CN113771032A - 基于人机协作机器人的线束装配智能辅助系统 - Google Patents

基于人机协作机器人的线束装配智能辅助系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于人机协作机器人的线束装配智能辅助系统，包含系统管理层、中央控制层、现场控制层以及现场执行层，系统管理层用于将待装配的线缆对应的安装孔位的三维坐标信息传递给中央控制层；中央控制层在接收到安装孔位的三维坐标信息后计算出机器人移动数据和机器人末端需要绕TCP点旋转的三个角度值，现场控制层的机器人移动平台控制器按机器人移动数据移动机器人，机器人控制器按机器人末端需要绕TCP点旋转的三个角度值移动机器人末端，在激光发射器对准线束的待安装孔位后控制激光发射器发射激光提示安装位置。本发明可以满足智能辅助线束安装时的指示精度、响应速度等要求。

Description

基于人机协作机器人的线束装配智能辅助系统
技术领域
本发明属于自动化控制领域，涉及一种基于人机协作机器人的线束装配智能辅助系统。
背景技术
无人机通用地面站是航空电子系统中的重要组成部分，主要用于实现无人机飞行时和地面控制设备之间的各种通信和数据传输，控制无人机执行各种飞行任务。
传统的无人机通用地面站方舱车的线束安装效率低下，安装需要经过线束的人工识别过程，然后根据布线设计图纸和布线工艺文件寻找对应线束的安装孔位，随后再进行线束的安装操作。其中，一台无人机通用地面站的待安装线束多达数百根，线束安装时布线人员需要站在面积狭小的工装梯上，工作区域范围十分有限，而且寻找线束安装孔位时，需要不断弯腰查询比对设备上的线束安装孔位，在这种工作场地受限的情况下长时间非正常姿势作业，极易导致布线人员疲惫出错。且线束安装过程不可追溯。此外，原有的线束安装过程无法做到监控记录，造成其安装过程不可追溯，一旦发生错误难以进行排查。
发明内容
本发明的发明目的在于提供了一种基于人机协作机器人的线束装配智能辅助系统，借助人机协作机器人对线束安装过程进行智能辅助指示和记录，极大地提高了线束安装效率、降低了错误率，同时实现了线束安装过程的可追溯性。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种基于人机协作机器人的线束装配智能辅助系统，包含系统管理层、中央控制层、现场控制层以及现场执行层；
现场控制层包括机器人控制器和机器人移动平台控制器；
现场执行层包含末端执行器、机器人、机器人移动平台，机器人安装于机器人移动平台上，末端执行器安装于机器人末端，机器人移动平台带动机器人进行水平和竖直方向运动；末端执行器包含激光发射器；
系统管理层用于将待装配的线缆对应的安装孔位的三维坐标信息传递给中央控制层；
中央控制层在接收到安装孔位的三维坐标信息后，再结合机器人当前位置计算出机器人移动数据和机器人末端需要绕TCP点旋转的三个角度值，然后将机器人移动数据发送给机器人移动平台控制器驱动机器人在机器人移动平台上移动，将机器人末端需要绕TCP点旋转的三个角度值发送给机器人控制器控制机器人末端指向待安装孔位，在激光发射器对准线束的待安装孔位后控制激光发射器发射激光提示安装位置；中央控制层接收机器人控制器和机器人移动平台控制器返回的机器人移动平台位置信息、机器人轴位置信息并存储。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的一种基于人机协作机器人的线束装配智能辅助系统改变了原有的线束安装方式，摆脱了线束安装时线束安装人员需要依赖设计文件和布线工艺文件的情况，改善了无人机通用地面站线束安装作业中存在的线束安装效率低、劳动强度高、易出错等问题，实现高效率、低强度、高质量的智能化线束装配。本系统可以满足智能辅助线束安装时的指示精度、响应速度等要求。本系统不需要做原理架构上的修改，就可以移植到其他应用人机协作机器人线束装配的智能化系统中，适用范围广，具有显著的市场前景和经济效益。
附图说明
图1为实施例所示的一种基于人机协作机器人的线束装配智能辅助系统的结构示意图。
图2为机器人移动平台示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
参见图1所示，为了保证线束安装孔位快速定位、辅助线束安装工作有序进行，本实施例所示的一种基于人机协作机器人的线束装配智能辅助系统自上而下共有四层，即系统管理层、中央控制层、现场控制层以及现场执行层，这四层架构通过实时的信息交互来完成整个线束装配智能辅助系统的协调工作、操作人员的指令输入以及系统状态的对外展示等功能。系统管理层包含主机和HMI一体机，中央控制层包含工控机等，现场控制层包括机器人控制器和机器人移动平台控制器(机器人安装于机器人移动平台上，机器人移动平台可进行水平和竖直方向运动)等，现场执行层包含末端执行器、机器人、机器人移动平台、安全防护系统等，末端执行器包含激光发射器、监控相机、基准探针等。主机、HMI一体机通过总线与工控机进行信息交互，工控机以EtherCAT现场总线控制方式与现场控制层交换控制信息，现场执行层由工控机经现场总线直接控制或通过机器人控制器和机器人移动平台控制器完成控制，现场执行层最终在工控机的控制协调下完成系统整体的控制。
(一)系统管理层
系统管理层承担着系统整体权限控制管理、人机协同交互、事件日志管理等任务，实现线束装配智能辅助系统的顶层管控。
HMI一体机作为人机接口安装了智能辅助操作页面程序，智能辅助操作页面程序用Java实现，而且Java具有很高的可移植性，对于之后的调试迭代更加便利。智能辅助操作页面程序包含人机界面、权限控制页面程序、标定定位页面程序和线束安装页面程序等页面程序。操作人员可以在人机界面对页面程序进行操作。
当操作人员在人机界面上选择权限控制页面程序后，权限控制页面程序接收输入的操作人员的工号，并在HMI一体机的触屏上显示操作人员及操作人员的权限，当操作人员在触屏上点击确认后通过总线传递至主机保存为文字日志。
当操作人员在人机界面上选择标定定位页面程序后，标定定位页面程序先显示监控相机拍摄的现场画面，然后将操作人员给出的移动参数发送给工控机，当监视到机器人末端到达指定标定定位后，向工控机发送存储指令及标定定位的三维坐标。当存储了若干个标定定位信息后，发送坐标转换矩阵建立命令。
当操作人员在人机界面上选择线束安装页面程序后，线束安装页面程序接收待装配的线束的线缆条码进行显示，并在操作人员对线缆条码确认后，将线缆条码传输给主机。
操作人员的工号和待装配的线束的线缆条码可以采用手工输入的方式输入，也可以采用如扫码枪等设备现场扫描操作人员的工号条码和待装配的线束的线缆条码等，然后通过USB将操作人员的工号条码、线缆条码以及车体条码信息传递给HMI一体机。
主机上安装了系统启动程序、运行监控程序、以及线束安装辅助程序等后端程序。
系统启动程序在线束装配智能辅助系统启动后，向工控机发出自检命令。
运行监控程序用于读取工控机中存储的现场执行层的各部件信息并进行显示，供现场操作人员进行监控。其中各部件信息包含机器人移动平台位置信息、报警信息、机器人轴位置信息等。
线束安装辅助程序在接收到HMI一体机传输过来的线缆条码后会调用数据库对线缆条码进行匹配，找到数据库中存储的该线缆条码对应的安装孔位的三维坐标信息，再将安装孔位的三维坐标信息传递给中央控制层。其中，数据库中包含安装孔位的三维坐标信息、辅助显示二维图纸坐标信息以及孔位对应线缆的名称信息。
(二)中央控制层
中央控制层接收到系统管理层相关指令后将对现场控制层的机器人控制器、机器人移动平台控制器以及现场执行层发送指令。
工控机内嵌的控制软件采用TwinCAT3，通过控制软件完成装配现场的实时控制。控制软件包含自检控制程序、标定定位控制程序、线束安装控制程序、报警控制程序等。
自检控制程序接收来自主机的自检命令后，与现场控制层和现场执行层进行通信，驱动现场控制层和现场执行层的各部件进行自检工作。
标定定位控制程序在接收到标定定位页面程序下达的移动参数(该参数从系统管理层的HMI一体机中安装的智能辅助操作页面程序中获得)后，根据当前机器人的位置信息分别计算出机器人移动数据和机器人移动平台移动数据，将机器人移动数据发送给机器人控制器(现场控制层，即第三层)，将机器人移动平台的移动数据发送给机器人移动平台控制器(现场控制层，即第三层)。在接收到存储命令后，将标定定位的三维坐标与机器人世界坐标系坐标值保存。在接收到坐标转换矩阵建立命令后，通过分析若干个的三维坐标与机器人世界坐标系坐标的规律得到坐标转换矩阵，并把坐标转换矩阵保存到机器人控制器中。
线束安装控制程序在接收到主机传输的安装孔位的三维坐标信息后，机器人控制器根据转换矩阵把安装孔位的三维坐标信息转换成机器人世界坐标系下的坐标，再结合机器人移动平台的移动数据(该数据由中央控制层的工控机计算提供)计算出机器人的当前位置，然后利用机器人当前位置与孔位世界坐标系下的坐标值计算出机器人末端需要绕TCP点旋转的三个角度值(该过程由中央控制层的工控机完成)，工控机将机器人本体的旋转角度值发送给机器人控制器，在激光发射器(该设备安装于机器人本体末端处，属于现场执行层)对准线束的待安装孔位后，工控机向激光发射器发送光束发射命令；同时工控机接收机器人控制器和机器人移动平台控制器返回的机器人移动平台位置信息、机器人轴位置信息等并存储，供主机的运行监控程序进行读取和显示。
报警控制程序用于在接收到机器人控制器和机器人移动平台控制器返回的报警信息后向三色报警灯下达报警命令。
(三)现场控制层和现场执行层
参加图2所示，机器人移动平台(安装于龙门架结构上)用于带动机器人沿龙门架进行水平和竖直方向的位置移动和在机器人到达操作位置后的定位锁紧。龙门架的X轴(水平方向)行走结构长度为14m，由于受到大行程的影响，机器人移动平台已经不能使用常用的滚珠丝杠传动，而是选用了更适合大行程的可拼接式齿轮齿条传动方式；Z轴(竖直方向)因行程较小，选用滚珠丝杠传动方式。龙门架结构的两端装有行程开关来实现对X轴方向电机移动范围的控制。
机器人移动平台的控制采用电机驱动器实现，通过电机驱动器完成机器人移动平台的平移、引导、定位、锁紧及安全防护等功能。电机驱动器主要接收来自工控机的移动数据并传递给现场执行层的移动平台电机，同时电机驱动器也会记录机器人移动平台位置信息，将其向中央控制层传递。电机驱动器还会向中央控制器传输当前移动平台处于平移或者定位锁紧等状态类信号，中央控制器根据该状态类信号决定系统是否满足工作条件。
移动平台电机的定子绕组接收来自电机驱动器经过功率变换元件输出地电流信号来改变电机内部的磁场变化，从而控制电机轴的转矩、运动方向、速度和位置。
机器人控制器为KUKA机器人专用控制器KUKA Sunrise Cabinet，完成对机器人本体的运动控制以及机器人安全防护等功能。机器人控制器在接收到工控机传递的机器人移动数据后控制机器人本体完成机器人的位置和姿态调整，使得机器人末端的激光发射器的发射光束指向线束待安装孔位。
机器人本体和机器人移动平台在运动中检测到碰撞时会停止动作，机器人控制器和机器人移动平台控制器向报警控制程序发送报警信息，再检测到障碍物移除时会继续进行指令运动。
激光发生器在接收到线束安装控制程序下达的安装命令后发射激光线束，激光线束将恰好落在线束安装孔处，提示操作人员线束的安装位置。
三色警示灯在接收到报警控制程序下达的报警命后处于开启状态。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于人机协作机器人的线束装配智能辅助系统，包含系统管理层、中央控制层、现场控制层以及现场执行层，其特征在于：
现场控制层包括机器人控制器和机器人移动平台控制器；
现场执行层包含末端执行器、机器人、机器人移动平台，机器人安装于机器人移动平台上，末端执行器安装于机器人末端，机器人移动平台带动机器人进行水平和竖直方向运动；末端执行器包含激光发射器；
系统管理层用于将待装配的线缆对应的安装孔位的三维坐标信息传递给中央控制层；
中央控制层在接收到安装孔位的三维坐标信息后，再结合机器人当前位置计算出机器人移动数据和机器人末端需要绕TCP点旋转的三个角度值，然后将机器人移动数据发送给机器人移动平台控制器驱动机器人在机器人移动平台上移动，将机器人末端需要绕TCP点旋转的三个角度值发送给机器人控制器控制机器人末端指向待安装孔位，在激光发射器对准线束的待安装孔位后控制激光发射器发射激光提示安装位置；中央控制层接收机器人控制器和机器人移动平台控制器返回的机器人移动平台位置信息、机器人轴位置信息并存储。
2.根据权利要求1所述的一种基于人机协作机器人的线束装配智能辅助系统，其特征在于系统管理层通过总线与中央控制层进行信息交互，中央控制层以EtherCAT现场总线控制方式与现场控制层交换控制信息，现场执行层由中央控制层经现场总线直接控制或通过机器人控制器和机器人移动平台控制器完成控制，现场执行层最终在中央控制层的控制协调下完成系统整体的控制。
3.根据权利要求1所述的一种基于人机协作机器人的线束装配智能辅助系统，其特征在于系统管理层包含主机和HMI一体机；
HMI一体机作为人机接口安装了智能辅助操作页面程序，智能辅助操作页面程序包含人机界面、线束安装页面程序；主机上安装了线束安装辅助程序；中央控制层的控制软件包含线束安装控制程序；
当操作人员在人机界面上选择线束安装页面程序后，线束安装页面程序接收待装配的线束的线缆条码进行显示，并在操作人员对线缆条码确认后，将线缆条码传输给主机；
线束安装辅助程序在接收到传输过来的线缆条码后会调用数据库对线缆条码进行匹配，找到数据库中存储的该线缆条码对应的安装孔位的三维坐标信息，再将安装孔位的三维坐标信息传递给中央控制层；
线束安装控制程序在接收到主机传输的安装孔位的三维坐标信息后，先控制机器人控制器根据坐标转换矩阵把安装孔位的三维坐标信息转换成机器人世界坐标系下的坐标，再结合机器人当前位置与孔位世界坐标系下的坐标值计算出机器人移动数据和机器人末端需要绕TCP点旋转的三个角度值，然后将机器人移动数据发送给机器人移动平台控制器，机器人末端需要绕TCP点旋转的三个角度值发送给机器人控制器，最后在激光发射器对准线束的待安装孔位后，向激光发射器发送光束发射命令。
4.根据权利要求3所述的一种基于人机协作机器人的线束装配智能辅助系统，其特征在于智能辅助操作页面程序还包含标定定位页面程序，控制软件还包含标定定位控制程序，末端执行器还包含监控相机；
当操作人员在人机界面上选择标定定位页面程序后，标定定位页面程序先显示监控相机拍摄的现场画面，然后将操作人员给出的移动参数发送给工控机，当监视到机器人末端到达指定标定定位后，向工控机发送坐标转换矩阵建立命令以及标定定位的三维坐标；
标定定位控制程序在接收到标定定位页面程序下达的移动参数后，根据当前机器人的位置信息分别计算出机器人移动数据和机器人末端移动数据，将机器人末端移动数据发送给机器人控制器，将机器人移动数据发送给机器人移动平台控制器；在接收到坐标转换矩阵建立命令后，通过分析标定定位的三维坐标与机器人世界坐标系坐标的规律得到坐标转换矩阵，并把坐标转换矩阵保存到机器人控制器中。
5.根据权利要求3所述的一种基于人机协作机器人的线束装配智能辅助系统，其特征在于智能辅助操作页面程序还包含权限控制页面程序；
当操作人员在人机界面上选择权限控制页面程序后，权限控制页面程序接收输入的操作人员的工号，并在HMI一体机的触屏上显示操作人员及操作人员的权限，当操作人员在触屏上点击确认后通过总线传递至主机保存为文字日志。
6.根据权利要求3所述的一种基于人机协作机器人的线束装配智能辅助系统，其特征在于主机上还安装了系统启动程序；控制软件还包含自检控制程序；
系统启动程序在线束装配智能辅助系统启动后，向工控机发出自检命令；自检控制程序接收来自主机的自检命令后，与现场控制层和现场执行层进行通信，驱动现场控制层和现场执行层的各部件进行自检工作。
7.根据权利要求3所述的一种基于人机协作机器人的线束装配智能辅助系统，其特征在于主机上还安装了运行监控程序；运行监控程序读取工控机中存储的现场执行层的各部件信息并进行显示，供现场操作人员进行监控。
8.根据权利要求3所述的一种基于人机协作机器人的线束装配智能辅助系统，其特征在于未端执行器还包含三色报警灯，控制软件包含报警控制程序；
机器人和机器人移动平台在运动中检测到碰撞时停止动作，机器人控制器和机器人移动平台控制器向报警控制程序发送报警信息，再检测到障碍物移除时会继续进行指令运动；报警控制程序用于在接收到机器人控制器和机器人移动平台控制器返回的报警信息后向三色报警灯下达报警命令。
9.根据权利要求1所述的一种基于人机协作机器人的线束装配智能辅助系统，其特征在于机器人移动平台的水平方向选用拼接式齿轮齿条传动方式；竖直方向选用滚珠丝杠传动方式。
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