CN102161153A - 一种用于自动化装配的模块化柔性六自由度并联冗余驱动调姿机构及其调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于自动化装配的模块化柔性六自由度并联冗余驱动调姿机构及其调整方法，该机构包含四个球面副定位驱动点，每个驱动点具有独立的XYZ三个方向直线运动自由度，形成一个冗余驱动并联机构。四个定位点之间的相对位置不变，各定位点通过三个方向的直线运动拟合成改点的空间曲线运动，依靠球头在球窝中自适应旋转特点实现壁板在空间的旋转运动。通过建立与电机驱动方向平行的装配坐标系，将部件绕空间任意轴旋转的运动分解为绕该装配坐标系XYZ轴的旋转运动，可将电机联动数量由12个降为8个，提高该并联机构定位精度与运动安全性。

Description

一种用于自动化装配的模块化柔性六自由度并联冗余驱动调姿机构及其调整方法

技术领域

本发明涉及一种用于大型薄壁件生产装配线上的自动化装配，该调姿机构可实现大型薄壁件自动化精确定位装配，可显著提高大型薄壁件装配效率和装配质量。

背景技术

随着我国装备制造业的不断发展，自动化装配线已越来越多的应用在生产制造上，例如汽车总装。但目前在国内企业投入使用的自动化装配线只能进行小部件的自动化装配，多采用机械臂抓取的形式来完成产品的自动化装配。针对大型部件装配，如大型飞机壁板的拼接等，国内企业仍采取的是传统的人工装配形式，依靠装配卡板逼近的方法来保证精度。这种模拟量的装配方式在进行大型薄壁件装配的过程中会出现薄壁件扭曲变形，无法达到理论装配位置等现象。因此，采用自动化技术来进行大型薄壁件的装配是提高装配质量，保证装配精度的有效途径。

考虑到大型薄壁件刚性较差，在装配过程中易变形的特点，同时兼顾定位完成后后续加工处理工序的进行，设计一套具有良好集成性与可拓展性的多点定位六自由度自动化调姿机构是实现大型薄壁件自动化精确定位装配的有效方式。

发明内容

本发明的主要目的在于提供了一种用于自动化装配的模块化柔性六自由度并联冗余驱动调姿机构，该机构可实现部件在空间六自由度姿态调整，由四个模块化的三坐标运动台组成，分别命名为运动台A、运动台B、运动台C和运动台D；每个三坐标运动台运动终端有一个球面副，球面副球窝部分与运动台终端固连，驱动机构与待装配部件之间通过球面副连接：

采用一种模块化的三坐标运动台，该运动台三个运动方向互相垂直，根据机构姿态调整要求，设计运动台三个方向的运动行程，采用运动叠加的形式，使运动台终端具有三个相互垂直方向的平动自由度；

调姿机构模块化，根据待装配部件的大小及形状，确定调姿机构所包含的模块化三坐标运动台数量，为确保带装配部件受力均匀，降低调姿机构控制难度，设计调姿机构采用四点对称分布定位支撑，机构共包含十二个伺服电机；

为保证调姿机构的稳定性，设计三角立柱，每两个模块化三坐标运动台固定在一个三角立柱上，本调姿机构含有两个三角立柱，为防止带运动台的三角立柱发生倾覆，设计带有T形槽的底座以固定三角立柱。

所述六自由度并联冗余驱动调姿机构的部件空间六自由度姿态调整方法：

部件空间六自由度姿态调整包括三个角度量调整和三个位置量调整，部件空间角度姿态调整采用多个直线运动拟合部件空间曲线运动，通过建立与模块化三坐标运动台运动方向平行的装配坐标系，并将其原点设置与四个球面副中间位置，采用分平面旋转的方法，使部件的角度调整运动分解为部件 分别绕三个坐标轴的旋转运动，降低该并联调姿机构联动电机数，提高机构运动安全性，在部件可见区域设置四个特征点，通过标定特征点与球面副驱动点相对位置坐标及测量在装配坐标系下特征点坐标，求解部件姿态，计算部件姿态调整偏差。

所述部件姿态角调整步骤：

建立待装配部件零件坐标系A_o-xyz，测量在零件坐标系下部件特征点的坐标与球面副驱动点的坐标，分别记录为位置矩阵 

和  $W_c=\left[\begin{array}{cccc}{x}_{c1}& x_{c2}& x_{c3}& x_{c4}\\ y_{c1}& y_{c2}& y_{c3}& y_{c4}\\ z_{c1}& z_{c3}& z_{c3}& z_{c4}\\ 1& 1& 1& 1\end{array}\right];$

建立待装配部件装配坐标系B_o-xyz，部件姿态及调姿机构各伺服电机运动量均在此坐标系下表示，装配坐标系要求其XYZ轴与模块化三坐标运动台三个运动方向分别平行，确保各特征点坐标测量量可直接用作各电机位移量计算。装配坐标系原点尽量设置于四个球面副布局中心位置，以尽可能平均部件绕装配坐标系各坐标轴旋转时各方向电机运动量；

测量部件特征点在装配坐标系下的坐标，得到位置矩阵 求解矩阵W_m到矩阵M_m的转换矩阵T，矩阵T的数学形式为： 

其中，c：表示cos运算；

s：表示sin运算；

φ：表示当前零件坐标系与装配坐标系X轴之间的夹角；

表示当前零件坐标系与装配坐标系Y轴之间的夹角；

θ：表示当前零件坐标系与装配坐标系Z轴之间的夹角；

t_x，t_y，t_z：表示当前零件坐标系的原点在装配坐标系下的坐标；

部件特征点与球面副驱动点之间的相对位置关系在装配过程中不变，球面副驱动点在装配坐标系下的当前位置矩阵计算式为：M_c＝T·W_c；根据矩阵T的数学形式反解部件当前的空间位置与姿态 

矩阵T可以分解为四个矩阵相乘的形式，T＝P·R_z·R_y·R_x；

其中，P：坐标平移矩阵， 

R_z：绕Z轴旋转坐标变换矩阵， 

R_y：绕Y轴旋转坐标变换矩阵， 

R_x：绕X轴旋转坐标变换矩阵， 

在计算机模型中标定部件在理论装配位置的特征点坐标，记为位置矩阵 M_mo，求解出部件装配坐标系下在理论装配位置的球面副驱动点坐标，记为位置矩阵M_co；求解部件初始位置与理论装配位置的驱动点位置矩阵之间的转换矩阵T_ro，使有M_co＝T_ro·M_c；根据转换矩阵T的分解形式，可将转换矩阵T_ro分解为四个矩阵相乘，故自动化姿态调整过程可分解为部件依次绕装配坐标系的X轴、Y轴、Z轴旋转后再分别沿X轴、Y轴和Z轴平移；根据绕坐标轴旋转矩阵R_x，R_y和R_z的表达形式，该自动化装配并联调姿机构在绕坐标轴旋转时其需要联动的电机数量为8，即部件绕坐标轴旋转时，模块化三坐标运动台中与该坐标轴平行的运动方向将保持静止，球面副驱动点坐标仅在两个方向上发生变化。

本发明通过建立与电机驱动方向平行的装配坐标系，将部件绕空间任意轴旋转的运动分解为绕该装配坐标系的XYZ轴的旋转运动，可将电机联动数量由12个降为8个，降低电机运动误差引起的四个定位点之间相对位置变化量，提高该并联机构定位精度与运动安全性。

附图说明

图1为本发明实施例中的调姿机构与薄壁件三维模型图

图2为本发明实时例中的模块化三坐标运动台三维模型及球头旋转范围

图3为本发明实施例中的工件空间旋转运动合成图

图4为本发明实施例中的工件空间姿态调节顺序状态图

1.辅助定位器，2.模拟定位器，3.球面副，4.装配坐标系，5.零件坐标系，6.飞机侧壁板，7.模块化三坐标运动台，8.立柱，9.底座，10.丝杠，11.运动台终端，12.伺服电机，13.壁板初始姿态，14.壁板理论姿态.

具体实施方式

以下是结合附图对本发明作进一步的详细描述

图1中所示的薄壁件为飞机中机身侧壁板模型，根据飞机侧壁板安装位置特点，布置球面副定位器安装于壁板外表面。设计辅助定位器(如图1所示)，当侧壁板姿态调节到目标位置时，与壁板刚性连接的模拟定位器上的定位孔可与固定的辅助定位器上的定位孔重合，两个定位器可通过插销连接，从而实现飞机中机身侧壁板自动化定位装配。

1.建立坐标系与数据标定

建立壁板自动化装配定位需要两个坐标系，与壁板固连的零件坐标系A_o-xyz与固定不动的装配坐标系B_o-xyz。零件坐标系随壁板平移或旋转，球面副驱动点与壁板特征点在零件坐标系中的坐标值均保持不变；装配坐标系固定不动，为世界坐标系。由于零件坐标系与壁板固连，故用零件坐标系在装配坐标系中的位置与姿态表示壁板在装配坐标系下的位置与姿态。零件坐标系的建立无特殊要求，装配坐标系须保证其坐标轴与模块化三坐标运动台运动方向平行，坐标原点在驱动点中点附近，如图1所示。

模块化三坐标运动台三维结构模型如图2所示，球面副球头与壁板固连，球面副球窝与运动台固连，故壁板上与运动台运动轨迹相同的点为四个球面副球心点，即壁板调姿驱动点，利用球头可在球窝中自适应旋转将各运动台直线运动转换为壁板的曲线运动，如图3所示。在壁板进行自动化定位装配过程中，驱动点坐标无法直接测量，须通过壁板特征点与驱动点之间的位置关系计算而得，即根据特征点与驱动点之间的相对位置关系不变，在自动化姿态调整之前标定在零件坐标系下的特征点坐标位置矩阵W_m和驱动点坐标 位置矩阵W_c，在自动化姿态调节过程中，测量壁板特征点在装配坐标系下的坐标位置矩阵M_m，运用四元数法求解矩阵W_m到矩阵M_m的转换矩阵T，使有下列式子成立：

M_m＝T·W_m

由于转换矩阵T是相同点在不同坐标系下的坐标转换矩阵，故T可表示当前位置壁板零件坐标系到装配坐标系的转换矩阵，故当前位置的驱动点在装配坐标系下的坐标位置矩阵M_c可通过下列式子计算：

M_c＝T·W_c

通过提取公共点将计算机模型坐标系与实际装配坐标系统一，在计算机中读取壁板三维模型上的特征点坐标，得到壁板在理论装配位置时候的特征点坐标位置矩阵M_mo，运用四元数法求解矩阵W_m到矩阵M_mo的转换矩阵T_mo，驱动点在理论装配位置状态下的坐标矩阵M_co可通过下列式子计算：

M_co＝T_mo·W_c

2.壁板自动化姿态调整空间轨迹规划

根据零件坐标系下壁板特征点和驱动点的坐标位置矩阵保持不变，壁板特征点在零件坐标系下的位置矩阵到装配坐标系下的位置矩阵的转换矩阵即为零件坐标系到装配坐标系的转换矩阵，从转换矩阵T中提取出六个空间姿态量 

根据实施方式1，上述空间姿态量即可表示壁板当前的空间姿态，用向量U表示。在已知壁板特征点在初始位置和理论装配位置的坐标矩阵后，可分别求解出壁板初始位姿U_c和理论位姿U_l。

在已知驱动点初始位置矩阵M_c和理论装配位置矩阵M_co的条件下，驱动点从位置M_c到M_co的中间路径未知，为保证并联机构运动稳定与安全，利用 五次多项式对壁板空间姿态调整轨迹进行规划，多项式形式为：

$U\left(t\right)=6\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{Ut}}^5}{{t_f}^5}-15\frac{{\mathrm{\ΔUt}}^4}{{t_f}^4}+10\frac{{\mathrm{\ΔUt}}^3}{{t_f}^3}+U_c$

其中，t：当前采样时刻

t_f：总采样时间

U_c：初始状态下壁板位姿

ΔU：壁板目标状态下与初始状态下的位姿变化量，ΔU＝U_l-U_c

U(t)：壁板在当前采样时刻的位姿

通过设置采样时间t和总采样时间t_f，求解出在各采样时刻的壁板空间位姿U(t)。根据转换矩阵T的数学表达形式

其中，c：表示cos运算；

s：表示sin运算；

φ：表示当前零件坐标系与装配坐标系X轴之间的夹角

表示当前零件坐标系与装配坐标系Y轴之间的夹角

θ：表示当前零件坐标系与装配坐标系Z轴之间的夹角

t_x，t_y，t_z：表示当前零件坐标系的原点在装配坐标系的坐标

代入各采样时刻的壁板姿位姿U(t)，反解在各采样时刻从零件坐标系A_o-xyz到装配坐标系B_o-xyz的转换矩阵T(t)，在根据公式M_c＝T·W_c，即可求解出各在采样时刻各驱动点的空间位置坐标M_c(t)。由于各采样点的空间位置坐标 即可表示各伺服电机的运动位置，及实现了对本并联冗余调姿机构的自动姿态调节轨迹规划。

3.壁板空间姿态角分平面调整

转换矩阵T可以分解为多个绕坐标轴旋转和沿坐标轴平移的矩阵乘积，其形式如下：

T＝P·R_z·R_y·R_x

其中，P：坐标平移矩阵， 

R_z：绕Z轴旋转坐标变换矩阵， 

R_y：绕Y轴旋转坐标变换矩阵， 

R_x：绕X轴旋转坐标变换矩阵， 

从上式可知，在调节壁板空间角度时，若每个采样时刻只变化位姿向量U中的一个角度量，则每个驱动点将只有两个坐标量发生变化，并联机构的联动轴数为8。此时壁板将按照顺序分别绕装配坐标系的三个坐标轴旋转，完成壁板的空间角度自动化调节。在调节壁板空间位置时，若每个采样时刻只变化位姿向量U中的一个位置量，则每个驱动点将只有一个坐标量发生变化，即此时并联机构的联动轴数为4。通过每次只变化一个位姿量，使具有12个 驱动电机的并联冗余调姿机构其联动轴数要求降低为8个，降低了伺服驱动控制难度，提高了并联机构的稳定性与安全性！壁板自动化姿态调节各阶段位置状态如图4所示。

4.壁板姿态调节精度评价与处理

根据飞机装配需求，壁板最终装配位置与理论装配位置之间允许定位误差为0.2mm。在壁板完成一次自动化姿态调整后，测量壁板特征点的坐标，计算当前壁板空间姿态U_c，与理论装配位置空间姿态U_l比较，若误差在0.2mm以内，则认为壁板已装配到正确位置，若误差超过0.2mm，则再以此时的壁板空间姿态U_c作为壁板初始姿态，再进行一次自动化姿态调节！在本实例中，壁板第一次自动化姿态调节后其位姿误差不超过0.5mm，进行第二次自动化姿态调节后，其位姿误差则降至0.1mm以下。即通过两次自动化调整，可实现壁板的精确定位装配！

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (3)

1.一种用于自动化装配的模块化柔性六自由度并联冗余驱动调姿机构，该机构可实现部件在空间六自由度姿态调整，由四个模块化的三坐标运动台组成，分别命名为运动台A、运动台B、运动台C和运动台D；每个三坐标运动台运动终端有一个球面副，球面副球窝部分与运动台终端固连，驱动机构与待装配部件之间通过球面副连接，其特征在于：

采用一种模块化的三坐标运动台，该运动台三个运动方向互相垂直，根据机构姿态调整要求，设计运动台三个方向的运动行程，采用运动叠加的形式，使运动台终端具有三个相互垂直方向的平动自由度；

调姿机构模块化，根据待装配部件的大小及形状，确定调姿机构所包含的模块化三坐标运动台数量，为确保带装配部件受力均匀，降低调姿机构控制难度，设计调姿机构采用四点对称分布定位支撑，机构共包含十二个伺服电机；

为保证调姿机构的稳定性，设计三角立柱，每两个模块化三坐标运动台固定在一个三角立柱上，本调姿机构含有两个三角立柱，为防止带运动台的三角立柱发生倾覆，设计带有T形槽的底座以固定三角立柱。

2.根据权利要求1所述六自由度并联冗余驱动调姿机构的部件空间六自由度姿态调整方法，其特征在于：

部件空间六自由度姿态调整包括三个角度量调整和三个位置量调整，部件空间角度姿态调整采用多个直线运动拟合部件空间曲线运动，通过建立与模块化三坐标运动台运动方向平行的装配坐标系，并将其原点设置与四个球面副中间位置，采用分平面旋转的方法，使部件的角度调整运动分解为部件分别绕三个坐标轴的旋转运动，降低该并联调姿机构联动电机数，提高机构运动安全性，在部件可见区域设置四个特征点，通过标定特征点与球面副驱动点相对位置坐标及测量在装配坐标系下特征点坐标，求解部件姿态，计算部件姿态调整偏差。

3.根据权利要求2所述部件空间六自由度姿态调整方法，其特征在于：

所述部件姿态角调整步骤：

建立待装配部件零件坐标系A_o-xyz，测量在零件坐标系下部件特征点的坐标与球面副驱动点的坐标，分别记录为位置矩阵

和 $W_c=\left[\begin{array}{cccc}{x}_{c1}& x_{c2}& x_{c3}& x_{c4}\\ y_{c1}& y_{c2}& y_{c3}& y_{c4}\\ z_{c1}& z_{c3}& z_{c3}& z_{c4}\\ 1& 1& 1& 1\end{array}\right];$

建立待装配部件装配坐标系B_o-xyz，部件姿态及调姿机构各伺服电机运动量均在此坐标系下表示，装配坐标系要求其XYZ轴与模块化三坐标运动台三个运动方向分别平行，确保各特征点坐标测量量可直接用作各电机位移量计算。装配坐标系原点尽量设置于四个球面副布局中心位置，以尽可能平均部件绕装配坐标系各坐标轴旋转时各方向电机运动量；

测量部件特征点在装配坐标系下的坐标，得到位置矩阵

求解矩阵W_m到矩阵M_m的转换矩阵T，矩阵T的数学形式为：

其中，c：表示cos运算；

s：表示sin运算；

φ：表示当前零件坐标系与装配坐标系X轴之间的夹角；

表示当前零件坐标系与装配坐标系Y轴之间的夹角；

θ：表示当前零件坐标系与装配坐标系Z轴之间的夹角；

t_x，t_y，t_z：表示当前零件坐标系的原点在装配坐标系下的坐标；

部件特征点与球面副驱动点之间的相对位置关系在装配过程中不变，球面副驱动点在装配坐标系下的当前位置矩阵计算式为：M_c＝T·W_c；根据矩阵T的数学形式反解部件当前的空间位置与姿态

矩阵T可以分解为四个矩阵相乘的形式，T＝P·R_z·R_y·R_x；

其中，P：坐标平移矩阵，

R_z：绕Z轴旋转坐标变换矩阵，

R_y：绕Y轴旋转坐标变换矩阵，

R_x：绕X轴旋转坐标变换矩阵，

在计算机模型中标定部件在理论装配位置的特征点坐标，记为位置矩阵M_mo，求解出部件装配坐标系下在理论装配位置的球面副驱动点坐标，记为位置矩阵M_co；求解部件初始位置与理论装配位置的驱动点位置矩阵之间的转换矩阵T_ro，使有M_co＝T_ro·M_c；根据转换矩阵T的分解形式，可将转换矩阵T_ro分解为四个矩阵相乘，故自动化姿态调整过程可分解为部件依次绕装配坐标系X轴、Y轴、Z轴旋转后再分别沿X轴、Y轴和Z轴平移；根据绕坐标轴旋转矩阵R_x，R_y和R_z的表达形式，该自动化装配并联调姿机构在绕坐标轴旋转时其需要联动的电机数量为8，即部件绕坐标轴旋转时，模块化三坐标运动台中与该坐标轴平行的运动方向将保持静止，球面副驱动点坐标仅在两个方向上发生变化。

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