一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的制孔法向調(diào)整方法與流程
1.本發(fā)明涉及制孔設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的制孔法向調(diào)整方法。
背景技術(shù)：
2.現(xiàn)有的法向調(diào)整算法一般都需要精確的正向和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)，通過目標(biāo)的刀尖點(diǎn)位姿來反向求出各關(guān)節(jié)軸應(yīng)走的距離。然而由于制造誤差，摩擦力，形變等諸多不可控因素的存在，實(shí)際應(yīng)用中往往很難得到精確的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，甚至在某些特殊機(jī)械結(jié)構(gòu)下，無法得出一個(gè)固定的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，需要不斷變換運(yùn)動(dòng)學(xué)方程中的參數(shù)甚至是需要切換不同的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程以滿足不同機(jī)械形式的控制需求。這給運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)帶來了很大難度，并且因?yàn)椴豢煽匾蛩氐拇嬖冢幢愕玫搅死碚撋系倪\(yùn)動(dòng)學(xué)方程，也往往很難一步走到位，經(jīng)常需要多次嘗試才能走到目標(biāo)范圍。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
3.為克服現(xiàn)有制孔法向調(diào)整算法存在的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種可提高調(diào)法速度和精度的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的制孔法向調(diào)整方法。
4.本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
5.一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的制孔法向調(diào)整方法，包括壓力腳和與壓力腳底部球面連接的萬向支腳，所述壓力腳上設(shè)有三個(gè)法向傳感器，三個(gè)法向傳感器的鼻頭與萬向支腳上的定位面接觸，通過測(cè)量三個(gè)法向傳感器的本體到鼻頭的距離讀數(shù)來判斷穿過壓力腳的主軸是否處于法向位置；
6.法向調(diào)整及學(xué)習(xí)過程包括以下步驟：
7.步驟一、由精確校準(zhǔn)工具得出萬向支腳上的定位面與主軸完全垂直時(shí)三個(gè)鼻頭傳感器的距離讀數(shù)，并以此值作為理論法向；
8.步驟二、使用隨機(jī)函數(shù)控制tcp刀尖點(diǎn)坐標(biāo)系離開理論法向位置，記錄偏離角度和三個(gè)法向傳感器的實(shí)測(cè)讀數(shù)；
9.步驟三、使用理論運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算xyzab關(guān)節(jié)軸位于步驟二相同位置時(shí)三個(gè)法向傳感器的理論計(jì)算預(yù)估讀數(shù)；
10.步驟四、通過比較步驟二與步驟三的數(shù)據(jù)，得出法向讀數(shù)的誤差隨角度的變化數(shù)據(jù)；
11.步驟五、改變夾緊力重復(fù)記錄步驟二至三；
12.步驟六、改變z高度重復(fù)記錄步驟二至五；
13.步驟七、將所記錄的數(shù)據(jù)整理作為樣本集并使用機(jī)器學(xué)習(xí)中的多元線性回歸方法得出法向讀數(shù)的誤差與角度、夾緊力、z高度之間的關(guān)系，并得到一個(gè)適合此時(shí)關(guān)節(jié)軸坐標(biāo)的補(bǔ)償量；
14.步驟八、將初步訓(xùn)練得到的模型應(yīng)用到機(jī)器的調(diào)法算法中，在理論逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算出的目標(biāo)關(guān)節(jié)軸坐標(biāo)上疊加由機(jī)器學(xué)習(xí)模型給出的補(bǔ)償量并記錄每次的剩余實(shí)際誤差，將
此過程在實(shí)際試加工生產(chǎn)中積累的數(shù)據(jù)作為機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的訓(xùn)練集來進(jìn)一步提升算法模型的精度，減小每一次的剩余實(shí)際誤差，并最終固化為最終的精確模型。
15.進(jìn)一步的是，
16.步驟七中的回歸方程為如下形式：
[0017][0018]
其中，為一常數(shù)，為各變量的權(quán)重，為法向誤差的組成部分，包括a軸b軸的法向讀數(shù)，當(dāng)前夾緊力大小，z軸高度等；
[0019]
將步驟二至六所記錄的數(shù)據(jù)作為機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練的標(biāo)簽值y，整理形成如下形式，
[0020]
y＝xw
[0021]
其中，y為一個(gè)儲(chǔ)存了大量y標(biāo)簽值數(shù)據(jù)的矩陣，x為已知量矩陣，w為未知量矩陣；
[0022]
因此，損失函數(shù)可以定義為如下形式：
[0023][0024]
此方程作為在機(jī)器學(xué)習(xí)中使用的損失函數(shù)模型，通過求解到一組最優(yōu)解，使得此函數(shù)的值最小，也就是使法向理論值和實(shí)際法向值的差值最小的一組w值，然后得出一個(gè)最終的誤差值xiw，此誤差值即為要加在理論運(yùn)動(dòng)學(xué)模型上的補(bǔ)償量。
[0025]
本發(fā)明的有益效果是：通過在傳統(tǒng)法向調(diào)整中加入機(jī)器學(xué)習(xí)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)可以很容易的將整個(gè)系統(tǒng)的不可控變量以參數(shù)的形式列舉出來，再由機(jī)器學(xué)習(xí)來確定每個(gè)參數(shù)的權(quán)重，從而確定各關(guān)節(jié)軸的補(bǔ)償量，并將補(bǔ)償量疊加到運(yùn)動(dòng)學(xué)方程輸出的關(guān)節(jié)軸坐標(biāo)上，從而減小了機(jī)械變形、摩擦力等不可控力帶來的影響，并且提高了法向調(diào)整的速度和單次調(diào)法的精度。
附圖說明
[0026]
圖1是本發(fā)明的法向傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]
圖中編號(hào)說明：1-壓力腳，2-萬向支腳，3-法向傳感器。
具體實(shí)施方式
[0028]
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0029]
本發(fā)明一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的制孔法向調(diào)整方法，其法向檢測(cè)主要通過壓力腳來實(shí)現(xiàn)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括壓力腳1和與壓力腳1底部球面連接的萬向支腳2，所述壓力腳1上設(shè)有三個(gè)法向傳感器3，三個(gè)法向傳感器3的鼻頭與萬向支腳2上的定位面接觸，通過測(cè)量三個(gè)法向傳感器3的本體到鼻頭的距離讀數(shù)來判斷穿過壓力腳1的主軸是否垂直于萬向支腳2上的定位面，如果垂直則主軸處于法向位置。
[0030]
具體的法向檢測(cè)過程是：首先，通過精確校準(zhǔn)工具測(cè)出在萬向支腳2與壓力腳1同軸的狀態(tài)下三個(gè)法向傳感器3的讀數(shù)，理論上三個(gè)讀數(shù)應(yīng)當(dāng)一致，該讀數(shù)即為法向狀態(tài)，然后在制孔過程中，壓力腳1隨主軸移動(dòng)到制孔位置，再下移，使萬向支腳2與產(chǎn)品表面接觸，在此過程中，萬向支腳2會(huì)隨著產(chǎn)品表面的曲率而偏轉(zhuǎn)，由于三個(gè)法向傳感器3的鼻頭始終
與萬向支腳2接觸，因而三個(gè)法向傳感器3的讀數(shù)會(huì)出現(xiàn)偏差，最后，系統(tǒng)根據(jù)三個(gè)法向傳感器3前后讀數(shù)差，通過dh運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算主軸各關(guān)節(jié)的坐標(biāo)值，并據(jù)此調(diào)整主軸，使壓力腳1和主軸回到與萬向支腳2同軸的狀態(tài)，即相對(duì)產(chǎn)品表面的法向狀態(tài)。
[0031]
上述過程就是主軸的法向調(diào)整過程，但同時(shí)該過程也是理論過程，因?yàn)樵趯?shí)際的調(diào)整過程中，還存在dh運(yùn)動(dòng)學(xué)模型參數(shù)參數(shù)不準(zhǔn)確、機(jī)械剛性不足、摩擦力變化等影響因素，會(huì)導(dǎo)致調(diào)法精度降低，往往很難一步走到位，經(jīng)常需要多次嘗試才能走到目標(biāo)范圍。本技術(shù)正是通過增加機(jī)器學(xué)習(xí)來彌補(bǔ)傳統(tǒng)的制孔調(diào)法算法的缺陷，具體如下：
[0032]
法向調(diào)整及學(xué)習(xí)過程包括以下步驟：
[0033]
步驟一、由精確校準(zhǔn)工具得出萬向支腳上的定位面與主軸完全垂直時(shí)三個(gè)鼻頭傳感器的距離讀數(shù)，并以此值作為理論法向。
[0034]
步驟二、使用隨機(jī)函數(shù)控制tcp刀尖點(diǎn)坐標(biāo)系離開理論法向位置，記錄偏離角度和三個(gè)法向傳感器的實(shí)測(cè)讀數(shù)。即當(dāng)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)到隨機(jī)函數(shù)的位置時(shí)，法向傳感器實(shí)測(cè)的值，這個(gè)值是正確的，也就是當(dāng)法向傳感器出現(xiàn)該讀數(shù)時(shí)，按照上述隨機(jī)函數(shù)反向移動(dòng)回去，一定能回到理論法向狀態(tài)。
[0035]
步驟三、使用理論運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算xyzab五個(gè)關(guān)節(jié)軸位于步驟二相同位置時(shí)三個(gè)法向傳感器的理論計(jì)算預(yù)估讀數(shù)。其中xyz表示沿xyz三軸移動(dòng)，a表示繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)，b表示繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)。該讀數(shù)是利用了不準(zhǔn)確的dh運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過使用和步驟二一樣的關(guān)節(jié)角度預(yù)測(cè)計(jì)算出的有誤差的預(yù)測(cè)讀數(shù)，這個(gè)讀數(shù)是不同于步驟二里的讀數(shù)的，也就是說步驟三的讀數(shù)是不對(duì)的，包含了一些誤差在里面。
[0036]
步驟四、通過比較步驟二與步驟三的數(shù)據(jù)，得出法向讀數(shù)的誤差隨角度的變化數(shù)據(jù)。由于步驟二是實(shí)際測(cè)試得到的，測(cè)試次數(shù)有限，不可能涵蓋所有的可能性，因此我們需要知道步驟三里的由理論運(yùn)動(dòng)學(xué)得出的無限多的參數(shù)方程和步驟二實(shí)測(cè)值之間的差距，并對(duì)理論運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行修補(bǔ)，使步驟三的理論運(yùn)動(dòng)學(xué)的結(jié)果更加接近步驟二的實(shí)測(cè)結(jié)果。
[0037]
步驟五、改變夾緊力重復(fù)記錄步驟二至三。夾緊力就是調(diào)法過程中機(jī)器施加給工件的力，即萬向支腳對(duì)產(chǎn)品的壓力，不同的壓力會(huì)導(dǎo)致不同的形變量，也就導(dǎo)致萬向支腳偏轉(zhuǎn)的角度不同，大的夾緊力會(huì)導(dǎo)致步驟三的誤差更大，小的夾緊力誤差小，更接近實(shí)測(cè)值。
[0038]
步驟六、改變z高度重復(fù)記錄步驟二至五，不同的高度機(jī)器的強(qiáng)度不同，相當(dāng)于機(jī)器伸得越遠(yuǎn)，強(qiáng)度越軟，誤差也就越大，但從實(shí)際記錄來看，該誤差所占權(quán)重較低，幾乎可忽略不計(jì)；
[0039]
步驟七、將所記錄的數(shù)據(jù)整理作為樣本集并使用機(jī)器學(xué)習(xí)中的多元線性回歸方法得出法向讀數(shù)的誤差與角度、夾緊力、z高度之間的關(guān)系，并得到一個(gè)適合此時(shí)關(guān)節(jié)軸坐標(biāo)的補(bǔ)償量。
[0040]
進(jìn)一步的是，
[0041]
步驟七中的回歸方程為如下形式：
[0042][0043]
其中，為一常數(shù)，為各變量的權(quán)重，為法向誤差的組成部分，包括a軸b軸的法向讀數(shù)，當(dāng)前夾緊力大小，z軸高度等；
[0044]
將步驟二至六所記錄的數(shù)據(jù)作為機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練的標(biāo)簽值y，整理形成如下形式，
[0045]
y＝xw
[0046]
其中，y為一個(gè)儲(chǔ)存了大量y標(biāo)簽值數(shù)據(jù)的矩陣，x為已知量矩陣，w為未知量矩陣；
[0047]
因此，損失函數(shù)可以定義為如下形式：
[0048][0049]
此方程作為在機(jī)器學(xué)習(xí)中使用的損失函數(shù)模型，通過求解到一組最優(yōu)解，使得此函數(shù)的值最小，也就是使法向理論值和實(shí)際法向值的差值最小的一組w值，然后得出一個(gè)最終的誤差值xiw，此誤差值即為要加在理論運(yùn)動(dòng)學(xué)模型上的補(bǔ)償量。
[0050]
步驟七是機(jī)器學(xué)習(xí)的主要過程，更為通俗的來講，我們需要到一組各種誤差的權(quán)重值w，來使得各種誤差可以以合理的分配方式和權(quán)重比例相加得出一個(gè)最終的誤差值xiw，將此誤差值加在dh運(yùn)動(dòng)學(xué)模型給出的預(yù)估讀數(shù)上，可使得預(yù)估讀數(shù)加上誤差值更為接近實(shí)測(cè)讀數(shù)。與實(shí)測(cè)讀數(shù)越接近，y
i-xiw誤差越小，損失函數(shù)也越小，因此到使損失函數(shù)最小時(shí)候的w權(quán)重值，便可以得到一個(gè)最接近步驟二讀數(shù)的補(bǔ)償辦法。以具體實(shí)例來說，當(dāng)夾緊力為0時(shí)，法相傳感器的預(yù)測(cè)值和步驟二的實(shí)測(cè)值只差200個(gè)讀數(shù)，當(dāng)夾緊力100kg時(shí)，誤差變?yōu)榱?00個(gè)讀數(shù)。假設(shè)改變z高度，當(dāng)夾緊力為0時(shí)，誤差依舊在200左右，因此可以認(rèn)為z高度的權(quán)重為wz是一個(gè)很小的值趨近于0，但夾緊力使得誤差出現(xiàn)了變化，因此夾緊力權(quán)重不為0。將步驟四所得的離散的補(bǔ)償量通過回歸方法得出一個(gè)連續(xù)的方程，此方程的輸入是各關(guān)節(jié)軸的位置，輸出是此時(shí)的補(bǔ)償值。因?yàn)檫€有夾緊力、z高度等其他變量，因此還需要取得不同夾緊力下，輸入各關(guān)節(jié)軸位置的輸出補(bǔ)償值。此時(shí)，通過輸入各關(guān)節(jié)軸角度，經(jīng)過由最小二乘法取得的權(quán)重的放大與縮小便可以得到一個(gè)合適此時(shí)關(guān)節(jié)軸坐標(biāo)與夾緊力的補(bǔ)償值，并將其加到dh模型預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)值上，使得模型預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值基本相等。在dh正向運(yùn)動(dòng)學(xué)已經(jīng)精準(zhǔn)的前提下，通過法向傳感器的值由反向運(yùn)動(dòng)學(xué)推出各個(gè)關(guān)節(jié)軸坐標(biāo)值，就可以實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)調(diào)法。
[0051]
步驟八、將初步訓(xùn)練得到的模型應(yīng)用到機(jī)器的調(diào)法算法中，在理論逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算出的目標(biāo)關(guān)節(jié)軸坐標(biāo)上疊加由機(jī)器學(xué)習(xí)模型給出的補(bǔ)償量并記錄每次的剩余實(shí)際誤差，將此過程在實(shí)際試加工生產(chǎn)中積累的數(shù)據(jù)作為機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的訓(xùn)練集來進(jìn)一步提升算法模型的精度，減小每一次的剩余實(shí)際誤差，并最終固化為最終的精確模型。補(bǔ)償量其實(shí)就是在不同夾緊力或z軸高度下的步驟四的值，如果有一百種夾緊力，那就有一百種值。步驟四是一個(gè)xyzab五軸輸入的變量，為了便于理解的簡(jiǎn)化，假設(shè)只有兩個(gè)輸入x和y，用z代表誤差，那么誤差值是xyz三維空間中的一個(gè)面，這個(gè)面上的某一點(diǎn)z1的高度就是其所對(duì)應(yīng)的x1y1值的補(bǔ)償量，同理xyzab的補(bǔ)償量則為6維空間中的一個(gè)面。在步驟七中已經(jīng)加入了一個(gè)粗略的步驟四的補(bǔ)償，因此步驟八的剩余實(shí)際誤差已經(jīng)是一個(gè)非常小的量了，可以理解為補(bǔ)償過后依舊剩余的誤差，已經(jīng)可以基本忽略不計(jì)了，當(dāng)然若經(jīng)過步驟七后誤差依然很大，那就需要步驟八來進(jìn)一步優(yōu)化w權(quán)重，使得補(bǔ)償后的數(shù)值更接近正確的測(cè)量值。
技術(shù)特征：
1.一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的制孔法向調(diào)整方法，其特征在于：包括壓力腳(1)和與壓力腳(1)底部球面連接的萬向支腳(2)，所述壓力腳(1)上設(shè)有三個(gè)法向傳感器(3)，三個(gè)法向傳感器(3)的鼻頭與萬向支腳(2)上的定位面接觸，通過測(cè)量三個(gè)法向傳感器(3)的本體到鼻頭的距離讀數(shù)來判斷穿過壓力腳(1)的主軸是否處于法向位置，法向調(diào)整及學(xué)習(xí)過程包括以下步驟：步驟一、確定理論法向；步驟二、使用隨機(jī)函數(shù)控制tcp刀尖點(diǎn)坐標(biāo)系離開理論法向位置，記錄偏離角度和三個(gè)法向傳感器的實(shí)測(cè)讀數(shù)；步驟三、使用理論運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算xyzab各關(guān)節(jié)軸位于步驟二相同位置時(shí)三個(gè)法向傳感器的理論計(jì)算預(yù)估讀數(shù)；步驟四、通過比較步驟二與步驟三的數(shù)據(jù)，得出法向讀數(shù)的誤差隨角度的變化數(shù)據(jù)；步驟五、改變夾緊力重復(fù)記錄步驟二至三；步驟六、改變z高度重復(fù)記錄步驟二至五；步驟七、將所記錄的數(shù)據(jù)整理作為樣本集并使用機(jī)器學(xué)習(xí)中的多元線性回歸方法得出法向讀數(shù)的誤差與角度、夾緊力、z高度之間的關(guān)系，并得到一個(gè)適合此時(shí)關(guān)節(jié)軸坐標(biāo)的補(bǔ)償量；步驟八、固化為最終的精確模型。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的制孔法向調(diào)整方法，其特征在于所述的確定理論法向?yàn)椋河删_校準(zhǔn)工具得出萬向支腳上的定位面與主軸完全垂直時(shí)三個(gè)鼻頭傳感器的距離讀數(shù)，并以此值作為理論法向。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的制孔法向調(diào)整方法，其特征在于所述的步驟七中的回歸方程為如下形式：其中，為一常數(shù)，為各變量的權(quán)重，為法向誤差的組成部分，包括a軸b軸的法向讀數(shù)，當(dāng)前夾緊力大小，z軸高度等；將步驟二至六所記錄的數(shù)據(jù)作為機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練的標(biāo)簽值y，整理形成如下形式，y＝xw其中，y為一個(gè)儲(chǔ)存了大量y標(biāo)簽值數(shù)據(jù)的矩陣，x為已知量矩陣，w為未知量矩陣；因此，損失函數(shù)可以定義為如下形式：此方程作為在機(jī)器學(xué)習(xí)中使用的損失函數(shù)模型，通過求解到一組最優(yōu)解，使得此函數(shù)的值最小，也就是使法向理論值和實(shí)際法向值的差值最小的一組w值，然后得出一個(gè)最終的誤差值x
i
w，此誤差值即為要加在理論運(yùn)動(dòng)學(xué)模型上的補(bǔ)償量。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的制孔法向調(diào)整方法，其特征在于所述的步驟八中固化為最終的精確模型具體過程為：將初步訓(xùn)練得到的模型應(yīng)用到機(jī)器的調(diào)法算法中，在理論逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算出的目標(biāo)關(guān)節(jié)軸坐標(biāo)上疊加由機(jī)器學(xué)習(xí)模型給出的補(bǔ)償量并記
錄每次的剩余實(shí)際誤差，將此過程在實(shí)際試加工生產(chǎn)中積累的數(shù)據(jù)作為機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的訓(xùn)練集來進(jìn)一步提升算法模型的精度，減小每一次的剩余實(shí)際誤差，并最終固化為最終的精確模型。
技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的制孔法向調(diào)整方法，主要是在傳統(tǒng)法向調(diào)整中加入機(jī)器學(xué)習(xí)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)可以很容易的將整個(gè)系統(tǒng)的不可控變量以參數(shù)的形式列舉出來，再由機(jī)器學(xué)習(xí)來確定每個(gè)參數(shù)的權(quán)重，從而確定各關(guān)節(jié)的補(bǔ)償量，并將補(bǔ)償量疊加到運(yùn)動(dòng)學(xué)方程輸出的關(guān)節(jié)軸坐標(biāo)上，從而減小了機(jī)械變形、摩擦力等不可控力帶來的影響，并且提高了法向調(diào)整的速度和單次調(diào)法的精度。單次調(diào)法的精度。單次調(diào)法的精度。
