本發(fā)明屬于機(jī)器人自動裝配相關(guān)，更具體地，涉及一種飛機(jī)內(nèi)高鎖螺栓的裝備方法。

背景技術(shù)：

1、飛機(jī)螺栓裝配過程是飛機(jī)裝配的主要組成，占據(jù)裝配作業(yè)量的40％以上，現(xiàn)階段主要采用人工方式進(jìn)行螺栓螺母的裝配工藝，但是人工裝配工藝存在效率低、安全度低、人工成本高等問題。針對大尺度裝配問題，復(fù)合機(jī)器人擁有更好的環(huán)境適應(yīng)性，能夠滿足大尺度的裝配作業(yè)。

2、然而，由于復(fù)合機(jī)器人系統(tǒng)中的系統(tǒng)自由度高于裝配所需自由度，對指定目標(biāo)存在無窮解的問題；其次，采用多設(shè)備組成的復(fù)合機(jī)器人系統(tǒng)，由于設(shè)備間的運(yùn)動精度不一樣，針對高精度裝配作業(yè)，整體裝配運(yùn)動精度無法保障。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種飛機(jī)內(nèi)高鎖螺栓的裝備方法，其旨在解決現(xiàn)有下冗余自由度機(jī)器人控制復(fù)雜性較高所導(dǎo)致的運(yùn)動控制復(fù)雜及定位精度低的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種飛機(jī)內(nèi)高鎖螺栓的裝配方法，該裝配方法包括以下步驟：

3、(1)復(fù)合機(jī)器人系統(tǒng)的激光雷達(dá)獲取裝配環(huán)境的整個空間位置信息，所述復(fù)合機(jī)器人系統(tǒng)基于整個空間位置信息運(yùn)動到待裝配螺栓附近；

4、(2)復(fù)合機(jī)器人系統(tǒng)通過雙目相機(jī)獲取待裝配螺栓的圖像，采用檢測模型對圖像進(jìn)行自動分割以得到待裝配螺栓的區(qū)域，結(jié)合圖像過濾算法和特征提取算法自待裝配螺栓的區(qū)域中提取到待裝配螺栓的端面圓的像素畫面信息，再基于雙目相機(jī)的標(biāo)定參數(shù)及端面圓的像素畫面信息，采用空間三角定位算法來獲取待裝配螺栓的空間位置信息；

5、(3)構(gòu)建復(fù)合機(jī)器人系統(tǒng)的冗余運(yùn)動學(xué)模型，然后基于獲取的空間位置信息及冗余運(yùn)動學(xué)模型，利用復(fù)合機(jī)器人系統(tǒng)的逆運(yùn)動學(xué)函數(shù)求解得到每個部件的運(yùn)動量，進(jìn)而進(jìn)行運(yùn)動控制；其中，所述逆運(yùn)動學(xué)函數(shù)引入了四個冗余參數(shù)，以將復(fù)合機(jī)器人系統(tǒng)由冗余運(yùn)動轉(zhuǎn)化為非冗余運(yùn)動；

6、(4)重復(fù)步驟(2)以重新獲取待裝配螺栓的空間位置信息，基于當(dāng)前獲取的待裝配螺栓的空間位置信息對復(fù)合機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動學(xué)控制，若求解不到機(jī)械臂的運(yùn)動軌跡，則返回步驟(3)，否則控制復(fù)合機(jī)器人系統(tǒng)的末端裝配工具將螺母與螺栓進(jìn)行裝配。

7、進(jìn)一步地，所述冗余運(yùn)動學(xué)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

8、q＝{qa，qb，qs]t

9、式中，qa＝[q1，q2，…qn]t為機(jī)械臂的關(guān)節(jié)位置，n由機(jī)械臂實際關(guān)節(jié)數(shù)量決定；qb＝[xb?yb?θb]t表示自動導(dǎo)引車的位姿；qs＝[zs]表示機(jī)械臂安裝面到自動導(dǎo)引車上表面的距離。

10、進(jìn)一步地，逆運(yùn)動學(xué)函數(shù)為：

11、q＝ik(pe,ρ)

12、其中，冗余參數(shù)ρ＝{ρ1，ρ2，ρ3，ρ4}；設(shè)定待裝配螺栓的位姿為pe＝[re?∈e]t，其中re＝[xe?ye?ze]t表示待裝配螺栓的空間位置信息，∈e＝[αe?βe?γe]t表示待裝配螺栓的空間姿態(tài)信息，表示形式為rpy角。

13、進(jìn)一步地，參數(shù)ρ1描述xoy運(yùn)動平面，機(jī)械臂和自動導(dǎo)引車之間的角位移；其定義為：

14、

15、其中，位置點基于xoy平面，即所描述的點均為空間點投影到該平面上的點；[xe，ye]t為實現(xiàn)裝配任務(wù)的機(jī)械臂末端位置點，[xa，ya]t為機(jī)械臂基座在世界坐標(biāo)下的位置點，θb為自動導(dǎo)引車前進(jìn)方向與x軸的夾角。

16、進(jìn)一步地，冗余參數(shù)ρ2描述xoy平面上，待裝配螺栓位置的投影點和基座投影點的連線長度，即為平面上機(jī)械臂的臂長，其定義為：

17、

18、冗余參數(shù)ρ3描述末端工具方向與機(jī)械臂臂長方向的夾角，其定義為：

19、

20、進(jìn)一步地，冗余參數(shù)ρ4描述的是yoz平面內(nèi)機(jī)械臂基座到自動導(dǎo)引車的距離，即升降軸的高度冗余參數(shù)定義為：

21、ρ4＝za-zb。

22、進(jìn)一步地，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式為：

23、

24、s.t.c(pe,ρ)≤0

25、

26、其中，約束條件中c(pe，ρ)用于限制關(guān)節(jié)的運(yùn)動值，具體表示為：

27、

28、進(jìn)一步地，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中包含三個優(yōu)化函數(shù)，三個優(yōu)化函數(shù)的權(quán)重系數(shù)為[λ1，λ2，λ3]＝[0.5，0.3，0.2]。

29、進(jìn)一步地，可操作性優(yōu)化函數(shù)g1為：g1＝l(qa)μ(ja)，其中μ(ja)是機(jī)械臂的可操作性指標(biāo)，具體為yoshikawa可操作性指標(biāo)，l(qa)是關(guān)節(jié)極限懲罰因子，表示為：

30、

31、其中，n表示機(jī)械臂的關(guān)鍵數(shù)量，qi表示第i個關(guān)節(jié)位置，和是第i個關(guān)節(jié)位置對應(yīng)的上下界限。

32、進(jìn)一步地，其余兩個優(yōu)化函數(shù)分別為：

33、

34、其中和分別為下一時刻的狀態(tài)值，g2和g3用于限制運(yùn)動。

35、總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的飛機(jī)內(nèi)高鎖螺栓的裝備方法主要具有以下有益效果：

36、1.所述逆運(yùn)動學(xué)函數(shù)引入冗余參數(shù)，以將復(fù)合機(jī)器人系統(tǒng)由冗余運(yùn)動轉(zhuǎn)化為非冗余運(yùn)動，降低了控制復(fù)雜性的同時提高了精度；同時在逆運(yùn)動學(xué)求解問題上，通過設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)并在全局工作范圍內(nèi)快速獲取可行解，該方法解決了現(xiàn)階段多設(shè)備協(xié)同控制的控制問題。

37、2.本發(fā)明實現(xiàn)了冗余系統(tǒng)的高精度裝配問題，能夠有效提高系統(tǒng)的運(yùn)動精度，優(yōu)化系統(tǒng)中設(shè)備運(yùn)動誤差較大的部件的運(yùn)動。

38、3.所述方法擴(kuò)展性較好，支持多類型緊固件(如鉚釘、螺栓)及異構(gòu)機(jī)器人平臺，可以借助各個組件的配合工作，實現(xiàn)待裝配螺栓定位和待裝配螺栓裝配的同步進(jìn)行。

39、4.為了提升操作任務(wù)執(zhí)行過程中機(jī)械臂的穩(wěn)定性和精確度，采取相應(yīng)措施減少自動導(dǎo)引車和升降軸的不必要運(yùn)動，從而確保操作過程的高效能與高可靠性，為此設(shè)定兩個優(yōu)化函數(shù)來實現(xiàn)。

技術(shù)特征：

1.一種飛機(jī)內(nèi)高鎖螺栓的裝配方法，其特征在于，該裝配方法包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的飛機(jī)內(nèi)高鎖螺栓的裝配方法，其特征在于：所述冗余運(yùn)動學(xué)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

3.如權(quán)利要求2所述的飛機(jī)內(nèi)高鎖螺栓的裝配方法，其特征在于：逆運(yùn)動學(xué)函數(shù)為：

4.如權(quán)利要求3所述的飛機(jī)內(nèi)高鎖螺栓的裝配方法，其特征在于：參數(shù)ρ1描述xoy運(yùn)動平面，機(jī)械臂和自動導(dǎo)引車之間的角位移；其定義為：

5.如權(quán)利要求3所述的飛機(jī)內(nèi)高鎖螺栓的裝配方法，其特征在于：冗余參數(shù)ρ2描述xoy平面上，待裝配螺栓位置的投影點和基座投影點的連線長度，即為平面上機(jī)械臂的臂長，其定義為：

6.如權(quán)利要求3所述的飛機(jī)內(nèi)高鎖螺栓的裝配方法，其特征在于：冗余參數(shù)ρ4描述的是yoz平面內(nèi)機(jī)械臂基座到自動導(dǎo)引車的距離，即升降軸的高度冗余參數(shù)定義為：

7.如權(quán)利要求1-6任一項所述的飛機(jī)內(nèi)高鎖螺栓的裝配方法，其特征在于：優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式為：

8.如權(quán)利要求7所述的飛機(jī)內(nèi)高鎖螺栓的裝配方法，其特征在于：優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中包含三個優(yōu)化函數(shù)，三個優(yōu)化函數(shù)的權(quán)重系數(shù)為[λ1,λ2,λ3]＝[0.5,0.3,0.2]。

9.如權(quán)利要求8所述的飛機(jī)內(nèi)高鎖螺栓的裝配方法，其特征在于：可操作性優(yōu)化函數(shù)g1為：g1＝l(qa)μ(ja)，其中μ(ja)是機(jī)械臂的可操作性指標(biāo)，具體為yoshikawa可操作性指標(biāo)，l(qa)是關(guān)節(jié)極限懲罰因子，表示為：

10.如權(quán)利要求8所述的飛機(jī)內(nèi)高鎖螺栓的裝配方法，其特征在于：其余兩個優(yōu)化函數(shù)分別為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于機(jī)器人自動裝配相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，其公開了一種飛機(jī)內(nèi)高鎖螺栓的裝備方法，(1)復(fù)合機(jī)器人系統(tǒng)基于整個空間位置信息運(yùn)動到待裝配螺栓附近；(2)對待裝配螺栓的圖像進(jìn)行自動分割以得到待裝配螺栓的區(qū)域，進(jìn)而提取到待裝配螺栓的端面圓的像素畫面信息，再獲取待裝配螺栓的空間位置信息；(3)利用復(fù)合機(jī)器人系統(tǒng)的逆運(yùn)動學(xué)函數(shù)求解得到每個部件的運(yùn)動量，進(jìn)而進(jìn)行運(yùn)動控制；(4)重新獲取待裝配螺栓的空間位置信息，基于當(dāng)前獲取的待裝配螺栓的空間位置信息對復(fù)合機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動學(xué)控制，若求解不到機(jī)械臂的運(yùn)動軌跡，則返回步驟(3)，否則控制復(fù)合機(jī)器人系統(tǒng)的末端裝配工具將螺母與螺栓進(jìn)行裝配。本發(fā)明提高了精度。

技術(shù)研發(fā)人員：趙興煒,鄭磊,張治然,汪濤,張代林,陶波
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華中科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15