CN110733617A - 一种舱段装配平台及舱段装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人装配领域，具体涉及一种舱段装配平台，旨在解决现有技术中舱段装配平台精度低、设计复杂、可靠性不足、响应慢以及协调难等问题。本发明提供一种舱段装配平台，包括承载模块、调姿模块、检测模块以及基座，所述调姿模块支撑所述承载模块用于承载舱段，所述调姿模块包括多个机械臂、球铰以及控制器，所述机械臂滑动设置与所述基座平面，所述控制器基于检测模块驱动所述机械臂及球铰以实现承载模块及舱段的空间六自由度运动。本发明基于多个机械臂相互配合具有冗余度，在局部故障的情况下能够继续工作；本发明承载能力大，通过分布式力传感进行检测内部受力及舱段受力，能够高精度、高效率的完成舱段柔性装配。

Description

一种舱段装配平台及舱段装配方法

技术领域

本发明属于机器人装配领域，具体涉及一种舱段装配平台及舱段装配方法。

背景技术

现有技术条件下，舰船、飞机、导弹、火箭等大型系统不能够直接一次成型地制造，而是被划分为多个舱段，进行模块化生产，最终通过对接组装完成整体制造。其使用的舱段装配技术在很大程度上决定了这些系统的制造成本、生产周期和最终质量。传统舱段的装配通常采用刚性工装定位手工式装配，这种装配方式劳动强度大、操作繁琐、效率较低、误差率大，无法满足国防工业装备高精度、高效率和高可靠性生产的需要。

通过多机械臂进行装配是解决上述问题的优选施工方案。多机械臂协调装配可以弥补单个机械臂能力的不足，扩大单机械臂能力范围；同时，多机械臂系统可以负载单个机械臂难以负担的大质量舱段；优选地，多机械臂系统可以搭载更多的传感器，获得更全面的传感信息；多机械臂系统可以简化系统设计流程，相比针对具体任务的单机械臂的、高机动度的机器人，由多个相同低机动度的机械臂组合构成机器人系统的方案更为简捷、经济，同时在系统容错性、机械结构的柔性和维修替换损坏部件等方面具有优越性。

目前，国内已有用于飞机、导弹等对接的多机械臂机器人装配平台。但是此类平台通常使用分离的多个机械臂(定位器)，每个机械臂末端直接通过球铰连接舱段，需要通过视觉校准来消除球铰球心位置误差带来的系统内部张力。这些机械臂缺少力传感器，不能够检测装配舱段的重量重心等信息，也不能够检测舱段在装配过程中的接触力，实现柔性轴孔装配需要通过检测电机负载力矩获取受力信息，精度低响应慢。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有装配技术单机器人装配平台精度低、设计复杂以及可靠性不足，多机器人平台力反馈精度低、响应慢以及协调难等问题，本发明提供一种基于多机械臂协作及分布力传感的舱段装配平台。本发明中平台的结构可提升装配平台最大载荷，通过使用分布式力传感方法获取更加精确的舱段受力信息，辅助多机械臂协调运动，完成舱段六自由度高精度柔性装配，本发明的舱段装配平台包括承载模块、调姿模块、检测模块以及基座；所述承载模块与所述调姿模块连接，所述承载模块通过所述调姿模块设置于所述基座上，其中：

所述承载模块，包括第一连接部、舱段固定部；所述舱段固定部设置于所述第一连接部上部，用于固定待装配舱段；

所述调姿模块包括多个相互独立的机械臂单元；所述机械臂单元包括三自由度机械臂、第一连接件和控制器；所述第一连接件的一端与所述三自由度机械臂的上端部铰接，另一端与所述第一连接部下部连接；所述控制器用于所述三自由度机械臂和/或第一连接件的动作控制；

所述基座包括导轨，所述三自由度机械臂下端部滑动设置于所述导轨；

所述检测装置包括多个分布式设置的传感器；所述传感器包括设置于所述机械臂单元的力传感器，多个所述力传感器用于检测所述承载模块的受力信息。

在一些优选技术方案中，所述导轨为多条导轨，所述三自由度机械臂包括驱动装置，所述驱动装置设置有与所述导轨配合的滚珠丝杠，多个所述三自由度机械臂均通过所述驱动装置均匀滑动设置于多条所述导轨并能沿所述导轨延伸方向移动。

在一些优选技术方案中，所述三自由度机械臂在以x、y、z轴为坐标轴的空间直角坐标系中，所述驱动装置与所述控制器信号连接，所述驱动装置包括纵向驱动机构、第一水平驱动机构、第二水平驱动机构以及底座，其中：

所述纵向驱动机构、第一水平驱动机构、第二水平驱动机构以及底座沿所述纵向驱动机构输出轴长度方向依次连接，所述底座通过所述滚珠丝杠滑动设置于所述导轨；

所述底座与所述第二水平驱动机构接触面设置有沿y轴方向设置的第一滑轨，所述第二水平驱动机构能够沿所述第一滑轨延伸方向移动；

所述第二水平驱动机构与所述第一水平驱动机构接触面设置有沿x轴方向设置的第二滑轨，所述第一水平驱动机构能够沿所述第二滑轨延伸方向移动；所述纵向驱动机构固设于所述第一水平驱动机构上；

所述三自由度机械臂包括刚性组件，所述刚性组件一端与所述纵向驱动机构输出端连接，所述刚性组件在所述纵向驱动机构的驱动下能够沿竖直方向移动，所述刚性组件另一端与所述第一连接件连接，在所述控制器的控制下，所述三自由度机械臂能够实现沿x、y、z轴方向移动。

在一些优选技术方案中，所述力传感器包括第一力传感器，所述刚性组件包括沿自身长度方向依次连接的至少两个刚性连杆，其中：

任意两个相邻的所述刚性连杆之间均安装有一个所述第一力传感器，所述第一力传感器的控制端与所述控制器信号连接，所述控制器基于所述第一力传感器的信号控制所述驱动装置，所述刚性组件在所述驱动装置的驱动下，能够实现沿三个相互正交方向的移动。

在一些优选技术方案中，所述第一连接件为球铰，所述控制器通过控制所述驱动装置以及第一连接件能够实现所述第一连接部沿三个相互正交方向的移动以及绕三个正交轴线的旋转。

在一些优选技术方案中，所述舱段固定部还包括承载支架和固定带，所述固定带固设于所述承载支架，所述承载支架与待装配舱段同轴设置，所述待装配舱段通过所述承载支架及所述固定带固设于所述第一连接部。

在一些优选技术方案中，所述承载支架为多个，任意相邻的两个所述承载支架相互平行；所述承载支架与所述待装配舱段接触端设置有多个防滑橡胶块，所述多个防滑橡胶块等间距阵列于所述承载支架。

在一些优选技术方案中，所述舱段装配平台用于将待装配舱段与固定舱段装配；所述待装配舱段通过所述承载支架及所述固定带固设于所述第一连接部，所述固定舱段固设于所述舱段装配平台工作空间内，所述待装配舱段与所述固定舱段在靠近彼此的端部分别对应地设置有多个定位节点，所述待装配舱段与所述固定舱段通过所述定位节点连接。

在一些优选技术方案中，所述力传感器还包括设置于所述三自由度机械臂与所述第一连接件之间的第二力传感器，所述第二力传感器用于检测所述第一连接件的受力与力矩。

本发明另一方面提供一种舱段装配方法在以x、y、z轴为坐标轴的空间直角坐标系中，基于上述舱段装配平台进行舱段装配，包括以下步骤：

步骤S100，保持所述三自由度机械臂在所述基座位置不变，通过多个所述三自由度机械臂协作进行多次所述承载模块的位姿调整，获取所述承载模块的受力信息并计算待装配舱段重心；

步骤S200，通过检测模块获取装配过程中各所述三自由度机械臂上端部受力信息，计算所述待装配舱段装配过程中的装配部对应的接触力和接触力矩；

步骤S300，基于待装配舱段重心，以及所述待装配舱段装配过程中的装配部对应的接触力和接触力矩，计算各所述三自由度机械臂的控制参数；

步骤S400，基于步骤S300获得的各所述机械臂单元的控制参数控制对应机械臂单元的姿态，进行所述承载模块姿态的调整。

本发明的有益效果：

本发明基于多个机械臂协作运行的方式，将装配平台提升至最大载荷，使其能够完成大型舱段装配。通过使用分布式力传感方法获得更精确的舱段受力信息，基于分布式力传感的力反馈信息辅助多机械臂协调运动，避免舱段装配时用力过大，造成碰撞变形，从而完成舱段六自由度高精度、高效率的柔性装配。

本发明采用多机械臂系统，逆运动学的求解可以获得唯一解，可以大大降低舱段调姿逆运动学解算的难度，同时获取每一个关节的唯一解，相比于其他非直角坐标系并联多机械臂系统，本发明在数学模型上具有更好的可解性，利用两套本发明舱段装配平台分别承载两段待装配舱段，进行相互配合，可以提升系统灵活性，实现高效装配。

本发明基座采用导轨稳定性高、承重能力强，利用本发明基座能够使三自由度机械臂在运动过程中速度更快，三自由度机械臂采用丝杠滑轨实现的关节，相比于由旋转关节，每一个关节以及机器臂末端都具有更高的定位精度。相比于多关节单机器人系统，本发明中平台内每一个机器人都能够承载更大的负载，可以装配质量超过百公斤的舱段。相比于使用六关节机械臂实现六自由度位姿调整，每一个三关节机械臂都有更小的末端位置累积误差，更容易实现高精度的末端控制，同时导轨也能够保证本发明具有更加稳定的底座，减少舱段在移动过程中平台的晃动。

本发明承载模块采用固定带、防滑橡胶、承载支架等使待装配舱段与本发明更牢固，安全，同时使用橡胶块还能够保护舱段，避免舱段和承载支架之间直接接触带来的磕碰。

本发明舱段装配平台中存在一条或多条冗余机械臂。冗余的机械臂可以增加系统鲁棒性，在部分机械臂故障的情况下，本发明能够保障平台的正常运行，继续工作，本发明结构简单，可靠性强。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明舱段装配平台承载舱段一实施例的结构示意图一。

图2为本发明舱段装配平台承载舱段一实施例的结构示意图二。

图3为本发明舱段装配平台承载舱段一实施例的结构示意图三。

图4为本发明舱段装配平台空载情况下一实施例的结构示意图。

图5为本发明机械臂与基座连接一实施例的结构示意图。

图6为根据本发明实施例的分布式力传感舱段质量及重心测量方法的示意图。

图7为根据本发明实施例的力传感器测量球铰受力的示意图。

图8为根据本发明实施例的两次测量求取舱段重心的示意图。

图9为根据本发明实施例的分布式力传感舱段接触力测量的示意图。

附图标记列表：

1-承载平台；2-多机械臂移动系统；3-固定舱段，31-定位槽，11-待装配舱段；12-舱段固定带；13-舱段支架；14-舱段定位销；15-舱段定位轴；16-防滑橡胶块；17-舱段支架底座；21-机械臂；22-导轨；221-球铰；212-第一刚性连杆；213-多维力传感器；214-第二刚性连杆；215-纵向驱动机构；216-第一水平驱动机构；217-第二水平驱动机构；218-机械臂底座；219-导轨轨道。

具体实施方式

为使本发明的实施例、技术方案和优点更加明显，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。本实施例一方面提供一种舱段装配平台，包括承载模块、调姿模块、检测模块以及基座；所述承载模块与所述调姿模块连接，所述承载模块通过所述调姿模块设置于所述基座上，其中：

所述承载模块，包括第一连接部、舱段固定部；所述舱段固定部设置于所述第一连接部上部，用于固定待装配舱段；

所述调姿模块包括多个相互独立的机械臂单元；所述机械臂单元包括三自由度机械臂、第一连接件和控制器；所述第一连接件的一端与所述三自由度机械臂的上端部铰接，另一端与所述第一连接部下部连接；所述控制器用于所述三自由度机械臂和/或第一连接件的动作控制；所述基座包括导轨，所述三自由度机械臂下端部滑动设置于所述导轨；

所述检测装置包括多个分布式设置的传感器；所述传感器包括设置于所述机械臂单元的力传感器，多个所述力传感器用于检测所述承载模块的受力信息。

本发明的一些实施例中，所述导轨为多条导轨，所述三自由度机械臂包括驱动装置，所述驱动装置设置有与所述导轨配合的滚珠丝杠，多个所述三自由度机械臂均通过所述驱动装置均匀滑动设置于多条所述导轨并能沿所述导轨延伸方向移动。

本发明的一些实施例中，所述三自由度机械臂在以x、y、z轴为坐标轴的空间直角坐标系中，所述驱动装置与所述控制器信号连接，所述驱动装置包括纵向驱动机构、第一水平驱动机构、第二水平驱动机构以及底座，其中：

所述纵向驱动机构、第一水平驱动机构、第二水平驱动机构以及底座沿所述纵向驱动机构输出轴长度方向依次连接，所述底座通过所述滚珠丝杠滑动设置于所述导轨；

所述底座与所述第二水平驱动机构接触面设置有沿y轴方向设置的第一滑轨，所述第二水平驱动机构能够沿所述第一滑轨延伸方向移动；

所述第二水平驱动机构与所述第一水平驱动机构接触面设置有沿x轴方向设置的第二滑轨，所述第一水平驱动机构能够沿所述第二滑轨延伸方向移动；所述纵向驱动机构固设于所述第一水平驱动机构上；

所述三自由度机械臂包括刚性组件，所述刚性组件一端与所述纵向驱动机构输出端连接，所述刚性组件在所述纵向驱动机构的驱动下能够沿竖直方向移动，所述刚性组件另一端与所述第一连接件连接，在所述控制器的控制下，所述三自由度机械臂能够实现沿x、y、z轴方向移动。

本发明的一些实施例中，所述力传感器包括第一力传感器，所述刚性组件包括沿自身长度方向依次连接的至少两个刚性连杆，其中：

任意两个相邻的所述刚性连杆之间均安装有一个所述第一力传感器，所述第一力传感器的控制端与所述控制器信号连接，所述控制器基于所述第一力传感器的信号控制所述驱动装置，所述刚性组件在所述驱动装置的驱动下，能够实现沿三个相互正交方向的移动。

本发明的一些实施例中，所述第一连接件为球铰，所述控制器通过控制所述驱动装置以及第一连接件能够实现所述第一连接部沿三个相互正交方向的移动以及绕三个正交轴线的旋转。

本发明的一些实施例中，所述舱段固定部还包括承载支架和固定带，所述固定带固设于所述承载支架，所述承载支架与待装配舱段同轴设置，所述待装配舱段通过所述承载支架及所述固定带固设于所述第一连接部。

本发明的一些实施例中，所述承载支架为多个，任意相邻的两个所述承载支架相互平行；所述承载支架与所述待装配舱段接触端设置有多个防滑橡胶块，所述多个防滑橡胶块等间距阵列于所述承载支架。

本发明的一些实施例中，所述舱段装配平台用于将待装配舱段与固定舱段装配；所述待装配舱段通过所述承载支架及所述固定带固设于所述第一连接部，所述固定舱段固设于所述舱段装配平台工作空间内，所述待装配舱段与所述固定舱段在靠近彼此的端部分别对应地设置有多个定位节点，所述待装配舱段与所述固定舱段通过所述定位节点连接。

本发明的一些实施例中，所述力传感器还包括设置于所述三自由度机械臂与所述第一连接件之间的第二力传感器，所述第二力传感器用于检测所述第一连接件的受力与力矩。

本实施例另一方面提出一种舱段装配方法，在以x、y、z轴为坐标轴的空间直角坐标系中，基于上述舱段装配平台进行舱段装配，包括以下步骤：

步骤S100，保持所述三自由度机械臂在所述基座位置不变，通过多个所述三自由度机械臂协作进行多次所述承载模块的位姿调整，获取所述承载模块的受力信息并计算待装配舱段重心；

步骤S200，通过检测模块获取装配过程中各所述三自由度机械臂上端部受力信息，计算所述待装配舱段装配过程中的装配部对应的接触力和接触力矩；

步骤S300，基于待装配舱段重心，以及所述待装配舱段装配过程中的装配部对应的接触力和接触力矩，计算各所述三自由度机械臂的控制参数；

步骤S400，基于步骤S300获得的各所述机械臂单元的控制参数控制对应机械臂单元的姿态，进行所述承载模块姿态的调整。

为了更清晰地对本发明导丝操控手柄进行说明，下面结合附图对本方发明一种优选实施例进行展开详述。

参阅图1，本发明实施例的舱段装配平台位于沿x、y、z空间直角坐标系中，本实施例中承载模块，包括第一连接部和舱段固定部；舱段固定部设置于第一连接部上部，用于固定待装配舱段调姿模块，本实施例优选设置为平台，为描述方便并加以区分本实施例将平台式第一连接部命名为承载平台1，需要注意的是，本发明第一连接部可以为任意结构，只要第一连接部上能够固定舱段固定部以及舱段即可，在此不做过多限定。

进一步地，本发明调姿模块包括多个相互独立的机械臂单元，相比于现有装配平台能将承载能力扩到最大，实现大负载。本实施例中为描述方便将多个相互独立的机械臂单元统称为多机械臂移动系统2，所述多机械臂移动系统2包括多个三自由度机械臂21、第一连接件211以及控制器，本实施例中三自由度机械臂21优选为四个，本领域技术人员也可根据实际情况灵活设计三自由度机械臂的个数及排布方式。本发明第一连接件的一端与三自由度机械臂21的上端部铰接，另一端与承载平台1的下部连接；所述控制器用于三自由度机械臂21和/或第一连接件的动作控制。

本发明基座包括多条固定于地面的导轨，所述导轨为多个，如图4所示，多个沿空间直角坐标系x、y、z三自由度机械臂下端部滑动设置于所述导轨并能沿所述导轨延伸方向移动。检测模块包括多个分布式设置的传感器；所述传感器包括设置于多机械臂移动系统2的力传感器，多个所述力传感器用于检测所述承载模块的受力信息，此处受力信息指力和力矩。

需要说明的是本发明还包括中控系统，所述中控系统与所述承载模块、所述调姿模块信号连接，所述中控系统基于所述检测模块的传感器信息计算出各机械臂单元为完成装配所需的控制信息，并将所述控制信息发送至各机械臂单元对应的控制器，所述控制器接收控制数据并对所述三自由度机械臂和/或第一连接件的动作控制。由于中控系统为本领域技术人员已知，故不在附图中展示，中控系统具体控制方法及结构不在本发明描述范围内，采用公知技术进行。

本发明设置于所述机械臂单元的力传感器包括三自由度机械臂内部的第一传感器以及设置于所述三自由度机械臂与所述第一连接件之间的第二传感器，所述第一传感器和第二传感器均为多维力传感器，所述第二传感器用于检测所述机械臂末端第一连接件的受力与力矩。本发明三自由度机械臂21通过第一连接件铰接承载平台1上固定待装配舱段的刚性舱段固定部。本发明中多个三自由度机械臂协调运行，实现舱段装配平台的六自由度舱段柔性轴孔对接。其中每个三自由度机械臂的下端端都可以沿x、y、z三轴做平移运动。本发明机械臂能够以大于机械臂关节移动速度的速度快速沿所述导轨移动。相比轮式底座，所述导轨能够保证上部机械臂在移动和静止状态下底座的稳定性，承重能力强，可以稳定快速地移动质量较大的大型舱段。

为了保证所述三自由度机械臂的末端定位精度，本发明机械臂关节使用高精度平移关节，使得单纯依靠所述多机械臂协作运动方式，所述系统搭载的舱段移动范围有限，而所述导轨则能够增大底座上机器人的移动范围，同时保留三自由度机械臂在协作操作上的精度优势。所述机械臂末端有x、y、z三个自由度的高精度定位能力。由滚轴丝杠实现x、y、z三轴的高精度平移，三个轴的方向相互正交，分别平行于x、y、z三轴设置。在所述z轴关节的顶部，安装有力/力矩传感器，传感器的顶部安装另一连杆，连杆的末端连接第一连接件。

本发明承载模块的舱段固定部还包括舱段固定带12以及舱段支架13，本发明舱段装配平台主要用于待装配舱段11与固定舱段3的装配，固定舱段3可以通过支架或其他方式固定于地面或墙壁，保持在装配过程中的固定，其位姿不被装配过程中可能产生的碰撞而改变。固定舱段3的固定的位置和姿态不超出本发明舱段装配平台的工作空间。参阅图3，舱段支架13为多个，任意相邻的两个承载支架13相互平行，多个舱段支架13沿承载平台1所在平面均匀设置，舱段支架13与待装配舱段11同轴设置，待装配舱段11通过承载支架13及舱段固定带12固设于承载平台1，待装配舱段11与固定舱段3在靠近彼此的端部分别对应地设置有多个定位节点，所述定位节点为销槽定位，其包括多个设置于舱段装配端的舱段装配定位销14，安装于装配端的舱段定位轴15，以及固定舱段3上设置的定位槽31，所述定位槽31用于与所述舱段定位销14配合连接。固定舱段与待装配舱段通过所述定位销及所述定位槽装配连接。单纯使用装配轴可以实现舱段的五自由度装配，舱段可以在绕图4所示x轴旋转。配合定位销后，舱段可以锁定绕x轴的旋转，实现舱段的六自由度装配。对于非沿图示x轴对称的舱段，可以不设置定位销实现六自由度装配。

通常为了实现舱段轴孔配合，待装配舱段在配合端装有装配轴以及定位销，以实现舱段的六自由度配合。因此此类舱段在装配过程中可以因轴及销的碰撞产生接触力以及接触力矩。本发明检测装置包括多个力传感器，所述多个传感器分布地检测舱段在装配地各个阶段地受力，获取当前舱段卡阻或碰撞的程度、方向等信息，作为机械臂控制器地信号输入，实现舱段柔性装配。同时由于分布式传感力传感器的优势，所得到的受力信息可以用于求解舱段位姿信息，提升舱段装配精度，同时保护舱段免于过大力、力矩造成的碰撞变形。

进一步地，如图4所示，承载支架13与待装配舱段11接触端设置有多个防滑橡胶块16，多个防滑橡胶块16等间距阵列于承载支架13上，舱段支架13含有多个刚性柱构成的舱段支架底座17与下方的多个三自由度机械臂通过第一连接件铰接。本发明中第一连接件优选为球铰，球铰中心可以实现三自由度位置控制，本发明通过底部三自由度机械臂的主动运动，以及球铰的三自由度位置控制，从而实现对所承载舱段的六自由度位姿调整。多个机械臂21架设于基座导轨22之上。

进一步地，如图5所示，本发明优选机械臂21为四个，所述机械臂为三自由度机械臂，每个机械臂21均包括驱动装置和刚性组件，其中刚性组件包括沿自身长度方向依次连接的至少两个刚性连杆，如图所示，本实施例优选刚性连杆为两个，即第一刚性连杆212和第二刚性连杆214，任意两个相邻的所述刚性连杆之间均安装有一个第一力传感器，所述第一力传感器为多维力传感器，所述多维力传感器能够获取被测物体的受力及力矩。所述第一力传感器位于承载平台1及所述驱动装置之间，第一力传感器的控制端与控制器信号连接，所述控制器基于所述力传感器的信号控制所述驱动装置，所述刚性组件在所述驱动装置的驱动下，能够实现沿三个相互正交方向的移动。本实施例中所述第一力传感器为如图所示的多维力传感器213。

进一步地，参阅图5，每个机械臂21均与连接舱段支架的球铰211相连接，球铰211安装在第一刚性连杆212上，第一刚性连杆212下部连接多维力传感器213，多维力传感器213下部连接第二刚性连杆214。驱动装置包括纵向驱动机构215、第一水平驱动机构216以及第二水平驱动机构217以及机械臂底座218，纵向驱动机构215、第一水平驱动机构216、第二水平驱动机构217以及机械臂底座218沿纵向驱动机构215输出轴长度方向依次连接，机械臂底座218通过滚珠丝杠滑动设置于基座导轨上；机械臂底座218与第二水平驱动机构217接触面设置有沿y轴方向设置的第一滑轨，第二水平驱动机构217能够沿第一滑轨延伸方向移动；第二水平驱动机构217与第一水平驱动机构216接触面设置有沿x轴方向设置的第二滑轨，第一水平驱动机构216能够沿第二滑轨延伸方向移动；纵向驱动机构215固设于第一水平驱动机构216上；

第二刚性连杆214由机械臂纵向驱动机构215驱动，纵向驱动机构215在四周相互垂直地设有多个支撑加强筋。纵向驱动机构215通过沿图示x轴架设的丝杠滑轨第一水平驱动机构216移动在第二水平驱动机构217上，第二水平驱动机构217由沿y轴架设的丝杠滑轨驱动移动机械臂底座218上，机械臂底座218借助导轨轨道219移动在导轨22上。驱动装置与控制器信号连接，本发明的主要驱动装置为丝杠滑轨，在控制器的控制下，三自由度机械臂21能够实现沿三个正交方向的高精度移动，即在本发明空间直角坐标系中沿x、y、z轴方向移动。

本发明中，系统共由n(n≥3)条机械臂组成，每个机械臂含有4跟连杆，4个关节，机械臂上第j个关节的自由度为f_j，对于平移关节f_j＝1，对于球铰f_j＝3。可以由用于判定机械结构自由度的Grubler-Kutzbach判别准则得知系统的自由度F＝6。

可选地，系统中机械臂的数量可以根据具体舱段的形状和重量进行调整。此外，对于n≥4条机械臂构成的系统，系统中存在一条或多条冗余机械臂。冗余的机械臂可以增加系统鲁棒性，在部分机械臂故障的情况下，保障系统的正常运行。但是，在系统正常运行的状态下，冗余机械臂可能存在末端球铰球心不与另外球铰球心共面的情况，此时不共面的球铰对应的机械臂内部将产生拉力或压力，易使球铰和关节破损。本发明中设计的分布式力传感则可以同时检测所有机械臂内部受力与力矩，为机械臂末端控制提供闭环反馈，减少机构内部相互作用力，保护机械臂以及球铰。

根据本发明实施例的舱段装配平台，能够实现大重量大体积舱段的高精度柔性装配，减轻单个机器人的负载，通过分布式力传感获取舱段以及机械臂之间的受力信息，获取舱段质量，计算舱段重心，协助进行舱段装配。舱段通过多个机械臂的协作运动可以实现六自由度的调姿。

具体而言，本发明的四个装配机械臂的末端需要通过协作配合，保持在一个固定矩形平面的四个顶点，这样可以与舱段支架下方的四个固定支点通过球铰连接。为了保证四个机器人能够在运行时保持较高的精度，以保证球铰中心始终处在矩形的顶点，机器人在x、y、z三轴上必须使用丝杠滑轨作为驱动机构。

在实际操作中，由于机械臂控制器带来的信号不同步，或者不同机器人驱动器之间的位置控制误差，以及其他原因，都会导致四个球铰末端的位置不准确。因此本发明实施例的平台中的多维力传感器213可以辅助平台中多机械臂的协作，通过检测第一刚性连杆212受到的力，进而检测当前四个球铰球心是否正确处在正确的位置。

并且由于每一个机械臂21本身都使用丝杠滑轨完成末端位置的控制，每一个关节本身都作为平移关节，在给定末端球铰中心的位置后，每一个关节的平移量可以直接得到。对于多机械臂系统，逆运动学的求解可以获得唯一解，可以大大降低舱段调姿逆运动学解算的难度，同时获取每一个关节的唯一解，相比于其他非直角坐标系并联多机械臂系统，本发明在数学模型上具有更好的可解性。

同时，由丝杠滑轨实现的关节，相比于由旋转关节，每一个关节以及机器人末端都具有更高的定位精度。相比于多关节单机器人系统，本发明中每一个机器人都能够承载更大的负载，可以装配质量超过百公斤的舱段。相比于使用6关节机械臂实现六自由度位姿调整，每一个3关节机械臂都有更小的末端位置累积误差，更容易实现高精度的末端控制。

导轨22的设计可以方便平台在装配方向有较大的移动范围，便于舱段的装载。同时所述导轨本身不负责在装配阶段对于舱段位姿的调整，可以使用移动速度快，精度相对低的结构，大幅度提升待装配舱段11粗定位移动的速度。待粗定位结束后，精确的装配可以通过多个机械臂21协作完成。同时导轨22也能够保证平台具有更加稳定的底座，减少舱段在移动过程中平台的晃动。

安装于舱段支架13以及舱段固定带12内侧的防滑橡胶块16，可以保证舱段11在装配过程中与舱段支架13之间的相对位姿的稳定。同时使用橡胶块还能够保护舱段，避免舱段和支架13之间直接接触带来的磕碰。

可选的，对于圆形接口的舱段，如图3所示，舱段在装配端可以配有用于和固定仓舱段进行轴孔装配对准的装配轴14以及定位销15。承载平台及承载支架、待装配舱段11、调姿模块2以及固定舱段3，本实施例的下列描述中将承载模块中的承载平台(第一连接部)、待装配舱段以及承载支架(承载固定部)统称为舱段及支架。

具体的，所述舱段装配平台的舱段装配可以按照以下方法运动，调整舱段姿态：

步骤1，获取各个三自由度机械臂平移关节的初始位置，由正向运动学计算机械臂末端球铰中心的位置。

步骤2，由步骤1得到的球铰中心位置，计算多个球铰围成的矩形的位姿，即支架及其所托载舱段位姿。

步骤3，计算舱段移动量，运用逆向运动学方法求解所有关节移动量。

具体的，所述舱段装配平台可以按照以下方法求解舱段的质量及重心：

如图6所示，支撑舱段的四个球铰211分别向舱段及支架施加力F₁,F₂,F₃,F₄，因此在静止状态下，对舱段及支架有

其中m^cabin为舱段质量，m^holder为支架质量。

如图7所示，球铰211受到的力-F_i(i＝1,2,3,4)可以由球铰下方的多维力传感器213得到。球铰及球铰与力传感器之间的连杆212质量为m^link。球铰受力可以沿x、y、z三轴进行分解，从而被多维力传感器213测量。若多维力传感器213的测量误差可被忽略，则对传感器有

其中F_ix,F_iy,F_iz为球铰i受力，

为力传感器x、y、z轴分别测得的力。

因此，可以通过四个力传感器的z向合力，计算舱段及支架的质量。首先可以通过平台空载测定支架质量m^holder。之后可得舱段质量。

求得舱段质量后，在静止状态下的平台，可以通过力矩平衡求解舱段的重心。具体而言：保持三自由度机械臂21在基座(导轨)上位置不变，通过多个三自由度机械臂21协作进行多次承载模块(第一连接部)的位姿调整，获取所述承载模块的受力信息(力和力矩)并计算待装配舱段重心。根据舱段重心计算舱段相对于承载模块的空间位置，以便于对三自由度机械臂进行控制调整。需要说明的是此处的受力信息指代力和力矩，本发明应用多维力传感器能够同时测量三个力分量和三个力矩分量。本实施例中整个测量舱段重心的过程需要舱段完成两次位姿调整。

进一步地，如图6所示，多个球铰211末端所在平面处于水平位置，使舱段坐标系与世界坐标系平行。舱段位姿为T₁，

其中，由于舱段以及支架都为刚体，且相对无滑动，可以视为同一刚体。R₁为此刚体的旋转矩阵，p₁为此刚体的位置矢量。

对于舱段，围绕任意球铰i中心，有力矩平衡

其中，l_m为舱段重力力臂矢量，l_j为其他球铰到当前球铰i的力臂矢量。公式中l_m为未知量，经过求解，可知l_m在水平方向的投影长度为

其中，θ为重力方向与重力力臂的夹角。当前位姿下θ＝90°，有

可知，重心应位于轴线过球铰i球心，方向竖直向下，半径为l_m的一个圆柱面s_i上，如图6中虚线所示的圆柱面。同理，对另一球铰k，求解重心可得到另一个圆柱面s_k。如图8，s_i与s_k可形成两条交线m₁,m₂。将m₁,m₂分别带入第三个球铰的力矩平衡方程，可排除一个不可行解得到第一个位姿下的重心所在直线m.

调整舱段姿态，此时舱段的位姿为T₂

在静止状态下得到新的力传感器读数F′_j.由前述力臂水平投影长度公式可得到新的重心所在圆柱面半径l′_m sinθ′，以及当前位姿下重心所在直线m′。其中

θ′＝arccos(z₂·z₁)＝arccos(r₃₃)

如图8所示，通过求解m与m′交点，即可得舱段及支架的重心位置p^measure。由已知的支架重心位置p^holder以及支架质量m^holder及舱段质量m^cabin，可以求解舱段重心位置p^cabin.

具体的，本发明舱段装配平台可以按照以下方法求解舱段装配过程中的接触力以及接触力矩：通过检测模块获取装配过程中各所述三自由度机械臂上端部(球铰)受力信息(力和力矩)，计算所述待装配舱段装配过程中的装配部对应的接触力和接触力矩。

具体地，使用拉格朗日法可以计算舱段装配过程中的接触力F_T。对舱段进行动力学分析，选取舱段的广义坐标为q.由于舱段具有六自由度，所以广义坐标为

q＝(x y z ψ θ φ)^T＝((p^cabin)^T(θ^cabin)^T)^T

其中p^cabin为舱段质心位置向量，θ^cabin为舱段欧拉角表示的姿态向量。

舱段平动和转动可以表示为

r＝r(q)

S＝S(q)

r^cabin为其质心在惯性参考系中的位置矢量，S^cabin为其转动张量，由广义坐标可以表示为

r和S对于时间求导可以得到舱段的平动速度以及转动速度，

其中，J_T和J_R分别表示舱段相对于广义坐标的平移和转动雅可比矩阵。

同样地，舱段的加速度可以由广义坐标的二阶导数求得

由此可以建立舱段的牛顿-欧拉方程

m＝m^cabinE₃

I＝SI₀S^T

其中，m为质量矩阵，F_i为各个球铰对舱段支架施加的力，可以通过检测模块的力传感器进行检测。F_T为移动舱段与固定舱段间的接触力。I为舱段在当前坐标系下的惯量张量，I₀为基座标系下的惯量张量。M_i为球铰对舱段质心施加的力矩，M_T为舱段接触力矩，M_a舱段收到的其他作用力力矩。E₃为三阶单位矩阵。

由此可以通过多个力传感器检测的力F_i及力矩M_i得到舱段装配过程中的接触力F_T与接触力矩M_T，从而为装配过程提供力反馈信息，基于上述得到的待装配舱段重心，以及待装配舱段装配过程中的装配部对应的接触力F_T与接触力矩M_T(此处的装配部为待装配舱段与固定舱段的接触端)，计算各三自由度机械臂的控制参数，上述控制器基于获得的各所述机械臂单元的控制参数控制对应机械臂单元的姿态，进行承载模块姿态的调整，完成舱段的高精度柔性装配。

根据本发明实施例的舱段装配平台的机械结构的其他构成以及操作技术对于本领域普通技术人员而言都是已知的，采用公知技术进行，这里不再详述。

上述本申请实施例中的技术方案中，至少具有如下的技术效果及优点：

本发明基于多个机械臂协作运行的方式，将装配平台提升至最大载荷，使其能够完成大型舱段装配。通过使用分布式力传感方法获得更精确的舱段受力信息，基于分布式力传感的力反馈信息辅助多机械臂协调运动，避免舱段装配时用力过大，造成碰撞变形，从而完成舱段六自由度高精度、高效率的柔性装配。

本实施例采用多机械臂系统，逆运动学的求解可以获得唯一解，可以大大降低舱段调姿逆运动学解算的难度，同时获取每一个关节的唯一解，相比于其他非直角坐标系并联多机械臂系统，本发明在数学模型上具有更好的可解性，利用两套本发明舱段装配平台分别承载两段待装配舱段，进行相互配合，可以提升系统灵活性，实现高效装配。

本实施例基座采用导轨稳定性高、承重能力强，利用本发明基座能够使三自由度机械臂在运动过程中速度更快，三自由度机械臂采用丝杠滑轨实现的关节，相比于由旋转关节，每一个关节以及机器臂末端都具有更高的定位精度。相比于多关节单机器人系统，平台内部每一个机器人都能够承载更大的负载，可以装配质量超过百公斤的舱段。相比于使用六关节机械臂实现六自由度位姿调整，每一个三关节机械臂都有更小的末端位置累积误差，更容易实现高精度的末端控制，同时导轨也能够保证本发明具有更加稳定的底座，减少舱段在移动过程中平台的晃动。

本实施例承载模块采用固定带、防滑橡胶、承载支架等使待装配舱段与本发明更牢固，安全，同时使用橡胶块还能够保护舱段，避免舱段和承载支架之间直接接触带来的磕碰。

本实施例舱段装配平台中存在一条或多条冗余机械臂。冗余的机械臂可以增加系统鲁棒性，在部分机械臂故障的情况下，本发明能够保障平台的正常运行，继续工作，本发明结构简单，可靠性强。

需要说明的是，在本发明的描述中，x、y、z三轴的方向已经在附图中标出，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种舱段装配平台，其特征在于，所述舱段装配平台包括承载模块、调姿模块、检测模块以及基座；所述承载模块与所述调姿模块连接，所述承载模块通过所述调姿模块设置于所述基座上，其中：

所述承载模块，包括第一连接部、舱段固定部；所述舱段固定部设置于所述第一连接部上部，用于固定待装配舱段；

所述调姿模块包括多个相互独立的机械臂单元；所述机械臂单元包括三自由度机械臂、第一连接件和控制器；所述第一连接件的一端与所述三自由度机械臂的上端部铰接，另一端与所述第一连接部下部连接；所述控制器用于所述三自由度机械臂和/或第一连接件的动作控制；

所述基座包括导轨，所述三自由度机械臂下端部滑动设置于所述导轨；

所述检测装置包括多个分布式设置的传感器；所述传感器包括设置于所述机械臂单元的力传感器，多个所述力传感器用于检测所述承载模块的受力信息。

2.根据权利要求1所述的舱段装配平台，其特征在于，所述导轨为多条导轨，所述三自由度机械臂包括驱动装置，所述驱动装置设置有与所述导轨配合的滚珠丝杠，多个所述三自由度机械臂均通过所述驱动装置均匀滑动设置于多条所述导轨并能沿所述导轨延伸方向移动。

3.根据权利要求2所述的舱段装配平台，其特征在于，所述三自由度机械臂在以x、y、z轴为坐标轴的空间直角坐标系中，所述驱动装置与所述控制器信号连接，所述驱动装置包括纵向驱动机构、第一水平驱动机构、第二水平驱动机构以及底座，其中：

所述纵向驱动机构、第一水平驱动机构、第二水平驱动机构以及底座沿所述纵向驱动机构输出轴长度方向依次连接，所述底座通过所述滚珠丝杠滑动设置于所述导轨；

所述底座与所述第二水平驱动机构接触面设置有沿y轴方向设置的第一滑轨，所述第二水平驱动机构能够沿所述第一滑轨延伸方向移动；

所述第二水平驱动机构与所述第一水平驱动机构接触面设置有沿x轴方向设置的第二滑轨，所述第一水平驱动机构能够沿所述第二滑轨延伸方向移动；所述纵向驱动机构固设于所述第一水平驱动机构上；

所述三自由度机械臂包括刚性组件，所述刚性组件一端与所述纵向驱动机构输出端连接，所述刚性组件在所述纵向驱动机构的驱动下能够沿竖直方向移动，所述刚性组件另一端与所述第一连接件连接，在所述控制器的控制下，所述三自由度机械臂能够实现沿x、y、z轴方向移动。

4.根据权利要求3所述的舱段装配平台，其特征在于，所述力传感器包括第一力传感器，所述刚性组件包括沿自身长度方向依次连接的至少两个刚性连杆，其中：

任意两个相邻的所述刚性连杆之间均安装有一个所述第一力传感器，所述第一力传感器的控制端与所述控制器信号连接，所述控制器基于所述第一力传感器的信号控制所述驱动装置，所述刚性组件在所述驱动装置的驱动下，能够实现沿三个相互正交方向的移动。

5.根据权利要求4所述的舱段装配平台，其特征在于，所述第一连接件为球铰，所述控制器通过控制所述驱动装置以及第一连接件能够实现所述第一连接部沿三个相互正交方向的移动以及绕三个正交轴线的旋转。

6.根据权利要求1所述的舱段装配平台，其特征在于，所述舱段固定部还包括承载支架和固定带，所述固定带固设于所述承载支架，所述承载支架与待装配舱段同轴设置，所述待装配舱段通过所述承载支架及所述固定带固设于所述第一连接部。

7.根据权利要求6所述的舱段装配平台，其特征在于，所述承载支架为多个，任意相邻的两个所述承载支架相互平行；所述承载支架与所述待装配舱段接触端设置有多个防滑橡胶块，所述多个防滑橡胶块等间距阵列于所述承载支架。

8.根据权利要求6所述的舱段装配平台，其特征在于，所述舱段装配平台用于将待装配舱段与固定舱段装配；所述待装配舱段通过所述承载支架及所述固定带固设于所述第一连接部，所述固定舱段固设于所述舱段装配平台工作空间内，所述待装配舱段与所述固定舱段在靠近彼此的端部分别对应地设置有多个定位节点，所述待装配舱段与所述固定舱段通过所述定位节点连接。

9.根据权利要求4所述的舱段装配平台，其特征在于，所述力传感器还包括设置于所述三自由度机械臂与所述第一连接件之间的第二力传感器，所述第二力传感器用于检测所述第一连接件的受力与力矩。

10.一种舱段装配方法，其特征在于，在以x、y、z轴为坐标轴的空间直角坐标系中，基于权利要求1-9中任一项所述的舱段装配平台进行舱段装配，包括以下步骤：

步骤S100，保持所述三自由度机械臂在所述基座位置不变，通过多个所述三自由度机械臂协作进行多次所述承载模块的位姿调整，获取所述承载模块的受力信息并计算待装配舱段重心；

步骤S200，通过检测模块获取装配过程中各所述三自由度机械臂上端部受力信息，计算所述待装配舱段装配过程中的装配部对应的接触力和接触力矩；

步骤S300，基于待装配舱段重心，以及所述待装配舱段装配过程中的装配部对应的接触力和接触力矩，计算各所述三自由度机械臂的控制参数；

步骤S400，基于步骤S300获得的各所述机械臂单元的控制参数控制对应机械臂单元的姿态，进行所述承载模块姿态的调整。

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