CN102284956B - 一种自动钻铆机器人的法向找正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动钻铆机器人的法向找正方法，属于机器人法向精度控制领域。该方法所使用的装置包括四个激光位移传感器、模拟量输入模块以及计算机，四个激光位移传感器安装在机器人的末端执行器上，并通过输入模块连接计算机，计算机连接机器人控制器。该方法首先建立机器人坐标系，并在机器人末端执行器上建立工具坐标系，获取机器人到达TCP时的坐标，然后测量传感器与目标表面之间的距离，计算出机器人目标姿态相对于当前姿态的偏差角，最后计算出机器人应调整到的目标姿态，将该姿态传输给机器人控制器完成法向找正。本发明方法所需的原始信息少且易于获取，能够快速、准确地实现机器人姿态找正。

Description

一种自动钻铆机器人的法向找正方法

技术领域

本发明涉及一种机器人控制方法，尤其涉及一种自动钻铆机器人的法向找正控制方法，属于机器人法向精度控制领域。

背景技术

在航空航天制造领域，飞机柔性装配技术的应用已经成为国内外飞机制造业数字化制造的主流发展趋势。由于目前飞机结构件装配过程中以机械连接为主，机械连接带来了大量制孔问题，为了满足飞机长寿命要求就必须解决精密制孔技术难题，因此机器人精密制孔技术成为飞机柔性装配技术的一个重要应用和研究方向。

国外关于机器人自动制孔技术的研究和应用已相当成熟：美国Electroimpact公司与英国空客公司联合设计了一套机器人自动钻削系统(O.N.C.E)，主要用于波音F/A-18E/F的机翼后缘襟翼的钻孔和锪孔；美国EOA公司与波音公司联合研制了一种机器人多功能钻削系统(EOA)，可完成对钛合金、铝合金、复合材料以及叠层等飞机蒙皮的钻孔、锪孔和铰孔工作；瑞典Novator公司根据Orbital钻头专利技术开发了一套机器人多功能钻削系统(OrbitalE-D100)；洛克希德·马丁公司F-35飞机碳纤维环氧复合材料机翼上壁板制孔用的大型龙门式钻孔系统(JGADS)代表了机器人制孔技术最前沿应用的方向。国内飞机装配领域与航空技术先进国家相比尚存在较大差距，对机器人精密制孔的研究处于起步阶段，因此需要大力发展以满足新一代飞机的研制与生产需求。

在机器人自动制孔过程中，由于机器人本身的定位误差、型架制造与安装误差、产品加工装配误差以及机翼空间姿态动态变化等因素的影响，导致蒙皮表面待加工点外法矢量方向与刀具轴线方向存在一定夹角。若此夹角过大，必将直接影响工件加工精度和装配可靠性，同时降低刀具的使用寿命，因此在飞机部件装配钻孔(铆接孔)加工前，提高钻铆的垂直精度就显得尤为重要。文献“大型壁板数控钻铆的三点快速调平算法(秦现生，汪文旦，楼阿莉，尉藤.航空学报，2007，28(6)，1455-1460)”提出了基于机翼壁板有限曲面加工区域的三点快速调平算法。文章针对基于钻铆机和托架的数控钻铆系统，采用以机翼表面待钻铆点附近三点坐标表征铆接区域空间姿态的方法，通过钻铆系统的几何结构模型所确定的坐标变化矩阵，逆解出调平所需的各运动副位移增量。该方法有效地降低了机翼表面待钻铆区域的外法矢量与钻铆机加工轴线之间的偏差，基本实现钻铆垂直精度在0.5°的范围内，但由于该方法是通过调整工件姿态来适应钻铆机的加工轴线方向，对于大型机翼壁板操作困难，实现过程较复杂。

发明内容

本发明为满足自动钻铆过程中对垂直精度的要求，针对现有技术存在的不足，而提出一种基于激光位移传感器的自动钻铆机器人法向找正方法。

该方法所使用的装置包括四个激光位移传感器、模拟量输入模块以及计算机，四个激光位移传感器安装在机器人的末端执行器上，机器人的目标点位于四个激光位移传感器射出的四束激光的光点在目标表面上所形成的四边形内部，四个激光位移传感器通过模拟量输入模块连接计算机，计算机连接机器人控制器；

该方法包括如下步骤：

步骤1：将机器人定位到预定的姿态和位置上，在机器人的末端执行器上建立工具坐标系，获取TCP在机器人坐标系中的位置以及机器人的空间姿态，TCP即工具坐标系中心点；

步骤2：测量四个激光位移传感器与目标表面的距离，将测得的四个距离信息通过模拟量输入模块传输到计算机中；

步骤3：计算机器人由当前姿态变换到目标姿态时工具坐标系的旋转矩阵；

步骤4：在机器人坐标系中计算出机器人的目标姿态；

步骤5：将该目标姿态值传输给机器人控制器，控制机器人完成法向找正。

本发明具有如下技术效果：

(1)满足机器人自动钻铆技术中加工垂直精度在0.5°范围内的要求；

(2)应用于机器人自动钻铆系统中对工装的柔性度要求较低；

(3)所需原始信息少且易于获取，能够快速、准确地实现机器人姿态找正；

(4)可直接输出机器人应调整到的目标姿态，便于机器人的姿态调整控制。

附图说明

图1为本发明的法向找正几何模型示意图，图中：i为机器人坐标系；ii为工具坐标系；iii为待钻铆目标表面。

图2为本发明中机器人法向检测平面投影示意图。

具体实施方式

本发明方法所使用的装置由四个非接触式激光位移传感器、模拟量输入模块以及计算机构成。机器人坐标系为O-XYZ，工具坐标系T-XYZ建立在机器人的末端执行器上。如图1所示，设工具坐标系中心点(TCP)为T点，四个激光位移传感器在工具坐标系XTY平面内的安装点分别为P₁、P₂、P₃、P₄，安装尺寸应满足

(l即安装尺寸)且

分别为工具坐标系X轴和Y轴正方向，四个激光传感器等分安装在机器人末端执行器上以刀具轴线为中心轴的圆柱面上，且均与刀具轴线成45°夹角，这样可使得打到目标表面的四条激光束在不交叉的前提下又能够足够靠拢，即四束激光在目标表面形成的区域尽可能小，以提高法向找正的精度。机器人的目标点(待钻铆点)位于四束激光在目标表面上的光点所形成的四边形内部，将四个激光位移传感器与目标表面的距离作为确定待钻铆点实际法向姿态的输入信息，并将该信息通过倍福模拟量输入模块传输给计算机。

下面对本发明方法的步骤作进一步详细说明。

本发明方法的具体实施步骤如下：

步骤1：控制机器人按已编制好的数控程序定位到合适的姿态和位置上，在机器人末端执行器上建立工具坐标系T-XYZ，待机器人到达TCP后获取机器人当前的位姿(x，y，z，a，b，c)，采用欧拉角变换序列表示运动姿态(a、b、c为欧拉角)：

$\mathrm{Euler}=\mathrm{ROT}(z,c)\mathrm{ROT}(y,b)\mathrm{ROT}(x,a)$

$=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{cc}& -\mathrm{sc}& 0\\ \mathrm{sc}& \mathrm{cc}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{cb}& 0& \mathrm{sb}\\ 0& 1& 0\\ -\mathrm{sb}& 0& \mathrm{cb}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \mathrm{ca}& -\mathrm{sa}\\ 0& \mathrm{sa}& \mathrm{ca}\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{cccb}& \mathrm{ccsbsa}-\mathrm{scca}& \mathrm{ccsbca}+\mathrm{scsa}\\ \mathrm{sccb}& \mathrm{scsbsa}+\mathrm{ccca}& \mathrm{scsbsa}-\mathrm{ccsa}\\ -\mathrm{sb}& \mathrm{cbsa}& \mathrm{cbca}\end{array}\right]$

其中：s表示正弦；字母组奇数位的c表示余弦，如：cccb表示cos c cos b，下同；

步骤2：测量四个激光位移传感器与目标表面的距离，设四束激光在目标表面上的投影点分别为Q₁、Q₂、Q₃、Q₄，

将四个距离值h₁、h₂、h₃、h₄通过模拟量输入模块传输到计算机中；

步骤3：通过测得的四个距离信息，计算在机器人处于当前姿态和目标姿态之间工具坐标系的旋转矩阵；

在图1中，设安装在末端执行器上的刀具轴线方向为

即姿态调整前工具坐标系的Z轴方向，R点为刀具轴线在目标表面的投影点。平面Q₁Q₂Q₃Q₄的外法向量为

I为平面P₁P₂P₃P₄上的点，为目标区域的理论法矢。在工具坐标系的XTY平面内分别作直线IM、IN，使得直线IM//Y轴且与X轴交于M点，直线IN//X轴且与Y轴交于N点。然后分别作直线TI′//RI，直线TM′∥RM，直线TN′//RN，点I′、M′、N′均在平面Q₁Q₂Q₃Q₄上，

为工具坐标系Z轴的目标方向，

与

分别为

在XTZ面和YTZ面上的投影。

设θ为与TI′的夹角(当前姿态刀具轴线与目标姿态刀具轴线的夹角)，θ₁为

与

的夹角，θ₂为

与

的夹角，t₁为

与

的夹角。θ₁、θ₂即刀具轴线与目标区域的理论法矢在坐标平面XTZ和YTZ内的夹角，θ₁、θ₂和t₁均有正负，根据右手法则，面向坐标轴正向看过去，逆时针旋转为正，顺时针旋转为负。

具体步骤如下：

①求θ与θ₁、θ₂之间的关系

设I点坐标为(x₀，y₀，z₀)，根据待钻铆局部区域外法线

在工具坐标平面的投影关系，可将θ、θ₁、θ₂表示如下：

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{\sqrt{x_0^2+y_0^2}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{RT}}}$

$\tan {\mathrm{\θ}}_1=\frac{x_0}{\stackrel{\‾}{\mathrm{RT}}}$

$\tan {\mathrm{\θ}}_2=\frac{-y_0}{\stackrel{\‾}{\mathrm{RT}}}$

由上面三式可得： $\tan \mathrm{\θ}=\sqrt{{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_1+{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_2}$

$\mathrm{\θ}=\arctan \sqrt{{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_1+{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_2}$

从θ与θ₁、θ₂的关系式可看出，通过控制θ₁和θ₂即可达到控制θ的目的。

②求θ₁、θ₂与距离h₁、h₂、h₃、h₄的关系

如图2所示，根据

在工具坐标系XTZ平面内的投影关系可知：

${\mathrm{\θ}}_1=\mathrm{acr}\tan \frac{h_1-h_2}{\sqrt{2}l-(h_1+h_2)},$

同理得到 ${\mathrm{\θ}}_2=\arctan \frac{h_4-h_3}{\sqrt{2}l-(h_3+h_4)},$

于是：

$\mathrm{\θ}=\arctan \sqrt{{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_1+{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_2}=\arctan \sqrt{\frac{{(h_1-h_2)}^2}{{(\sqrt{2}l-h_1-h_2)}^2}+\frac{{(h_3-h_4)}^2}{{(\sqrt{2}l-h_3-h_4)}^2}}$

③求t₁与θ₁、θ₂的关系

由立体几何的知识可知：t₁＝arctan(cosθ₁×tanθ₂)。

④求工具坐标系补偿前后两个位置之间的旋转矩阵

设当机器人调整到目标姿态(x，y，z，a′，b′，c′)时，工具坐标系相应地旋转到T-X′Y′Z′位置。工具坐标系由初始的T-XYZ位置旋转到T-X′Y′Z′位置，可用Z-Y-X型的欧拉角来表示其旋转序列，即工具坐标系首先由T-XYZ位置绕Z轴旋转α角，再绕旋转后的Y轴旋转β角，最后绕再次旋转后的X轴旋转γ角到达T-X′Y′Z′位置，相应的旋转矩阵可表示为：

$\mathrm{Euler}(\mathrm{\α},\mathrm{\β},\mathrm{\γ})=\mathrm{Rot}(z,\mathrm{\α})\mathrm{Rot}(y,\mathrm{\β})\mathrm{Rot}(x,\mathrm{\γ})$

$=\mathrm{Rot}(z,0)\mathrm{Rot}(y,{\mathrm{\θ}}_1)\mathrm{Rot}(x,-t_1)$

$=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}c{\mathrm{\θ}}_1& 0& s{\mathrm{\θ}}_1\\ 0& 1& 0\\ -s{\mathrm{\θ}}_1& 0& c{\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& c{t}_1& {\mathrm{st}}_1\\ 0& -{\mathrm{st}}_1& {\mathrm{ct}}_1\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{ccc}c{\mathrm{\θ}}_1& -s{\mathrm{\θ}}_1{\mathrm{st}}_1& s{\mathrm{\θ}}_1{\mathrm{ct}}_1\\ 0& {\mathrm{ct}}_1& {\mathrm{st}}_1\\ -s{\mathrm{\θ}}_1& -c{\mathrm{\θ}}_{1}s{t}_1& c{\mathrm{\θ}}_{1}c{t}_1\end{array}\right]$

步骤4：在机器人坐标系中计算出机器人的目标姿态；

Euler(a′，b′，c′)＝Euler(a，b，c)·Euler(α，β，γ)

即：

$\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cc}}^{\′}{\mathrm{cb}}^{\′}& {\mathrm{cc}}^{\′}{\mathrm{sb}}^{\′}{\mathrm{sa}}^{\′}-{\mathrm{sc}}^{\′}{\mathrm{ca}}^{\′}& {\mathrm{cc}}^{\′}{\mathrm{sb}}^{\′}{\mathrm{ca}}^{\′}+{\mathrm{sc}}^{\′}{\mathrm{sa}}^{\′}\\ -{\mathrm{sc}}^{\′}{\mathrm{cb}}^{\′}& {\mathrm{sc}}^{\′}{\mathrm{sb}}^{\′}{\mathrm{sa}}^{\′}+{\mathrm{cc}}^{\′}{\mathrm{ca}}^{\′}& {\mathrm{sc}}^{\′}{\mathrm{sb}}^{\′}{\mathrm{sa}}^{\′}-{\mathrm{cc}}^{\′}{\mathrm{sa}}^{\′}\\ {\mathrm{sb}}^{\′}& {\mathrm{cb}}^{\′}{\mathrm{sa}}^{\′}& {\mathrm{cb}}^{\′}{\mathrm{ca}}^{\′}\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{cccb}& \mathrm{ccsbsa}-\mathrm{scca}& \mathrm{ccsbca}+\mathrm{scsa}\\ \mathrm{sccb}& \mathrm{scsbsa}+\mathrm{ccca}& \mathrm{scsbsa}-\mathrm{ccsa}\\ -\mathrm{sb}& \mathrm{cbsa}& \mathrm{cbsa}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}c{\mathrm{\θ}}_1& -s{\mathrm{\θ}}_1{\mathrm{st}}_1& {\mathrm{s\θ}}_1{\mathrm{ct}}_1\\ 0& {\mathrm{ct}}_1& {\mathrm{st}}_1\\ -s{\mathrm{\θ}}_1& -c{\mathrm{\θ}}_1{\mathrm{st}}_1& c{\mathrm{\θ}}_1{\mathrm{ct}}_1\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{ccc}{n}_x& o_x& a_x\\ n_y& o_y& a_y\\ n_z& o_z& a_z\end{array}\right]$

X′轴的单位方向矢量在机器人坐标系中的分量表示为n_x、n_y、n_z；Y′轴的单位方向矢量在机器人坐标系中的分量表示为o_x、o_y、o_z；Z′轴的单位方向矢量在机器人坐标系中的分量表示为a_x、a_y、a_z；

逆解得：

c′＝atan 2(n_y，n_x)

c′＝c′+180°

b′＝a tan 2(-n_z，cc′n_x+sc′n_y)

a′＝a tan 2(sc′a_x-cc′a_y，-sc′o_x+cc′o_y)

步骤5：将该目标姿态值传输给机器人控制器，控制机器人完成法向找正。

Claims (3)

1.一种自动钻铆机器人的法向找正方法，其特征在于：

该方法所使用的装置包括四个激光位移传感器、模拟量输入模块以及计算机，四个激光位移传感器安装在机器人的末端执行器上，机器人的目标点位于四个激光位移传感器射出的四束激光的光点在目标表面上所形成的四边形内部，四个激光位移传感器通过模拟量输入模块连接计算机，计算机连接机器人控制器；

该方法包括如下步骤：

步骤1：将机器人定位到预定的姿态和位置上，在机器人的末端执行器上建立工具坐标系，获取T在机器人坐标系中的位置以及机器人的空间姿态，T即工具坐标系中心点；

步骤2：测量四个激光位移传感器与目标表面的距离，将测得的四个距离信息通过模拟量输入模块传输到计算机中；

步骤3：计算机器人由当前姿态变换到目标姿态时工具坐标系的旋转矩阵；

步骤4：在机器人坐标系中计算出机器人的目标姿态；

步骤5：将该目标姿态传输给机器人控制器，控制机器人完成法向找正。

2.根据权利要求1所述的自动钻铆机器人的法向找正方法，其特征在于：所述四个激光位移传感器等分安装在机器人末端执行器上以刀具轴线为中心轴的圆柱面上。

3.根据权利要求1所述的自动钻铆机器人的法向找正方法，其特征在于：

所述步骤4中机器人的目标姿态的计算步骤为：

1）根据四个激光位移传感器测得的四个距离信息，在工具坐标系中计算刀具轴线与目标区域的理论法矢在坐标平面XTZ和YTZ内的夹角，其中T为工具坐标系中心点；

2）计算在工具坐标系内机器人的当前姿态刀具轴线方向与目标姿态刀具轴线方向的夹角；

3）根据步骤1）和2）计算所得的夹角，机器人经过两次旋转变换调整得到机器人的目标姿态。

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