CN110480291B - 一种基于6自由度工业机器人的复杂结构件精密对接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于6自由度工业机器人的复杂结构件精密对接方法，应用于航天发动机大型结构件的对接过程中，是一种可根据对接部件的在线测量结果，自动完成复杂结构件精密调姿对接的方法。该方法包括以下步骤：根据测量得到的结构件工艺特征点实际空间位置拟合虚拟轴线；根据虚拟轴线计算结构件I、II的相对位姿关系；通过调姿对接控制方法实现相对位姿关系计算值与6自由度工业机器人控制变量的匹配，并控制机器人完成结构件II的调姿定位。该方法克服了对于轮廓不规则、工艺夹持点少、标准特征点少类型的复杂结构件对接效率低、对接系统柔性差、可重构性差的问题，实现了大型复杂结构件高精度、高柔性的快速对接。

Description

一种基于6自由度工业机器人的复杂结构件精密对接方法

技术领域

本发明应用于航天发动机复杂结构件对接过程中，是一种可根据对接部件的在线测量结果，自动完成结构件的快速精密调姿对接的方法。

背景技术

在航天航空制造业中，火箭和飞机等物体的尺寸非常大，所需的加工制造和装配空间也很大，通常其主体不是整体加工，而是需要分段制造，然后再在总装环节把各个大型复杂结构件装配连接在一起。

目前航天发动机大型结构件对接主要由操作人员使用工装、标准模板、样件、量规等工具并结合工艺补偿的方式来保证结构件间的协调对接，这种对接方式基准定位困难、调节难度大、精度低、受人为因素影响大，导致制造周期长、可靠性差。常规的对接方法很难满足其对接要求，有效可行的方法是通过自动对接技术改善和优化装配方法。近年来随着我国对航天航空等高端科技领域的投入，国内航天航空企业也越来越重视对产品装配质量和装配效率的提高，引进了一批自动化调姿对接系统，以提高复杂结构件的对接精度和装配一致性，如柔性机翼壁板装配系统、机身壁板集成单元(IPAC)、大型飞机机身调姿与对接系统、舱段类部件数字化柔性对接系统等。上述对接系统多为针对某一特定产品而开发设计的设备，形式多采用塔式定位调姿机构或并联定位调姿机构等，其对接时的自动化程度以及当产品发生变化时系统的柔性和重构性都较差，难以移植应用至航天发动机大型结构件的对接过程。

6自由度工业机器人具有大负载能力、高柔性化、高成熟度、可快速异构等优势，在自动化焊接、搬运、装配、喷涂等众多工业场合得到了大量的应用，但由于复杂结构件具有批次间差异性大、部件质量大、部件轮廓不规则、工艺夹持点少、标准特征点少等特点，难以利用常规的机器人控制手段实现复杂结构件的精密对接。

发明内容

针对上述不足，本发明根据复杂结构件对接对高精度、高可靠性装备的设计要求，以解决现有对接系统测量自动化程度低、设备柔性差、可重构性差等问题为目标，提出了一种基于工艺特征点精确测量，依托6自由度工业机器人实现结构件精密调姿定位的新方法。该方法克服了现有对接技术中对于轮廓不规则、工艺夹持点少、标准特征点少类型的结构件对接效率低、对接系统柔性差、可重构性差的问题，达到复杂结构件调姿系统快速构建、调姿控制自动精确的目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于6自由度工业机器人的复杂结构件精密对接方法，包括以下步骤：

根据测量得到的结构件I、II的工艺特征点的实际空间位置拟合虚拟轴线；

根据虚拟轴线计算结构件I、II相对位姿关系；

控制6自由度工业机器人夹持结构件II并调整其位移变量，实现结构件II和结构件I的对接调姿定位。

所述结构件I为待对接结构件，所述结构件II为6自由度工业机器人夹持的调姿结构件。

所述结构件I、II的工艺特征点的选取依据为：根据工艺特征点能够拟合出结构件I、II的竖直位姿虚拟轴线、水平位姿虚拟轴线。

所述根据工艺特征点能够拟合出结构件I、II的竖直位姿虚拟轴线、水平位姿虚拟轴线，包括：

所述结构件I、II的工艺特征点A、B、C、D、E、F、G、H的空间位置坐标的结构化表达式为：

选取结构件I上A、B点拟合出表征结构件I竖直位姿的虚拟轴线L1，选取结构件II上C、D点拟合出表征结构件II竖直位姿的虚拟轴线L2，选取结构件I上E、F点拟合出表征结构件I水平位姿的虚拟轴线L3，过结构件II上H点做L2轴线的垂线拟合出表征结构件II水平位姿的虚拟轴线L4，以结构件II上G点做L2轴线的垂线拟合出表征结构件II水平位姿的虚拟轴线L5。

所述结构件I、II相对位姿关系包括：结构件II相对于结构件I的水平x位移偏差、水平y位移偏差、垂直z位移偏差、偏航角α偏差、俯仰角β偏差、滚动角γ偏差；所述偏航角α为结构件II围绕Z轴旋转的角度；所述俯仰角β为结构件II围绕Y轴旋转的角度；所述滚动角γ为结构件II围绕X轴旋转的角度。

所述结构件I、II相对位姿关系计算具体包括：

①以A点为圆心，L1指向L2的方向为X轴正方向，遵循右手坐标系原则建立全局坐标系；

②计算俯仰角β偏差、滚动角γ偏差

将任意位置状态的结构件I、II向XOZ平面投影得到L1、L2轴线在XOZ平面投影轴线L1_y、L2_y，求解俯仰角β，即计算L2_y轴线与Z轴的偏移角度；

其中，

为L1轴线向XOZ平面的投影，

为L2轴线向XOZ平面的投影，

将任意位置状态结构件I、II向YOZ平面投影得到L1、L2轴线在YOZ平面投影轴线L1_x、L2_x，求解滚动角γ，即计算L2_x轴线与Z轴的偏移角度；

其中，

为L1轴线向YOZ平面的投影，

为L2轴线向YOZ平面的投影，

③计算偏航角α偏差

经过步骤①②的调整，L1、L2轴线已调整至两条平行直线状态，将L1、L2轴线向XOY平面投影得到L1_z、L2_z，根据L4、L5分别与L3轴线的实际夹角φ₁、

求解偏航角α，即求解出最优α使调整目标夹角φ₁’、

与理论值φ、

的偏差最小；

由几何关系可知调整目标夹角φ₁’、

与偏航角α和实际夹角φ₁、

间存在以下关系：

构建如下描述函数：

则

其中，

为L4轴线向XOY平面的投影，

为L5轴线向XOY平面的投影，

为L3轴线向XOY平面的投影，

④求解水平位移偏差px、py

水平位移偏差px、py是由XOY平面内轴线L1、L2的距离R以及轴线L1、L2投影点L1_z、L2_z连线与轴线L3之间的理论夹角λ确定的：

px＝R·sinλ-|L1_zL2_z|·sinλ′ (7)

py＝R·cosλ-|L1_zL2_z|·cosλ′ (8)

其中，

为L1_z L2_z直线向XOY平面的投影，

⑤求解垂直位移pz

垂直位移pz是由L4、L5轴线在z轴方向上分别与L3轴线的高度差H₂、H₁确定的，即求解出最优pz调整量使得调整目标值H₁’,H₂’与理论值H₁,H₂的偏差最小，构建如下描述函数；

minf(pz)＝min[(H₁-H₁'+pz)²+(H₂-H₂'+pz)²] (10)

则

其中，H'₁＝ez-gz，H'₂＝fz-hz。

所述控制6自由度工业机器人夹持结构件II并调整其位移变量，实现结构件II和结构件I的对接调姿定位包括：

选取结构件II的特征点C点作为机器人动态坐标原点；将对接部件位姿的水平x位移偏差、水平y位移偏差、垂直z位移偏差、偏航角α偏差、俯仰角β偏差、滚动角γ偏差分别作为机器人位移控制变量的输入参数；控制机器人夹持结构件II并调整其位移实现对接调姿。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明采用数字化测量方法对对接基准点进行测量，实现了复杂结构件设计原理级的位姿测量和计算，大大提高了对接方法的科学性。

2.本发明所设计的对接设备，采用6自由度工业机器人和仿形夹爪，大大提升了高精度、高柔性复杂结构件对接装备研制的快速性以及系统重构的便捷性和经济性。

3.本发明所提出的调姿控制方法，具有计算便捷、通用性强的优点，可应用于采用不同品牌6自由度工业机器人的对接系统。

4.本发明所设计的调姿对接方法具有良好的通用性和可移植性，可应用于不同领域不同类型大型复杂结构的对接过程。

附图说明

图1为本发明复杂结构件对接系统简图；

图2为本发明结构件的特征点及虚拟轴线图示；

图3为本发明俯仰角β偏差计算图示

图4为本发明滚动角γ偏差计算图示；

图5为本发明偏航角α偏差计算图示；

图6为本发明水平位移偏差px、py计算图示。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。

如图1所示，复杂结构件对接系统包括：6自由度工业机器人、大型结构件I、大型结构件II，其中6自由度工业机器人用于带动结构件II进行位姿的调整。

基于高测量一致性、优测量可达性原则，选取复杂铸造结构件上处于显性位置的法兰盘、光滑圆柱体等机械加工部位作为测量的工艺特征点，或者称为基准点。特征点分别为：位于部件I底部边沿中心的A点，位于部件I中上部光滑圆柱段中心的B点，位于部件I光滑圆柱段两侧的E点和F点，位于部件II中下部光滑圆柱段中心的C点，位于部件II中上部光滑圆柱段中心的D点，位于部件II下部的法兰中心G点，位于部件II中部的法兰中心H点。

方法步骤如下：

1.如图2所示，测量复杂结构件I、II(所述结构件I为待对接结构件，所述结构件II为6自由度工业机器人夹持的调姿结构件)的工艺特征点A、B、C、D、E、F、G、H，获取空间位置坐标并以结构化数据形式保存：

其中，ax为A点在X方向的空间位置，ay为A点在Y方向的空间位置，az为A点在Z方向的空间位置，同样定义B、C、D、E、F、G、H点在x、y、z方向的空间位置。

2.如图5所示，为清晰表达对接部件I、II的相对位姿关系，选取结构件I上A、B点拟合出表征结构件I竖直位姿的虚拟轴线L1，选取结构件II上C、D点拟合出表征结构件II竖直位姿的虚拟轴线L2，选取结构件I上E、F点拟合出表征结构件I水平位姿的虚拟轴线L3，过结构件II上H点做L2轴线的垂线拟合出表征结构件II水平位姿的虚拟轴线L4，以结构件II上G点做L2轴线的垂线拟合出表征结构件II水平位姿的虚拟轴线L5。

3.基于L1、L2、L3、L4、L5轴线求解两部件间俯仰角β偏差、滚动角γ偏差、偏航角α偏差(参照飞行器姿态角描述对接部件姿态，即俯仰角β为部件(结构件II)围绕Y轴旋转的角度、滚动角γ为部件(结构件II)围绕X轴旋转的角度、偏航角α为部件(结构件II)围绕Z轴旋转的角度)以及部件(结构件II)水平x位移偏差、水平y位移偏差、垂直z位移偏差，其计算是根据如下方法得到的。

①建立全局坐标系

以A点为圆心，L1指向L2的方向为X轴正方向，遵循右手坐标系原则建立全局坐标系。

②计算俯仰角β偏差、滚动角γ偏差

如图3所示，将任意位置状态的结构件I、II向XOZ平面投影得到L1、L2轴线在XOZ平面投影轴线L1_y、L2_y，求解俯仰角β，即计算L2_y轴线与Z轴的偏移角度。

如图4所示，将任意位置状态结构件I、II向YOZ平面投影得到L1、L2轴线在YOZ平面投影轴线L1_x、L2_x，求解滚动角γ，即计算L2_x轴线与Z轴的偏移角度。

其中，

为L1轴线向XOZ平面的投影，

为L2轴线向XOZ平面的投影，

其中，

为L1轴线向YOZ平面的投影，

为L2轴线向YOZ平面的投影，

③计算偏航角α偏差

经过步骤①②的调整，L1、L2轴线已调整至两条平行直线状态，如图5所示，将L1、L2轴线向XOY平面投影得到L1_z、L2_z，根据L4、L5分别与L3轴线的实际夹角φ₁、

求解偏航角α，即求解出最优α使调整目标夹角φ₁’、

与理论值φ、

的偏差最小。

由几何关系可知调整目标夹角φ₁’、

与偏航角α和实际夹角φ₁、

间存在以下关系：

构建如下描述函数，求解偏航角α：

则

其中，

为L4轴线向XOY平面的投影，

为L5轴线向XOY平面的投影，

为L3轴线向XOY平面的投影，

④求解水平位移偏差px、py

如图6所示，水平位移偏差px、py是由XOY平面内轴线L1、L2的距离R以及轴线L1、L2投影点L1_z、L2_z连线与轴线L3之间的理论夹角λ确定。

px＝R·sinλ-|L1_zL2_z|·sinλ′ (7)

py＝R·cosλ-|L1_zL2_z|·cosλ′ (8)

其中，

为L1_z L2_z直线向XOY平面的投影，

⑤求解垂直位移pz

如图2所示，垂直位移pz是由L4、L5轴线在z轴方向上分别与L3轴线的高度差H₂、H₁确定的，即求解出最优pz调整量使得调整目标值H₁’,H₂’与理论值H₁,H₂的偏差最小，构建如下描述函数，求解垂直位移pz。

minf(pz)＝min[(H₁-H₁'+pz)²+(H₂-H₂'+pz)²] (10)

则

其中H'₁＝ez-gz，H'₂＝fz-hz。

4.以大型结构件II作为调姿部件，并选取部件II上c点作为机器人TCP(ToolCenter Point，工具中心点)控制点，实现了对接部件位姿计算结果(水平x位移偏差px、水平y位移偏差py、垂直z位移偏差pz、偏航角α偏差、俯仰角β偏差、滚动角γ偏差)与机器人控制变量(x、y、z、A、B、C)的一一对应，并采用先旋转(偏航角α、俯仰角β、滚动角γ调整)后平移(水平x位移px、水平y位移py、垂直z位移pz调整)调姿步骤，最终完成大型结构件的对接过程。

Claims (3)

1.一种基于6自由度工业机器人的复杂结构件精密对接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据测量得到的结构件I、II的工艺特征点的实际空间位置拟合虚拟轴线；

所述结构件I、II的工艺特征点的选取依据为：根据工艺特征点能够拟合出结构件I、II的竖直位姿虚拟轴线、水平位姿虚拟轴线；

所述根据工艺特征点能够拟合出结构件I、II的竖直位姿虚拟轴线、水平位姿虚拟轴线，包括：

所述结构件I、II的工艺特征点A、B、C、D、E、F、G、H的空间位置坐标的结构化表达式为：

选取结构件I上A、B点拟合出表征结构件I竖直位姿的虚拟轴线L1，选取结构件II上C、D点拟合出表征结构件II竖直位姿的虚拟轴线L2，选取结构件I上E、F点拟合出表征结构件I水平位姿的虚拟轴线L3，过结构件II上H点做L2轴线的垂线拟合出表征结构件II水平位姿的虚拟轴线L4，以结构件II上G点做L2轴线的垂线拟合出表征结构件II水平位姿的虚拟轴线L5；

步骤2：根据虚拟轴线计算结构件I、II相对位姿关系；

所述结构件I、II相对位姿关系包括：结构件II相对于结构件I的水平x位移偏差、水平y位移偏差、垂直z位移偏差、偏航角α偏差、俯仰角β偏差、滚动角γ偏差；所述偏航角α为结构件II围绕Z轴旋转的角度；所述俯仰角β为结构件II围绕Y轴旋转的角度；所述滚动角γ为结构件II围绕X轴旋转的角度；

所述结构件I、II相对位姿关系计算具体包括：

①以A点为圆心，L1指向L2的方向为X轴正方向，遵循右手坐标系原则建立全局坐标系；

②计算俯仰角β偏差、滚动角γ偏差

将任意位置状态的结构件I、II向XOZ平面投影得到L1、L2轴线在XOZ平面投影轴线L1_y、L2_y，求解俯仰角β，即计算L2_y轴线与Z轴的偏移角度；

其中，

为L1轴线向XOZ平面的投影，

为L2轴线向XOZ平面的投影，

将任意位置状态结构件I、II向YOZ平面投影得到L1、L2轴线在YOZ平面投影轴线L1_x、L2_x，求解滚动角γ，即计算L2_x轴线与Z轴的偏移角度；

其中，

为L1轴线向YOZ平面的投影，

为L2轴线向YOZ平面的投影，

③计算偏航角α偏差

经过步骤①②的调整，L1、L2轴线已调整至两条平行直线状态，将L1、L2轴线向XOY平面投影得到L1_z、L2_z，根据L4、L5分别与L3轴线的实际夹角φ₁、

求解偏航角α，即求解出最优α使调整目标夹角φ₁’、

与理论值φ、

的偏差最小；

由几何关系可知调整目标夹角φ₁’、

与偏航角α和实际夹角φ₁、

间存在以下关系：

构建如下描述函数：

则

其中，

为L4轴线向XOY平面的投影，

为L5轴线向XOY平面的投影，

为L3轴线向XOY平面的投影，

④求解水平位移偏差px、py

水平位移偏差px、py是由XOY平面内轴线L1、L2的距离R以及轴线L1、L2投影点L1_z、L2_z连线与轴线L3之间的理论夹角λ确定的：

px＝R·sinλ-|L1_zL2_z|·sinλ′ (7)

py＝R·cosλ-|L1_zL2_z|·cosλ′ (8)

其中，

为L1_z L2_z直线向XOY平面的投影，

⑤求解垂直位移pz

垂直位移pz是由L4、L5轴线在z轴方向上分别与L3轴线的高度差H₂、H₁确定的，即求解出最优pz调整量使得调整目标值H₁’,H₂’与理论值H₁,H₂的偏差最小，构建如下描述函数；

min f(pz)＝min[(H₁-H₁'+pz)²+(H₂-H₂'+pz)²] (10)

则

其中，H'₁＝ez-gz，H'₂＝fz-hz；

控制6自由度工业机器人夹持结构件II并调整其位移变量，实现结构件II和结构件I的对接调姿定位。

2.按照权利要求1所述的一种基于6自由度工业机器人的复杂结构件精密对接方法，其特征在于，所述结构件I为待对接结构件，所述结构件II为6自由度工业机器人夹持的调姿结构件。

3.按照权利要求1所述的一种基于6自由度工业机器人的复杂结构件精密对接方法，其特征在于，所述控制6自由度工业机器人夹持结构件II并调整其位移变量，实现结构件II和结构件I的对接调姿定位包括：

选取结构件II的特征点C点作为机器人动态坐标原点；将对接部件位姿的水平x位移偏差、水平y位移偏差、垂直z位移偏差、偏航角α偏差、俯仰角β偏差、滚动角γ偏差分别作为机器人位移控制变量的输入参数；控制机器人夹持结构件II并调整其位移实现对接调姿。

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