CN109352663B - 一种面向复合材料舱段的机器人自动精确定位制孔装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种面向复合材料舱段的机器人自动精确定位制孔装置及方法，末端执行器安装在关节臂机器人的末端，待加工舱段固装在装配转台上；离线控制系统发送指令至装配转台，控制装配转台带动待加工舱段转至作业位置；离线控制系统，发送指令至关节臂机器人，带动末端执行器到达初始预先指定的位置，视觉测量系统监测末端执行器的位姿，将获取的位姿信息传送至离线控制系统，由离线控制系统将获取的位姿信息与期望位姿比对，确定调姿指令发送至关节臂机器人，关节臂机器人根据调姿指令进行调姿，当末端执行器到达期望位姿后，由离线控制系统向末端执行器发送钻孔指令，末端执行器接收到钻孔指令后进行钻孔，完成钻孔作业后反馈至离线控制系统，离线控制系统发送指令控制关节臂机器人带动末端执行器退回上述预先指定的位置，完成一次作业流程。

Description

一种面向复合材料舱段的机器人自动精确定位制孔装置及 方法

技术领域

本发明涉及一种面向复合材料舱段的机器人自动精确定位制孔装置及方法，用于复合材料舱段装配时表面孔位的定位及钻制等，属于复合材料舱段装配制造技术领域。

背景技术

运载火箭等箭体舱段部件为柱形或锥形薄壁回转体结构，在舱段上需要钻制零件连接孔及预留孔。舱段上的孔位具有定位精度要求较高、数量多、分布离散等特点，目前缺乏针对性的自动钻孔装置，完全采用人工划线定位、手电钻钻孔等操作方式进行制孔作业，制孔效率低、精度差、孔质量差。为实现孔位的自动化钻制，在关节臂机器人及光学测量系统基础上，研制孔自动钻制装置及方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供一种面向复合材料舱段的机器人自动精确定位制孔装置及方法。

本发明的技术解决方案是：一种面向复合材料舱段的机器人自动精确定位制孔装置，包括关节臂机器人、视觉测量系统、装配转台、末端执行器、离线控制系统；

末端执行器安装在关节臂机器人的末端，待加工舱段固装在装配转台上；

离线控制系统发送指令至装配转台，控制装配转台带动待加工舱段转至作业位置；离线控制系统，发送指令至关节臂机器人，带动末端执行器到达初始预先指定的位置，视觉测量系统监测末端执行器的位姿，将获取的位姿信息传送至离线控制系统，由离线控制系统将获取的位姿信息与期望位姿比对，确定调姿指令发送至关节臂机器人，关节臂机器人根据调姿指令进行调资，当末端执行器到达期望位姿后，由离线控制系统向末端执行器发送钻孔指令，末端执行器接收到钻孔指令后进行钻孔，完成钻孔作业后反馈至离线控制系统，离线控制系统发送指令控制关节臂机器人带动末端执行器退回上述预先指定的位置，完成一次作业流程。

进一步的，离线控制系统每次作业控制前根据实际数模中产品待加工孔位置信息，产品表面分布的网格筋条带来的工艺约束、空间开敞性约束、避障空间要求加工路径规划原则，进行机器人初始任务规划，使关节臂机器人带动末端执行器快速到达预先指定的位置。

进一步的，通过在DELMIA进行关节臂机器人运动路径仿真，确定满足约束的运动路径，离线控制系统根据上述确定的运动路径，发送指令至关节臂机器人，使之到达初始预先指定的位置。

进一步的，所述视觉测量系统选用C-Track双目视觉测量系统。

进一步的，所述的离线编程控制系统分为两层，包括上位集中控制层和下位运动控制层；

所述的上位集中控制层分为人机交互层、数据处理层以及通讯层，层与层之间通过消息机制进行关联；其中，通讯层起到承上启下的过渡作用，实现上位集中控制层和下位运动控制层的交互；

数据处理层根据孔位设计信息生成孔加工工艺信息并发送至下位运动控制层；通过通讯层接收视觉测量系统发送的位姿信息，确定机器人关节空间角度矢量，将该角度矢量发送至下位运动控制层；

下位运动控制层将接收到的信息转换成NC代码，根据NC代码生成对应的执行指令并发送至关节臂机器人或者末端执行器；上述生成的NC代码发送至人机交互层；

人机交互层负责对NC代码的操作显示、机器人运行参数的设定和状态显示、末端执行器的状态显示。

进一步的，离线控制系统通过下述方式控制关节臂机器人使得末端执行器到达期望位姿：

第一步，全局位置坐标标定：将测量坐标系、机器人坐标系、末端执行器坐标系统一标定至舱段坐标系；

第二步，从产品数模中获取待加工孔位置信息，根据待加工孔位置信息确定当前期望位姿B；

第三步，接收视觉测量系统测量的当前末端执行器实际位姿A；

第四步，将实际位姿A与期望位姿B进行比对，解算B＝XA矩阵方程得到位姿差异信息X；

第五步，通过机器人运动学模型建立误差映射，将笛卡尔空间位姿差异信息X转化为机器人关节空间角度矢量，通过控制机器人轴运动补偿误差，实现末端执行器位姿精度修正，到达上述期望位姿B。

进一步的，测量坐标系指视觉测量系统本身的测量坐标系，用于表征测量空间内特征相对于视觉测量系统的位姿；机器人坐标系指关节臂机器人基座固连坐标系，用于描述机器人关节空间角度矢量；末端执行器坐标系指固连于末端执行器的局部坐标系，用于表征末端执行器与待加工孔位的相对位姿；舱段坐标系指产品数模设计坐标系，用于获取待加工孔位理论信息；

进一步的，通过下述方式实现第一步中坐标系的标定：

首先构建坐标转换矩阵：

R＝(I+S)(I-S)^-1 (1)

反对称矩阵

然后，将公共点在不同坐标系下的三坐标值重心化处理后得到坐标解算方程

其中

是公共点目标值重心化后的坐标，

是公共点原始值重心化后的坐标；

将3个以上公共点坐标代入式(3)中，得到

其中A_3N×3为公共点目标值构成的系数矩阵，B_3N×1为公共点原始值构成的系数矩阵，令x_i＝A[i][0]，y_i＝A[i][1]，z_i＝A[i][2]，f_i＝B[i]，构造误差函数Δ＝ax_i+by_i+cz_i-f_i，根据多变量线性模型的最小二乘原理得三元一次方程组

求解a，b，c值后代入式(2)即可得到坐标系转换矩阵R，从而实现不同坐标系两两之间的坐标转换，进而实现全局位置坐标标定。

一种机器人自动精确定位制孔方法，步骤如下：

第一步，人工将舱段固定在装配转台上，并通过安装在装配转台上的零点定位系统确定舱段与装配转台相对位置；

第二步，将机器人坐标系、末端执行器坐标系、测量坐标系全部统一到舱体坐标系，从而实现全局坐标标定；

第三步，离线控制系统读取孔位设计信息，根据待加工孔的位置、孔径、孔深度、材料信息，并结合加工工艺数据库，生成孔加工工艺信息，并进一步得到末端执行器对应的孔位加工执行指令；

第四步，离线控制系统根据孔位置信息，结合设定的公差允值、表面筋条带来的工艺约束、空间开敞性约束、避障空间要求规划机器人初始路径，并指导机器人迅速到达初始预先指定的位置；

第五步，通过视觉测量系统测量末端执行器实际位姿，离线控制系统根据上述实际位姿与期望位姿比对获得末端执行器位姿调整信息，转化为机器人关节运动指令，精确控制末端执行器到达期望位姿；

第六步，末端执行器执行孔位加工执行指令，完成一次孔位加工作业。

进一步的，全局坐标的标定通过下述方式实现：

首先构建坐标转换矩阵：

R＝(I+S)(I-S)^-1 (1)

反对称矩阵

然后，将公共点在不同坐标系下的三坐标值重心化处理后得到坐标解算方程

其中

是公共点目标值重心化后的坐标，

是公共点原始值重心化后的坐标；

将3个以上公共点坐标代入式(3)中，得到

其中A_3N×3为公共点目标值构成的系数矩阵，B_3N×1为公共点原始值构成的系数矩阵，令x_i＝A[i][0]，y_i＝A[i][1]，z_i＝A[i][2]，f_i＝B[i]，构造误差函数Δ＝ax_i+by_i+cz_i-f_i，根据多变量线性模型的最小二乘原理得三元一次方程组

求解a，b，c值后代入式(2)即可得到坐标系转换矩阵R，从而实现不同坐标系两两之间的坐标转换，进而实现全局位置坐标标定。

本发明与现有技术相比有益效果为：

该发明能够实现复合材料舱段表面孔位的自动加工，定位精度高、速度快，可适应一定直径范围的舱段、一定规格范围的孔的钻制；采用装配转台与机器人结合方式，在逻辑层面将舱段划分为数个象限区域，机器人运动范围只需要限定在一个象限区域内，每执行完一个象限区域内的钻孔内容后，装配转台旋转一定角度，进行下一个象限区域钻孔作业，从而实现大数量、离散化分布孔位的高效钻制；使用视觉测量系统结合PID控制器实现机器人反馈控制，对机器人运动不确定性进行有效补偿，提高末端执行器定位精度；变换矩阵的计算方法可以有效避免普通旋转矩阵可能存在的奇异问题，且标定精度较高；离线控制系统平台搭建基于CAA语言对DELMIA二次开发，实现设计信息与工艺信息的深度集成；采用分层化模式设计，将离线控制系统分为上位集中控制层和下位运动控制层，使整个系统网络组态清晰、结构合理，保证系统有序稳定运行。

附图说明

图1为本发明一种面向复合材料舱段的机器人自动精确定位制孔装置示意图；

图2为本发明离线控制系统软件组态。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明作详细说明。

一种面向复合材料舱段的机器人自动精确定位制孔装置及方法，包括关节臂机器人、视觉测量系统、装配转台、末端执行器、离线控制系统。末端执行器4安装在关节臂机器人1的末端，待加工舱段固装在装配转台3上；

离线控制系统5发送指令至装配转台，控制装配转台带动待加工舱段转至作业位置；离线控制系统5，发送指令至关节臂机器人1，带动末端执行器4 到达初始预先指定的位置，视觉测量系统2监测末端执行器4的位姿，将获取的位姿信息传送至离线控制系统5，由离线控制系统将获取的位姿信息与期望位姿比对，确定调姿指令发送至关节臂机器人1，关节臂机器人1根据调姿指令进行调资，当末端执行器4到达期望位姿后，由离线控制系统5向末端执行器4发送钻孔指令，末端执行器接收到钻孔指令后进行钻孔，完成钻孔作业后反馈至离线控制系统5，离线控制系统5发送指令控制关节臂机器人带动末端执行器退回上述预先指定的位置，完成一次作业流程。

上述关节臂机器人选用标准六轴工业机器人，机器人底盘固定在立式支架顶部，立式支架位于所述装配转台侧边，机器人末端安装所述末端执行器。视觉测量系统选用C-Track双目视觉测量系统，安装在所述关节臂机器人末端。

装配转台包括环形工作台、底座、传动部分和零点定位系统，传动部分主要包含伺服电机、减速器、滚轮齿圈和圆弧导轨，台面上设置4组零点定位系统，舱段与转台通过象限位置定位块上的定位销孔进行定位。

末端执行器包括压力脚模块、法向测量模块、基准孔找正模块、制孔模块、孔径及窝深精度在线检测模块、吸尘模块和控制元器件等组成，可以实现法向找正、基准孔找正、制孔(钻孔、铰孔/扩孔、锪窝)、断刀检测、孔径检测、窝深检测、粉尘收集功能。本发明中末端执行器可以采用现有仪器部件，能够响应离线控制系统的孔位加工执行指令，完成一次孔加工作业，此处对现有技术相关细节不过多进行描述。

离线控制系统整体依托平台是DEMLIA、VC软件，使用CAA对DEMLIA 进行二次开发，负责读取数模上的特征信息、读取测量信息、坐标转换计算、规划机器人运动轨迹、加工过程仿真、生成加工工艺文件，通过Ethernet协议向所述关节臂机器人1、装配转台3、末端执行器4发布控制指令。具体的如图2所示，离线控制系统分为两层，包括上位集中控制层和下位运动控制层。上位层集成控制软件在整个系统中处于核心地位。主要分为人机交互层、数据处理层以及通讯层，层与层之间通过消息机制进行关联。顶部人机交互层负责对NC代码的一系列操作、机器人运行参数的设定和状态显示、末端加工系统的状态显示。

数据处理层根据孔位设计信息生成孔加工工艺信息并发送至下位运动控制层；通过通讯层接收视觉测量系统发送的位姿信息，确定机器人关节空间角度矢量，将该角度矢量发送至下位运动控制层；

通讯层起到承上启下的过渡作用，实现上位集中控制层和下位运动控制层的交互，利用基于EtherCAT协议的信息传输方式向关节臂机器人发送相应的控制指令。利用基于Ethernet协议的信息传输方式将视觉测量系统获取的位姿信息发送至数据处理层；将关节臂机器人反馈的机器人坐标系信息、速度信息传输至人机交互层。

下位运动控制层将接收到的信息转换成NC代码，根据NC代码生成对应的执行指令并发送至关节臂机器人或者末端执行器；上述生成的NC代码发送至人机交互层；如图2所示，下位运动控制层主要分为两层，包括电气运动层与机器人运动控制层。机器人运动控制层由机器人控制系统中自带的底层控制软件进行管理规划，通过KRL控制环境下的CELL程序和子功能程序，实现机器人坐标系设定、运行速度设定、走位运动等功能的外部自动控制；制孔设备接受上位层发送的信息经过自带的控制系统解析分发，实现电压、延时等参数信息的传输与反馈。此处为机器人领域公知的技术，此处不过多进行说明。

上述数据处理层控制关节臂机器人，使的末端执行器到达期望位姿通过下述方式实现：

第一步，全局位置坐标标定：将测量坐标系、机器人坐标系、末端执行器坐标系统一标定至舱段坐标系；

测量坐标系指视觉测量系统本身的测量坐标系，用于表征测量空间内特征相对于视觉测量系统的位姿；机器人坐标系指关节臂机器人基座固连坐标系，用于描述机器人关节空间角度矢量；末端执行器坐标系指固连于末端执行器的局部坐标系，用于表征末端执行器与待加工孔位的相对位姿；舱段坐标系指产品数模设计坐标系，用于获取待加工孔位理论信息；

第二步，从产品数模中获取待加工孔位置信息，根据待加工孔位置信息确定当前期望位姿B；

第三步，接收视觉测量系统测量的当前末端执行器实际位姿A；

第四步，将实际位姿A与期望位姿B进行比对，解算B＝XA矩阵方程得到位姿差异信息X；

第五步，通过机器人运动学模型建立误差映射，将笛卡尔空间位姿差异信息X转化为机器人关节空间角度矢量，通过控制机器人轴运动补偿误差，实现末端执行器位姿精度修正，到达上述期望位姿B。

上述第一步中涉及到的坐标系为刚性坐标系，通过下述转换过程在变换过程中不存在错切、缩放变换：

设反对称矩阵

令坐标转换矩阵

R＝(I+S)(I-S)^-1 (1)

将公共点在不同坐标系下的三坐标值重心化处理后得到坐标解算方程

其中

是公共点目标值重心化后的坐标，

是公共点原始值重心化后的坐标。将3个以上公共点坐标代入式(3)中，得到

其中A_3N×3为公共点目标值构成的系数矩阵，B_3N×1为公共点原始值构成的系数矩阵，令x_i＝A[i][0]，y_i＝A[i][1]，z_i＝A[i][2]，f_i＝B[i]，构造误差函数Δ＝ax_i+by_i+cz_i-f_i，根据多变量线性模型的最小二乘原理得三元一次方程组

求解a，b，c值后代入式(2)即可得到坐标系转换矩阵R，从而实现不同坐标系两两之间的坐标转换，进而实现全局坐标系的统一。

一种机器人自动精确定位制孔方法，步骤如下：

第一步，人工将舱段固定在装配转台上，并通过安装在装配转台上的零点定位系统确定舱段与装配转台相对位置；

第二步，将机器人坐标系、末端执行器坐标系、测量坐标系全部统一到舱体坐标系，从而实现全局坐标标定；

第三步，离线控制系统读取孔位设计信息，根据待加工孔的位置、孔径、孔深度、材料信息，并结合加工工艺数据库，生成孔加工工艺信息，并进一步得到末端执行器对应的孔位加工执行指令；

第四步，离线控制系统根据孔位置信息，结合设定的公差允值、表面筋条带来的工艺约束、空间开敞性约束、避障空间要求规划机器人初始路径，并指导机器人迅速到达初始预先指定的位置；

第五步，通过视觉测量系统测量末端执行器实际位姿，离线控制系统根据上述实际位姿与期望位姿比对获得末端执行器位姿调整信息，转化为机器人关节运动指令，精确控制机器人末端到达期望位姿；

第六步，末端执行器执行孔位加工执行指令，完成一次孔位加工作业。

方法中与装置相同的技术细节参照上述装置中的相关描述。本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种面向复合材料舱段的机器人自动精确定位制孔装置，其特征在于：包括关节臂机器人(1)、视觉测量系统(2)、装配转台(3)、末端执行器(4)、离线控制系统(5)；

末端执行器(4)安装在关节臂机器人(1)的末端，待加工舱段固装在装配转台(3)上；

离线控制系统(5)发送指令至装配转台，控制装配转台带动待加工舱段转至作业位置；离线控制系统(5)，发送指令至关节臂机器人(1)，带动末端执行器(4)到达初始预先指定的位置，视觉测量系统(2)监测末端执行器(4)的位姿，将获取的位姿信息传送至离线控制系统(5)，由离线控制系统将获取的位姿信息与期望位姿比对，确定调姿指令发送至关节臂机器人(1)，关节臂机器人(1)根据调姿指令进行调姿，当末端执行器(4)到达期望位姿后，由离线控制系统(5)向末端执行器(4)发送钻孔指令，末端执行器接收到钻孔指令后进行钻孔，完成钻孔作业后反馈至离线控制系统(5)，离线控制系统(5)发送指令控制关节臂机器人带动末端执行器退回上述预先指定的位置，完成一次作业流程；

离线控制系统(5)通过下述方式控制关节臂机器人使得末端执行器到达期望位姿：

第一步，全局位置坐标标定：将测量坐标系、机器人坐标系、末端执行器坐标系统一标定至舱段坐标系；所述的测量坐标系指视觉测量系统本身的测量坐标系，用于表征测量空间内特征相对于视觉测量系统的位姿；机器人坐标系指关节臂机器人基座固连坐标系，用于描述机器人关节空间角度矢量；末端执行器坐标系指固连于末端执行器的局部坐标系，用于表征末端执行器与待加工孔位的相对位姿；舱段坐标系指产品数模设计坐标系，用于获取待加工孔位理论信息；

第二步，从产品数模中获取待加工孔位置信息，根据待加工孔位置信息确定当前期望位姿B；

第三步，接收视觉测量系统测量的当前末端执行器实际位姿A；

第四步，将实际位姿A与期望位姿B进行比对，解算B＝XA矩阵方程得到位姿差异信息X；

第五步，通过机器人运动学模型建立误差映射，将笛卡尔空间位姿差异信息X转化为机器人关节空间角度矢量，通过控制机器人轴运动补偿误差，实现末端执行器位姿精度修正，到达上述期望位姿B；

通过下述方式实现第一步中坐标系的标定：

首先构建坐标转换矩阵：

R＝(I+S)(I-S)^-1 (1)

反对称矩阵

然后，将公共点在不同坐标系下的三坐标值重心化处理后得到坐标解算方程

其中

是公共点目标值重心化后的坐标，

是公共点原始值重心化后的坐标；

将3个以上公共点坐标代入式(3)中，得到

其中A_3N×3为公共点目标值构成的系数矩阵，B_3N×1为公共点原始值构成的系数矩阵，令x_i＝A[i][0]，y_i＝A[i][1]，z_i＝A[i][2]，f_i＝B[i]，构造误差函数Δ＝ax_i+by_i+cz_i-f_i，根据多变量线性模型的最小二乘原理得三元一次方程组

求解a，b，c值后代入式(2)即可得到坐标系转换矩阵R，从而实现不同坐标系两两之间的坐标转换，进而实现全局位置坐标标定。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：离线控制系统每次作业控制前根据实际数模中产品待加工孔位置信息，产品表面分布的网格筋条带来的工艺约束、空间开敞性约束、避障空间要求加工路径规划原则，进行机器人初始任务规划，使关节臂机器人带动末端执行器快速到达预先指定的位置。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：通过在DELMIA进行关节臂机器人运动路径仿真，确定满足约束的运动路径，离线控制系统根据上述确定的运动路径，发送指令至关节臂机器人，使之到达初始预先指定的位置。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述视觉测量系统(2)选用C-Track双目视觉测量系统。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述的离线控制系统分为两层，包括上位集中控制层和下位运动控制层；

所述的上位集中控制层分为人机交互层、数据处理层以及通讯层，层与层之间通过消息机制进行关联；其中，通讯层起到承上启下的过渡作用，实现上位集中控制层和下位运动控制层的交互；

数据处理层根据孔位设计信息生成孔加工工艺信息并发送至下位运动控制层；通过通讯层接收视觉测量系统发送的位姿信息，确定机器人关节空间角度矢量，将该角度矢量发送至下位运动控制层；

下位运动控制层将接收到的信息转换成NC代码，根据NC代码生成对应的执行指令并发送至关节臂机器人或者末端执行器；上述生成的NC代码发送至人机交互层；

人机交互层负责对NC代码的操作显示、机器人运行参数的设定和状态显示、末端执行器的状态显示。

6.一种根据权利要求1所述的机器人自动精确定位制孔装置的制孔方法，其特征在于步骤如下：

第一步，人工将舱段固定在装配转台上，并通过安装在装配转台上的零点定位系统确定舱段与装配转台相对位置；

第二步，将机器人坐标系、末端执行器坐标系、测量坐标系全部统一到舱体坐标系，从而实现全局坐标标定；

第三步，离线控制系统读取孔位设计信息，根据待加工孔的位置、孔径、孔深度、材料信息，并结合加工工艺数据库，生成孔加工工艺信息，并进一步得到末端执行器对应的孔位加工执行指令；

第四步，离线控制系统根据孔位置信息，结合设定的公差允值、表面筋条带来的工艺约束、空间开敞性约束、避障空间要求规划机器人初始路径，并指导机器人迅速到达初始预先指定的位置；

第五步，通过视觉测量系统测量末端执行器实际位姿，离线控制系统根据上述实际位姿与期望位姿比对获得末端执行器位姿调整信息，转化为机器人关节运动指令，精确控制末端执行器到达期望位姿；

第六步，末端执行器执行孔位加工执行指令，完成一次孔位加工作业；

全局坐标的标定通过下述方式实现：

首先构建坐标转换矩阵：

R＝(I+S)(I-S)^-1 (1)

反对称矩阵

然后，将公共点在不同坐标系下的三坐标值重心化处理后得到坐标解算方程

其中

是公共点目标值重心化后的坐标，

是公共点原始值重心化后的坐标；

将3个以上公共点坐标代入式(3)中，得到

其中A_3N×3为公共点目标值构成的系数矩阵，B_3N×1为公共点原始值构成的系数矩阵，令x_i＝A[i][0]，y_i＝A[i][1]，z_i＝A[i][2]，f_i＝B[i]，构造误差函数Δ＝ax_i+by_i+cz_i-f_i，根据多变量线性模型的最小二乘原理得三元一次方程组

求解a，b，c值后代入式(2)即可得到坐标系转换矩阵R，从而实现不同坐标系两两之间的坐标转换，进而实现全局位置坐标标定。

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