域均匀分隔为多个纵向区域，具体地分为n个纵向区域，
s33获取每个纵向区域的纵向距离hi，分别计算每个纵向区域的上边界拐点和下边界拐点坐标。
具体地，第i个纵向区域的上边界拐点的坐标为(xupi，yupi)，计算公式为：
第i个纵向区域的下边界拐点坐标为(xdowni，ydowni)，计算公式为：
其中，xo、yo分别为起点的横、纵坐标，r为系数，d为打磨机3圆盘直径，i＝1、2...n，n为纵向区域的数量。需要说明的是，由于打磨机3的运行轨迹为弓字形，打磨机3在横向运行的两个相邻拐点的纵坐标相同，在纵向运行的两个相邻拐点的横坐标相同。
所述姿态传感器9以100hz的频率获取磨抛单元的运行角度，姿态传感器9选择微机电式惯性测量单元，所述光流传感器10以100hz的频率获取磨抛单元在相邻时刻之间的移动路程，反馈给机器人，光流传感器10采用激光式光流传感器10。
示例性的，机器人控制磨抛单元由起点坐标向下一个拐点坐标(xup1，yup1)的方向运行，记磨抛单元在起点坐标时为第1时刻，当磨抛单元向下一个拐点坐标的方向运行过程中，在第2时刻，利用姿态传感器9获取磨抛单元的运行角度，利用光流传感器10获取磨抛单元在第1时刻和第2时刻之间的移动路程，基于航迹推算法可得出磨抛单元第2时刻的坐标(x1，y1)。根据磨抛单元第2时刻的坐标和下一个拐点坐标(xup1，yup1)，得到磨抛单元第2时刻的坐标和下一个拐点坐标(xup1，yup1)之间的偏差，根据该偏差机器人控制磨抛单元由第2时刻的坐标向下一个拐点坐标的方向运行，直至运行至拐点坐标(xup1，yup1)，如此，机器人再控制磨抛单元向下一个拐点坐标(xdown1，ydown1)运行，直至运行至最后一个拐点坐标。
请参见图3，假设点(xi，yi)是下一个拐点坐标，点(x，y)是当前磨抛单元的位置，则偏差(δx，δy)中，δx＝xi-x，δy＝yi-y，磨抛单元将(δx，δy)以100hz的频率反馈给机器人。
请参见图4至图9，本发明的实施例提供一种磨抛单元，基于上述磨抛单元打磨方法，包括打磨机3、姿态传感器9和光流传感器10。
所述姿态传感器9固定于所述打磨机3上，用于每隔预设时间获取磨抛单元的运行角度，所述光流传感器10固定于所述打磨机3上，与待打磨区域相贴，用于每隔预设时间获取磨抛单元在相邻时刻之间的移动路程。
对于指定的一片待打磨区域，磨抛单元能够自主规划打磨路径，路径规划按照弓字型进行规划，每次向右移动一定距离，将待打磨表面完全覆盖，保证全型面、不重复的打磨，提高各区域打磨的一致性。利用姿态传感器9测量当前磨抛单元的行进方向，利用光流传感器10记录相邻时刻之间行进的路程，基于航迹推算法，可以计算得到磨抛单元当前的位置坐标，打磨过程中能够实时将磨抛单元当前的位置与规划轨迹中下一个拐点之间的偏差反馈给机器人，用于机器人做闭环控制。
进一步地，请参见图4和图9，还包括固定件、支撑杆11和支撑板12，所述打磨机3固定于所述固定件上，所述支撑杆11沿上下向移动安装于所述固定件上，所述支撑板12固定于所述支撑杆11下端，所述支撑板12和所述固定件之间设有第一弹簧13，所述光流传感器10固定于所述支撑板12上。光流传感器10采用激光式光流传感器10，工作时底面要紧贴待打磨表面，第一弹簧13始终处于被压缩状态，第一弹簧13持续给光流传感器10施加向下的推力，可使光流传感器10与待打磨表面紧密贴合。本实施例中，第二法兰支座14固定于固定件上，支撑杆11上端插设于第二法兰支座14内，第二法兰支座14开设有沿上下向延伸的穿孔14a，支撑杆11上端向外凸伸形成凸伸块11a，凸伸块11a位于穿孔14a内，将支撑杆11限位于第二法兰支座14上，可使光流传感器10随弯曲的表面上下起伏。
所述光流传感器10与所述支撑板12之间连接有第一转轴15和第二转轴16，所述第一转轴15和所述第二转轴16相垂直设置，可为光流传感器10提供翻滚和俯仰两个方向的自由度，可与不同倾斜角度相适配。所述支撑板12和所述光流传感器10之间连接有多个第二弹簧17，可实现物理滤波，减少光流传感器10的抖动。
进一步地，请参见图4至图6，磨抛单元还包括活塞套筒1和活塞杆2，所述活塞套筒1呈中空设置且沿上下向延伸，所述活塞套筒1底面贯穿设有穿孔；所述活塞杆2沿上下向延伸，所述活塞杆2上端穿过所述穿孔位于所述活塞套筒1内，所述活塞杆2与所述穿孔密封接触，所述活塞杆2上端凸伸形成环形凸伸部21，所述环形凸伸部21与所述活塞套筒1内侧壁相抵，以将所述活塞套筒1内部在上下向分为两个腔室，所述活塞套筒1上下两端开设有分别与两个腔室连通的第一进气嘴1a和第二进气嘴1b，所述第一进气嘴1a和所述第二进气嘴1b分别用于与气泵连接，所述打磨机3可以直接或间接固定于所述固定件上，本实施例中，所述活塞套筒1固定于所述固定件上，所述打磨机3与所述活塞杆2下端固定连接，间接固定于固定件上。本实施例中，所述打磨机3为气动打磨机3，通气后就能保持恒定的转速转动，稳定性、安全性高。
利用气泵分别通过第一进气嘴1a和第二进气嘴1b向活塞套筒1内注入不同压强的空气，活塞套筒1内活塞杆2上侧空气的压强大于下侧空气的压强，形成活塞杆2上下气压差，从而对活塞杆2施以向下的压力，活塞杆2与打磨机3固定连接，上下气压差对活塞杆2施加的压力等于打磨机3对待打磨表面的压力，因此，保证向第一进气嘴1a和第二进气嘴1b通入空气的气压差恒定，即可保证打磨机3对待打磨表面的打磨压力恒定，从而保证打磨表面质量的一致性。
同时，根据待打磨表面与打磨机3之间的距离，可通过调节活塞杆2上下压差，驱动活塞杆2上下移动，从而使得打磨机3在进行打磨作业时能自动适应待打磨表面而上下起伏。
进一步地，请参见图7和图8，固定件包括上固定板4和下固定板7，所述活塞套筒1固定于所述上固定板4上，所述打磨机3沿上下向滑动安装于所述上固定板4上，可为活塞杆2在上下向的移动提供导向作用，增强打磨机3上下起伏的稳定性。
所述上固定板4中部贯穿有供所述活塞杆2穿过的第一让位孔，所述活塞套筒1通过第一法兰支座41安装于所述上固定板4中部，利用第一法兰支座41便于将活塞套筒1安装于上固定板4上，上固定板4可为活塞套筒1提供支撑作用，从而保证打磨机3的稳定性。
上固定板4上可设有沿上下向延伸的滑槽，打磨机3上设有凸块，打磨机3和上固定板4之间可通过滑槽和凸块相配合的方式，本实施例中，多个所述导轨柱5沿上下向延伸，间隔固定于所述上固定板4底部，运动平台6与所述导轨柱5相对应的位置贯穿有所述导轨柱5穿过的通孔，所述运动平台6上表面与所述活塞杆2下端固定连接，所述运动平台6下表面与所述打磨机3固定连接。多个所述导轨柱5沿所述上固定板4周向均匀间隔设置，导轨柱5设有三个，可对运动平台6各部位起到导向作用，保证运动平台6和打磨机3上下移动的平稳性。
所述运动平台6上固定有多个环形滑块61，多个所述环形滑块61与所述通孔一一对应，所述环形滑块61套设于所述导轨柱5上，环形滑块61为法兰滑块，可减小导轨柱5和运动平台6之间的摩擦力，便于运动平台6上下移动，调节打磨机3与待打磨表面之间的距离。移动平台可顺滑地沿导轨柱5上下移动，打磨机3可自动适应待打磨表面的高低起伏。
下固定板7呈环形设置，形成供所述打磨机3穿过的第二让位孔71，所述下固定板7与所述导轨柱5下端固定连接，上固定板4和下固定板7之间连接有导轨柱5，可加强导轨柱5的稳定性。所述上固定板4和所述下固定板7呈平行设置，保证各个环形滑块61可上下移动相同的距离。
为了便于将打磨机3安装于运动平台6上，所述打磨机3与所述运动平台6之间通过圆盘8连接，具体的，运动平台6和圆盘8之间通过螺柱62固定连接，圆盘8和打磨机3通过螺栓63固定连接。
姿态传感器9和光流传感器10可以间接固定于打磨机3上，也可以直接固定于打磨机3上，本实施例中，姿态传感器9固定于上固定板上，光流传感器10通过法兰支座固定于下固定板上。
本发明提供的磨抛单元，活塞杆2套设于活塞套筒1内，使得打磨机3在打磨时能自动适应待打磨表面上下起伏，全程保持打磨压力恒定，可完成对大型变曲率工件表面的柔性恒力打磨，保证较高的打磨表面质量一致性，提高加工精度与质量。需要说明的是，工件待打磨表面的曲率变化速度较小，在打磨过程中，待打磨表面微小的起伏导致活塞杆2上下压差变化较小，可认为打磨机3对待打磨表面的压力恒定，可以理解的，活塞套筒1的高度越高，横截面越小，活塞杆2上下移动对活塞杆2上下压差变化越小。相比于其他柔性打磨机3构，不需要开发人员设计多传感器融合系统及复杂的反馈控制程序。该自适应力控柔性打磨头主要为机械结构，即装即用，具有可靠性高、反应速度快的特点。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种磨抛单元位姿感知方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1获取磨抛单元初始坐标和目标坐标之间的偏差，机器人控制所述磨抛单元由初始坐标向目标坐标的方向运行，每隔预设时间利用姿态传感器获取磨抛单元的运行角度，利用光流传感器获取磨抛单元在相邻时刻之间的移动路程，基于航迹推算法可得出磨抛单元当前时刻的坐标；
s2根据磨抛单元当前时刻的坐标和目标坐标，得到磨抛单元当前时刻的坐标和目标坐标之间的偏差，机器人控制磨抛单元由当前时刻的坐标向目标坐标的方向运行，直至运行至目标坐标；
其中，航迹推算法的原理是，所述光流传感器获取磨抛单元在n时刻和n 1时刻之间的移动路程rn，所述姿态传感器获取磨抛单元在第n时刻的移动方向θn，假设第n时刻磨抛单元的坐标为(xn，yn)，则第n 1时刻磨抛单元的坐标为(xn 1，yn 1)，
2.一种磨抛单元打磨方法，其特征在于，包括以下步骤：
s3对工件的待打磨区域建立坐标系，获取磨抛单元打磨轨迹，打磨轨迹包括起点坐标和至少一个拐点坐标；
s4机器人利用如权利要求1所述磨抛单元位姿感知方法，控制磨抛单元由起点坐标向下一个拐点坐标的方向运行，直至运行至打磨轨迹中的最后一个拐点。
3.如权利要求2所述的磨抛单元打磨方法，其特征在于，步骤s3包括：
s31对工件的待打磨区域建立坐标系，记机器人上下移动方向为y轴方向，机器人左右移动方向为x轴方向；
s32将待打磨区域均匀分隔为多个纵向区域，将最边缘的纵向区域的一端点记为起点，起点坐标为(xo，yo)，将轨迹规划为弓字形；
s33获取每个纵向区域的纵向距离hi，分别计算每个纵向区域的上边界拐点和下边界拐点坐标。
4.如权利要求3所述的磨抛单元打磨方法，其特征在于，将待打磨区域均匀分隔为n个多个纵向区域，
5.如权利要求3所述的磨抛单元打磨方法，其特征在于，第i个纵向区域的上边界拐点的坐标为(xupi，yupi)，计算公式为：
第i个纵向区域的下边界拐点坐标为(xdowni，ydowni)，计算公式为：
其中，xo、yo分别为起点的横、纵坐标，r为系数，d为打磨机圆盘直径，i＝1、2...n，n为纵向区域的数量。
6.一种磨抛单元，其特征在于，基于如权利要求2所述的磨抛单元打磨方法，包括打磨机、姿态传感器和光流传感器；
所述姿态传感器固定于所述打磨机上，用于每隔预设时间获取磨抛单元的运行角度，所述光流传感器固定于所述打磨机上，与待打磨区域相贴，用于每隔预设时间获取磨抛单元在相邻时刻之间的移动路程。
7.如权利要求6所述的磨抛单元，其特征在于，还包括固定件、支撑杆和支撑板；
所述打磨机固定于所述固定件上，所述支撑杆沿上下向移动安装于所述固定件上，所述支撑板固定于所述支撑杆下端，所述支撑板和所述固定件之间设有第一弹簧，所述光流传感器固定于所述支撑板上。
8.如权利要求7所述的磨抛单元，其特征在于，所述光流传感器与所述支撑板之间连接有第一转轴和第二转轴，所述第一转轴和所述第二转轴相垂直设置。
9.如权利要求8所述的磨抛单元，其特征在于，所述支撑板和所述光流传感器之间连接有多个第二弹簧。
10.如权利要求7所述的磨抛单元，其特征在于，还包括活塞套筒和活塞杆；
所述活塞套筒呈中空设置且沿上下向延伸，所述活塞套筒底面贯穿设有穿孔；所述活塞杆沿上下向延伸，所述活塞杆上端穿过所述穿孔位于所述活塞套筒内，所述活塞杆与所述穿孔密封接触，所述活塞杆上端凸伸形成环形凸伸部，所述环形凸伸部与所述活塞套筒内侧壁相抵，以将所述活塞套筒内部在上下向分为两个腔室，所述活塞套筒上下两端开设有分别与两个腔室连通的第一进气嘴和第二进气嘴，所述活塞套筒固定于所述固定件上，所述打磨机与所述活塞杆下端固定连接。
技术总结