CN1631621A - 用多机器人协调技术对大型物体进行位姿调整的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用多机器人协调技术对大型物体进行位姿调整的方法，包括如下步骤：a)通过定位点投影法获得物体的位姿偏移量；b)判断偏差是否超出范围，如果超出，进入步骤c；如果没有超出结束调整；c)根据位姿偏移量计算各个机器人关节位移量；d)通过多个机器人关节的协调运动来调整其位姿偏移量。本发明对大型圆筒状物体尤其适用。其基本思路是利用多个移动机器人间的关节运动协调，来完成被操作物体的6自由度调整。该方法具有精度高、耗时短的特点，便于现场操作，可用于完成大型筒状工件焊接前的对接任务。

Description

用多机器人协调技术对大型物体进行位姿调整的方法

技术领域

本发明涉及机器人对物体进行位姿调整的控制方法，特别涉及用多机器人协调技术对大型物体进行位姿调整的方法。

背景技术

大型运载设备，例如飞机、船体、化工罐体，均采用模块化分段制造方式。在各分段制造完毕后，要同基准段进行拼装对接。这时，不仅要求分段的位置到位，还需要姿态同基准段对齐，即对分段进行6自由度偏差校正。现存的拼装工作平台，只有行走功能和升降功能，难以完成姿态的精确调整，细调时需靠人推索拉。这种方式不但费时费力，而且难以保证对接质量。

传统上6自由度机器人系统包括串联机构机器人和并联机构机器人两类。前者(图1)特点是采用开链式机构，作业空间大，但具有刚度低，承载能力低的缺点。后者(图2)的特点采用闭链式机构，具有刚度、承载能力大，精度高的优点，但是操作空间狭小(见黄真，孔令富，方跃法，“并联机器人机构学理论及控制”，机械工业出版社，1997)。在有些作业场合，比如大型船体分段的6自由度对接，即需要高达上千吨的承载能力，又需要能容纳下长达几米甚至几十米船体分段的操作空间，不论是串联机器人还是并联机器人目前都达不到这种要求。

图3是由多个3自由度移动机器人C1、C2、C3和C4等构成的6自由度多机器人搬运平台，这类系统通过多个机器人间的协调操作，不但具备了6自由度位姿自动调整功能，而且具有承载能力大、刚度大和作业空间大的优点。但目前还不存在利用图3所示的多机器人搬运平台对大型物体的位姿偏差进行调整的方法。

发明内容

本发明是一种用多机器人协调技术对大型物体进行位姿调整的方法，特别适用于大型圆筒状物体，包括：物体位姿偏差的测量方法和机器人关节位移的计算方法。其基本思路是利用每个移动机器人具有沿X、Y和Z方向的3个运动自由度(图4)，即dx、dy和dz，通过多个机器人间的运动协调，来完成被操作物体的6自由度调整，即沿X、Y和Z轴的线位移px，py，pz和绕X、Y和Z轴的角位移φ，α，θ(图3)。

具体的讲：

本发明一种用多机器人协调技术对大型物体进行位姿调整的方法，包括如下步骤：

a)通过定位点投影法获得物体的位姿偏移量；

b)判断偏差是否超出范围，如果超出，进入步骤c；如果没有超出结束调整；

c)根据位姿偏移量计算各个机器人关节位移量；

d)通过多个机器人关节的协调运动来调整其位姿偏移量。

所述的方法，其中所述物体是指大型圆筒状物体。

所述的方法，其中所述步骤a)包括如下步骤：

a1)在圆筒状物体的前后端面设置8个定位点，前后端面各4个，其中上下4个定位点处于同一平面，定义为分段铅垂面；左右4个定位点也处于同一平面，定义为分段水平面；

a2)获得分段铅垂面上的4个定位点的X座标以及分段水平面上的4个定位点的Z座标；

a3)计算物体前端面和后端面的平移量和物体前端面和后端面绕Y轴的的旋转角位移；

a4)计算物体位姿偏移量。

所述的方法，其中所述步骤c)包括如下步骤：分别根据位姿偏移量计算各个机器人执行器末端延X、Y、Z轴线位移量。

所述的方法，其中所述步骤d)包括如下步骤：

d1)：由系统的上位机将算出的机器人关节位移发送到各个机器人的下位机中；

d2)：由机器人关节伺服系统完成上位机发出的位移命令。

本发明方法简单可靠，精度较高，便于现场操作。可用于筒状大型物体的位姿偏差校正，例如大型筒状工件焊接前的对接。

附图说明

图1为6自由度串联结构工业机器人示意图；

图2为6自由度并联结构工业机器人示意图；

图3为6自由度多机器人搬运平台示意图；

图4为3自由度移动机器人示意图；

图5为采用多机器人协调技术对大型圆筒状物体进行位姿调整的流程图；

图6为用于圆筒状物体位姿偏差测量的定位点投影图。

具体实施方式

图5是本发明的控制流程图，由模块P1，P2，P3和P4构成，其中P1和P3是本发明的关键部分。下面将各个模块叙述如下：

●模块P1

在实际工程中，除Py可以直接测得外，φ、α、θ以及px、pz等位姿参数都不是已知的，也不能直接测量得到。模块P1是一种通过定位点投影法获取物体位姿偏移量的方法。该方法简便易行，而且精度较高。

如图6所示，在圆筒状物体上设置了8个定位点，前后端面各4个，记作U_f、D_f、L_f、R_f、U_b、D_b、L_b、R_b，U，D，L，R代表上、下、左、右；下标f，b代表分段的前后端面。其中上下4个定位点处于同一平面，称为分段铅垂面；左右4个定位点也在同一平面，称为分段水平面。通过铅锤吊线的方法获得分段铅垂面上的定位点在水平面XOY的投影，测量铅垂面4个定位点投影的X座标，记作X_uf、X_df、X_ub、X_db；通过液体连通器的方法测量分段水平面在铅垂面YOZ的投影，测量4个定位点投影的Z座标，记作Z_lf、Z_rf、Z_lb、Z_rb。假设物体直径为T，长度为H。按下列步骤，求得物体位姿偏移量：

第一步：根据空间几何关系求得物体前端面和后端面的平移量：

前端面： ${\mathrm{px}}_f=\frac{1}{2}(X_{\mathrm{uf}}+X_{\mathrm{df}}),{\mathrm{pz}}_f=\frac{1}{2}(Z_{\mathrm{lf}}+Z_{\mathrm{rf}})$

后端面： ${\mathrm{px}}_b=\frac{1}{2}(X_{\mathrm{ub}}+X_{\mathrm{db}}),{\mathrm{pz}}_b=\frac{1}{2}(Z_{\mathrm{lb}}+Z_{\mathrm{rb}})$

第二步：根据三角函数关系求得物体前端面和后端面绕Y轴的的旋转角位移，可以通过在水平面和铅垂面的投影分别求得，这里综合两个投影所测的数据：

前端面 ${\mathrm{\α}}_f=\frac{1}{2}(\mathrm{arctg}\left(\frac{X_{\mathrm{uf}}-X_{\mathrm{df}}}{T}\right)+\mathrm{arctg}\left(\frac{Z_{\mathrm{lf}}-Z_{\mathrm{rf}}}{T}\right))$

后端面： ${\mathrm{\α}}_b=\frac{1}{2}(\mathrm{arctg}\left(\frac{X_{\mathrm{ub}}-X_{\mathrm{db}}}{T}\right)+\mathrm{arctg}\left(\frac{Z_{\mathrm{lb}}-Z_{\mathrm{rb}}}{T}\right))$

第三步：综合物体前后两个端面的数据，计算偏移量px，pz，α：

$\mathrm{px}=\frac{1}{2}({\mathrm{px}}_f+{\mathrm{px}}_b)=\frac{1}{4}(X_{\mathrm{uf}}+X_{\mathrm{df}}+X_{\mathrm{ub}}+X_{\mathrm{db}})$

$\mathrm{pz}=\frac{1}{2}({\mathrm{pz}}_f+{\mathrm{pz}}_b)=\frac{1}{4}(Z_{\mathrm{lf}}+Z_{\mathrm{rf}}+Z_{\mathrm{lb}}+Z_{\mathrm{rb}})$

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2}({\mathrm{\α}}_f+{\mathrm{\α}}_b)=\frac{1}{4}(\mathrm{arctg}\left(\frac{X_{\mathrm{uf}}-X_{\mathrm{df}}}{T}\right)+\mathrm{arctg}\left(\frac{Z_{\mathrm{lf}}-Z_{\mathrm{rf}}}{T}\right))$

$+\mathrm{arctg}\left(\frac{X_{\mathrm{ub}}-X_{\mathrm{db}}}{T}\right)+\mathrm{arctg}\left(\frac{Z_{\mathrm{lb}}-Z_{\mathrm{rb}}}{T}\right))$

第四步：根据三角函数关系计算物体角偏移量φ和θ：

$\mathrm{\φ}=\mathrm{arctg}\left(\frac{{\mathrm{pz}}_f-{\mathrm{pz}}_b}{2H}\right)$

$\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\left(\frac{{\mathrm{px}}_b-{\mathrm{px}}_f}{2H}\right)$

●模块P2

模块P2用于判断物体的位姿偏差是否满足精度要求，如果在精度范围内，则结束调整，否则执行下一模块。模块P2按下列步骤实现：

第一步：设置线位移精度I1，和角位移精度I2；

第二步：依次用px、py和pz同线位移精度I1比较，如果某个值大于I1，转到第五步；

第三步：依次用φ、α、θ同角位移精度I2比较，如果某个值大于I2，转到第五步；

第四步：精度满足要求，转到结束模块；

第五步：精度不满足要求，转到P3模块。

●模块P3

由图3可以直观看出，两排3自由度机器人上下、左右或前后同步运动，可以带动被搬运物体做上下、左右或前后平移；相比之下，姿态的调整要复杂得多，例如，若让物体绕其前后轴(Y轴)旋转，两排机器人的手臂必须上下、左右同时协调运动才可能完成；否则，分段将一边绕轴转动，一边向左(或右)平动。

模块P3根据物体的6维偏移量φ、α、θ以及px、py和pz来计算机器人各个关节位移调整量。设X_R、Y_R和Z_R为3自由度移动机器人执行器末端相对于被搬运物体坐标系的坐标，并用Sφ，Sα，Sθ，Cφ，Cα，Cθ，分别代表φ，α，θ的正弦和余弦函数，则机器人执行器末端沿X、Y和Z轴的线位移按下列步骤计算：

第一步：计算X方向位移

        dx＝(1-CαCθ)X_R+CαSθY_R-SαCφZ_R-CαCθpx

第二步：计算Y方向位移

        dy＝-CαSθX_R+(1-CφCθ)Y_R+SφZ_R-CφCθpy

第三步：计算Z方向位移

         dz＝SαCθX_R-CαSφCθY_R+(1-CαCφ)Z_R-CαCφpz

●模块P4

模块P4完成各个机器人的关节位移，按照以下步骤实现：

第一步：由系统的上位机将模块P3算出的机器人关节位移发送到各个机器人的下位机中；

第二步：由机器人关节伺服系统完成上位机发出的位移命令，并返回到模块P1。

实施例

在实施例中，按图4搭建了由四台CAS-II型3自由度移动机器人构成6自由度多机器人搬运平台，对一直径2米，长度为1米的圆筒形工件进行位姿调整。将初始偏差分别设置成px＝pz＝py＝0.1米，φ＝α＝θ＝2度；设置调整精度为：线位移精度I10.001米，角位移精度I20.1度，相对误差为0.1％。按照图5所示方法调整位姿偏差。经过三次调整后，物体的偏差达到精度要求。所耗时间约30分钟(主要用于物体定位点偏差的测量)，完全能够满足工业控制精度和时间要求。而目前船厂采用的基于手工调节的方法，要达到此种精度，一般需要耗时2周左右。

Claims (5)

1、一种用多机器人协调技术对大型物体进行位姿调整的方法，其特征在于包括如下步骤：

a)通过定位点投影法获得物体的位姿偏移量；

b)判断偏差是否超出范围，如果超出，进入步骤c；如果没有超出结束调整；

c)根据位姿偏移量计算各个机器人关节位移量；

d)通过多个机器人关节的协调运动来调整其位姿偏移量。

2、按权利要求1所述的用多机器人协调技术对大型物体进行位姿调整的方法，其特征在于：其中所述物体是指大型圆筒状物体。

3、按权利要求2所述的用多机器人协调技术对大型物体进行位姿调整的方法，其特征在于：其中所述步骤a)包括如下步骤：

a1)在圆筒状物体的前后端面设置8个定位点，前后端面各4个，其中上下4个定位点处于同一平面，定义为分段铅垂面；左右4个定位点也处于同一平面，定义为分段水平面；

a2)获得分段铅垂面上的4个定位点的X座标以及分段水平面上的4个定位点的Z座标；

a3)计算物体前端面和后端面的平移量和物体前端面和后端面绕Y轴的的旋转角位移；

a4)计算物体位姿偏移量。

4、按权利要求2所述的用多机器人协调技术对大型物体进行位姿调整的方法，其特征在于：其中所述步骤c)包括如下步骤：

分别根据位姿偏移量计算各个机器人执行器末端延X、Y、Z轴线位移量。

5、按权利要求2所述的用多机器人协调技术对大型物体进行位姿调整的方法，其特征在于：其中所述步骤d)包括如下步骤：

d1)：由系统的上位机将算出的机器人关节位移发送到各个机器人的下位机中；

d2)：由机器人关节伺服系统完成上位机发出的位移命令。

Images