基于激光跟踪测量与力传感联合控制的机械臂辅助部件装配方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于激光跟踪测量与力传感联合控制的机械臂辅助部件装配方法及系统，包括：设置步骤；设置力传感器步骤；测量处理步骤；拟合路径步骤；安装夹持步骤；位姿微调步骤；调整到预定装配初始位姿步骤；逐步对齐步骤；卸载卸除步骤；测量数据存储步骤。本发明专利技术能够实现大型部件装配中位姿高精度、装配低应力的控制目标，提高装配效率。本发明专利技术的方法在航天、航空装备制造领域大型部件装配中具有广泛的应用前景。

Assembly method and system of auxiliary parts of manipulator based on joint control of laser tracking measurement and force sensing

【技术实现步骤摘要】
基于激光跟踪测量与力传感联合控制的机械臂辅助部件装配方法及系统
本专利技术涉及智能装备及航天器装配
，具体地，涉及基于激光跟踪测量与力传感联合控制的机械臂辅助部件装配方法及系统，尤其是一种基于激光跟踪测量与力传感联合控制的机械臂辅助大部件装配方法。
技术介绍
大型航天器装备具有高精度、大承载结构特征，在装配过程中对空间相对位置精度、安装面接触应力控制范围等有较高的要求，大型结构舱板、大型重载单机等部件装配目前多采用桁吊、专用安装支架车等多种工艺装备结合人工操作等工艺方式，实现对装配过程中待装配部件重力的卸载、空间姿态的调整、姿态的稳定以及装配紧固。桁吊、专用支架车结合人工经验指导的装配方法存在以下问题：1、装配过程中待装配部件的移动、姿态调整依赖人眼判断和人工操作经验，桁吊、专用安装支架车等工艺装备无法实现空间姿态量化显示及调姿幅度量化控制。2、装配调姿工序过程较长，一般需经过多次反复人工调整才能达到可装配的精度，且伴随的桁吊、专用支架车等工艺装备多次启停，产生卸载力、装配面接触应力的频繁波动，对装配部件存在冲击应力损伤风险，并易对装配面造成磕碰损伤。3、装配过程涉及吊装作业、专用支架车操作、装配空间多个位置观测、位置调整与装配连接等操作，人员需求量大、劳动强度大、操作效率不高。专利文献CN106625653A公开了一种基于力反馈的工业机器人辅助装配柔性对接方法。通过采用六维传感器反馈信息,由实际作用力与理想作用力之间的误差对工业机器人的运动轨迹进行实时修正,使接触力保持在期望范围内,实现柔性对接。该方法只使用力传感器单一方式反馈控制，未对装配过程中工件的位姿数据、装配精度进行量化采集与控制，装配移动路径及调姿过程均由人手操控机器人实现，机器人移动的平稳性和装配精度不够理想。因此，针对大型航天器部件装配的特点和要求，减少对人工操作依赖，进行各装配对象的空间姿态测量、机械臂运动路径规划与平稳运动、装配应力的量化控制与位姿精确微调，是机械臂辅助大部件装配需要解决的一个问题。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于激光跟踪测量与力传感联合控制的机械臂辅助部件装配方法及系统。根据本专利技术提供的一种基于激光跟踪测量与力传感联合控制的机械臂辅助部件装配方法，包括：设置步骤：在机械臂、待装配部件、目标装配体外围可观测区域设置跟踪仪，与工控机上测量系统进行连接；设置力传感器步骤：在机械臂末端法兰与末端执行器之间设置力传感器，力传感器与工控机上机械臂装配控制系统进行连接；测量处理步骤：对机械臂末端执行器、待装配部件、目标装配体的位姿以及待装配部件、目标装配体上配合安装孔位置点进行测量，测量数据通过测量软件处理，将位姿测量数据统一转化成基于目标装配体坐标系的表达，获取供机械臂装配控制系统读取信息，可以存储为可供机械臂装配控制系统读取的中间格式文件；拟合路径步骤：根据供机械臂装配控制系统读取信息，机械臂辅助装配控制系统读取位姿测量数据，通过运行位姿拟合与路径规划算法，规划目标装配引导区域、预定装配初始位姿、待装配部件的空间运动路径；安装夹持步骤：通过示教器，人工控制机械臂末端移动至待装配部件放置区域预定位置，完成待装配部件的安装夹持，然后控制机械臂末端竖直向上平移预定距离，通过力传感器测量数据计算待装配部件的质心、重量，获取待装配部件质心信息、待装配部件重量信息；位姿微调步骤：根据待装配部件质心信息、待装配部件重量信息，机械臂辅助装配控制系统设置待装配部件移动至目标装配引导区域，待装配部件位姿微调工序过程中机械臂末端运动控制参数、力传感控制参数，获取位置微调信息；调整到预定装配初始位姿步骤：根据位置微调信息，机械臂辅助装配控制系统将控制参数及指令传输至机械臂控制器，机械臂末端执行器夹持待装配部件一次性平稳移动至目标装配引导区域内，调整到预定的、具有较理想的装配初始位姿；逐步对齐步骤：机械臂辅助装配控制系统将控制参数及指令传输至机械臂控制器，启用人工牵引机械臂运动模式，启用力传感反馈控制，由人手动引导机械臂末端执行器对部件姿态微调，使待装配部件与目标装配体上相应配合安装孔逐步对齐，安装面逐步贴近、接触，达到紧固件安装精度范围后，将待装配部件与目标装配体紧固连接；卸载卸除步骤：机械臂辅助装配控制系统将控制参数及指令传输至机械臂控制器，对机械臂末端执行器进行已装配部件的重力卸载，人工卸除末端执行器与所夹持工件间的连接件，机械臂运动返回至初始位姿；测量数据存储步骤：对装配部件实际装配位姿进行测量，得出相对于目标装配体坐标系的实际安装位姿精度，获取装配部件实际装配位姿测量结果信息；根据装配部件实际装配位姿测量结果信息，将测量结果传递给机械臂辅助装配控制系统，获取装配质量数据包信息，系统将装配初始位姿测量数据、机械臂运动路径及工艺参数、力控数据、最终位姿测量数据作为装配质量数据包以文件形式输出存储。优选地，包括：生成最优轨迹步骤：根据工艺参数、现场空间限制参数，设置运动路径上的位置点，机械臂辅助装配控制系统将运动路径点矩阵通过指令传输至机械臂运动控制器，生成可操作机械臂运动的轨迹；所述路径规划是控制机械臂末端夹持待装配部件依次移动的一个或者多个空间位置点及在各位置点相应的速度方向向量，可由N×6维矩阵表示。优选地，包括：确定目标装配引导区域步骤：根据工艺参数、现场空间限制参数，设置目标装配引导区域；所述的目标装配引导区域是预设置的在目标装配体安装面外法向具有预定安全距离和可进行待装配部件位姿调整的立体空间范围。优选地，所述跟踪仪采用便携式激光跟踪仪；所述跟踪仪的精度高于某一设定阈值；所述跟踪仪的测量尺寸范围大于某一设定阈值；所述跟踪仪通过跟踪靶标依次采集各测量对象特征位置的空间坐标。优选地，所述机械臂采用串联式机械臂，所述机械臂具有6个自由度，所述机械臂的承载能力大于额定负载，所述额定负载大于300kg。优选地，所述的基于激光跟踪测量与力传感联合控制的机械臂辅助部件装配方法，其特征在于，所述力传感器是六维力传感器，所述力传感器能够测量三个正交力分量，以及三个正交力矩分量。优选地，所述位姿是与测量对象固连的空间直角坐标系，所述位姿具有6个特征值，所述位姿用坐标系原点空间3个坐标值及3个正交坐标轴方位向量表达，所述位姿通过测量被测对象上至少3个不在同一直线方向上的空间坐标点来拟合。优选地，所述的预定装配初始位姿是将目标装配体安装面上M个安装孔的空间位姿坐标P1沿安装面外法向平移距离D得到P1′，将待装配体安装面上M个安装孔的空间位姿P0，令T为待求的空间转换6维齐次矩阵，通过算法对P0×T与P1′进行最佳拟合，得出T为引导区理想装配初始位姿转换矩阵。优选地，所述的人工牵引机械臂运动模式为结合力传感反馈控制，通过力传感器测量由人或目标装配体作用于末端执行器或待装配部件上外力或外力矩的变化，控制机械臂末端执行器姿态的微调，以减少或消除外力和外力矩变化，使得人工牵引机械臂运动模式下姿态的微调。根据一种基于激光跟踪测量与力传感联合控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光跟踪测量与力传感联合控制的机械臂辅助部件装配方法，其特征在于，包括：/n设置步骤：在机械臂、待装配部件、目标装配体外围可观测区域设置跟踪仪，与工控机上测量系统进行连接；/n设置力传感器步骤：在机械臂末端法兰与末端执行器之间设置力传感器，力传感器与工控机上机械臂装配控制系统进行连接；/n测量处理步骤：对机械臂末端执行器、待装配部件、目标装配体的位姿以及待装配部件、目标装配体上配合安装孔位置点进行测量，测量数据通过处理，将位姿测量数据统一转化成基于目标装配体坐标系的表达，获取供机械臂装配控制系统读取信息；/n拟合路径步骤：根据供机械臂装配控制系统读取信息，机械臂辅助装配控制系统读取位姿测量数据，规划目标装配引导区域、预定装配初始位姿、待装配部件的空间运动路径；/n安装夹持步骤：通过示教器，人工控制机械臂末端移动至待装配部件放置区域预定位置，完成待装配部件的安装夹持，然后控制机械臂末端竖直向上平移预定距离，通过力传感器测量数据计算待装配部件的质心、重量，获取待装配部件质心信息、待装配部件重量信息；/n位姿微调步骤：根据待装配部件质心信息、待装配部件重量信息，设置待装配部件移动至目标装配引导区域，待装配部件位姿微调工序过程中机械臂末端运动控制参数、力传感控制参数，获取位置微调信息；/n调整到预定装配初始位姿步骤：根据位置微调信息，将控制参数及指令传输至机械臂控制器，机械臂末端执行器夹持待装配部件一次性平稳移动至目标装配引导区域内，调整到预定装配初始位姿；/n逐步对齐步骤：将控制参数及指令传输至机械臂控制器，启用人工牵引机械臂运动模式，启用力传感反馈控制，由人手动引导机械臂末端执行器对部件姿态微调，使待装配部件与目标装配体上相应配合安装孔逐步对齐，安装面逐步贴近、接触，达到紧固件安装精度范围后，将待装配部件与目标装配体紧固连接；/n卸载卸除步骤：机械臂辅助装配控制系统将控制参数及指令传输至机械臂控制器，对机械臂末端执行器进行已装配部件的重力卸载，人工卸除末端执行器与所夹持工件间的连接件，机械臂运动返回至初始位姿；/n测量数据存储步骤：对装配部件实际装配位姿进行测量，得出相对于目标装配体坐标系的实际安装位姿精度，获取装配部件实际装配位姿测量结果信息；/n根据装配部件实际装配位姿测量结果信息，将测量结果传递给机械臂辅助装配控制系统，获取装配质量数据包信息。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于激光跟踪测量与力传感联合控制的机械臂辅助部件装配方法，其特征在于，包括：
设置步骤：在机械臂、待装配部件、目标装配体外围可观测区域设置跟踪仪，与工控机上测量系统进行连接；
设置力传感器步骤：在机械臂末端法兰与末端执行器之间设置力传感器，力传感器与工控机上机械臂装配控制系统进行连接；
测量处理步骤：对机械臂末端执行器、待装配部件、目标装配体的位姿以及待装配部件、目标装配体上配合安装孔位置点进行测量，测量数据通过处理，将位姿测量数据统一转化成基于目标装配体坐标系的表达，获取供机械臂装配控制系统读取信息；
拟合路径步骤：根据供机械臂装配控制系统读取信息，机械臂辅助装配控制系统读取位姿测量数据，规划目标装配引导区域、预定装配初始位姿、待装配部件的空间运动路径；
安装夹持步骤：通过示教器，人工控制机械臂末端移动至待装配部件放置区域预定位置，完成待装配部件的安装夹持，然后控制机械臂末端竖直向上平移预定距离，通过力传感器测量数据计算待装配部件的质心、重量，获取待装配部件质心信息、待装配部件重量信息；
位姿微调步骤：根据待装配部件质心信息、待装配部件重量信息，设置待装配部件移动至目标装配引导区域，待装配部件位姿微调工序过程中机械臂末端运动控制参数、力传感控制参数，获取位置微调信息；
调整到预定装配初始位姿步骤：根据位置微调信息，将控制参数及指令传输至机械臂控制器，机械臂末端执行器夹持待装配部件一次性平稳移动至目标装配引导区域内，调整到预定装配初始位姿；
逐步对齐步骤：将控制参数及指令传输至机械臂控制器，启用人工牵引机械臂运动模式，启用力传感反馈控制，由人手动引导机械臂末端执行器对部件姿态微调，使待装配部件与目标装配体上相应配合安装孔逐步对齐，安装面逐步贴近、接触，达到紧固件安装精度范围后，将待装配部件与目标装配体紧固连接；
卸载卸除步骤：机械臂辅助装配控制系统将控制参数及指令传输至机械臂控制器，对机械臂末端执行器进行已装配部件的重力卸载，人工卸除末端执行器与所夹持工件间的连接件，机械臂运动返回至初始位姿；
测量数据存储步骤：对装配部件实际装配位姿进行测量，得出相对于目标装配体坐标系的实际安装位姿精度，获取装配部件实际装配位姿测量结果信息；
根据装配部件实际装配位姿测量结果信息，将测量结果传递给机械臂辅助装配控制系统，获取装配质量数据包信息。


2.根据权利要求1所述的基于激光跟踪测量与力传感联合控制的机械臂辅助部件装配方法，其特征在于，包括：
生成最优轨迹步骤：根据工艺参数、现场空间限制参数，设置运动路径上的位置点，机械臂辅助装配控制系统将运动路径点矩阵通过指令传输至机械臂运动控制器，生成可操作机械臂运动的轨迹；
所述路径规划是控制机械臂末端夹持待装配部件依次移动的一个或者多个空间位置点...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘仁伟，谢永权，陈小弟，侯鹏，杨凯，袁佳晶，裴佩，张蓉，李强，张敬伟，杨兴，成功，
申请(专利权)人：上海卫星装备研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31