一种冗余自由度液压重载机器臂主动安全系统技术方案

本发明专利技术提供一种冗余自由度液压重载机器臂主动安全系统，包括：传感器系统模块，用于实时采集系统状态和作业环境信息并反馈给控制系统模块；控制系统模块，用于接收传感器系统模块的反馈信息，并根据作业任务规划作业路径，向驱动动力模块发出控制指令；驱动动力模块，用于将控制指令转化为驱动指令，为执行机构模块提供作业的动力；执行机构模块，用于根据驱动指令按规定的动作顺序完成作业任务；云端服务器模块，用于配置系统策略，记录作业过程日志并存储，为用户提供远端可视化功能；主动安全模块，用于检测来自网络域、物理域的入侵攻击，发掘潜在安全隐患，保证网络和本地设备安全可靠运行。本发明专利技术能够提高重载机械臂的安全性和可靠性。

An active safety system of redundant degrees of freedom hydraulic heavy-duty machine arm

【技术实现步骤摘要】
一种冗余自由度液压重载机器臂主动安全系统
本专利技术涉及重载机械臂安全控制
，特别涉及一种冗余自由度液压重载机器臂主动安全系统。
技术介绍
重载机械臂系统是最复杂的信息物理系统之一。在全球工业领域的重型装备制造、协同搬运、精细装配以及复杂环境重型装备维护等方面，重载机械臂具有不可替代的重要作用，特别是面向如航空航天等高精尖科技领域，已成为解决大负载作业，提高工作效率、生产安全、降低人工成本等重大需求问题的核心必备装备。然而现阶段，关于重载机械臂主动安全技术研究较少,安全可靠性较低，制约着重载机械臂在工业领域的应用。针对目前存在的重载机械臂应用需求巨大和安全性能较低的矛盾，提高液液压重载机械臂主动安全能力，开发主动安全系统是重载机械臂进一步发展的必然选择。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种冗余自由度液压重载机器臂主动安全系统，以解决现有技术所存在的重载机械臂安全性能相对较低、作业安全保障不足的问题。为解决上述技术问题，本专利技术的实施例提供如下方案：一种冗余自由度液压重载机器臂主动安全系统，包括传感器系统模块、控制系统模块、驱动动力模块、执行机构模块、云端服务器模块及主动安全模块；其中，所述传感器系统模块用于实时采集系统状态和作业环境信息并反馈给所述控制系统模块；所述控制系统模块用于接收所述传感器系统模块的反馈信息，并根据作业任务规划作业路径，向所述驱动动力模块发出控制指令，协调完成作业任务；所述驱动动力模块用于接收所述控制指令，并将所述控制指令转化为驱动指令，为所述执行机构模块提供作业的动力；所述执行机构模块用于根据所述驱动指令，按规定的动作顺序完成作业任务；所述云端服务器模块用于配置机械臂控制系统策略，记录作业过程日志并存储，为用户提供远端可视化功能；所述主动安全模块用于检测来自网络域、物理域的入侵攻击，发掘潜在安全隐患，保证网络和本地设备安全可靠运行。优选地，所述控制系统模块为ROS控制系统模块，运行在Linux系统下，包括ROS界面、ROS层、Moveit层、ROS应用层、ROS配置层、ROS接口层、ROS信息传输层和ROS控制层。优选地，所述控制系统模块包括Descartes规划器、Trac-IK逆解器、动态运动基元和信号IO处理单元；所述Descartes规划器用于液压重载机械臂作业任务路径规划，包括关节轨迹规划和笛卡尔空间轨迹规划，或者两种组合成为混合轨迹规划；所述Trac-IK逆解器用于将作业目标点位姿转化到机械臂系统坐标系，并逆解各个关节需要运动的位移和速度；所述动态运动基元用于提高机械臂运动轨迹的流畅性和平滑性，防止作业卡顿、停滞和较大幅度震动；所述信号IO处理单元用于接收所述传感器系统模块、所述驱动动力模块、所述主动安全模块的信号，并将处理后的控制指令、日志记录、系统状态传输给相应接收模块。优选地，所述信号IO处理单元包括TF6100、TF6310、TF6340软件接口，支持RS232/422/485、USB2.0/3.0、RJ45协议通信。优选地，所述驱动动力模块包括驱动装置和多个液压马达；所述驱动装置用于将所述控制系统模块的控制指令分解为关节机械臂转矩和转速的驱动指令，并将所述驱动指令传输给所述液压马达；所述液压马达用于将所述驱动指令转化为实际的力和转速，驱动所述执行机构模块运行。优选地，所述执行机构模块包括机械臂本体和机械臂移动底座；所述机械臂本体包括机械臂关节和抓具，用于按步骤执行作业任务，完成路径规划的作业目标；所述机械臂移动底座，用于支撑所述机械臂本体，为所述机械臂本体提供控制平台并扩大作业范围。优选地，所述机械臂关节包括大臂回转关节、第一俯仰关节、伸缩关节、偏航关节、滚转关节和第二俯仰关节；所述抓具用于抓取、运输和放置作业目标，且能够更换。优选地，所述云端服务器模块包括云端服务器及可视化单元；所述云端服务器用于配置机械臂控制系统策略，记录作业过程日志并存储，通过以太网与本地机械臂系统连接；所述可视化模块用于显示机械臂系统作业现场情况，以及显示传感器系统信息，为远程监控人员提供信息反馈。优选地，所述主动安全模块，包括网络域安全子模块、物理域安全子模块和作业安全子模块；所述网络域安全子模块用于检测来自网络域的攻击，包括数据注入、拒绝服务、窃听、中间人攻击，保证信息安全；所述物理域安全子模块用于检测来自物理域的安全状态，包括设备状态、运行时间、本地文件安全和通信，保证设备安全；所述作业安全子模块，用于检测系统存在的安全隐患，建立作业安全数据集，从系统级和单元级分析运行数据，避免碰撞，保证作业安全。优选地，所述传感器系统模块包括：位移传感器、惯性测量单元、视觉传感器、超声波探测器、力传感器和网络流量分析仪；所述位移传感器用于检测各个关节的位移情况并实时反馈回所述控制系统模块，校正系统路径规划轨迹；所述惯性测量单元由加速度计和陀螺仪组成，用于测量所述执行机构模块末端抓具的姿态信息，确定末端姿态信息；其中，加速度计用于测量末端抓具的角加速度信息，陀螺仪用于测量末端抓具的角速度信息；所述视觉传感器用于作业目标及障碍物识别与位姿解算，实时反馈作业环境信息，构建三维环境模型，增强现实的显示作业环境情况，辅助完成液压重载机械臂作业任务；所述超声波探测器用于测量机械臂本体与作业环境的距离，包括作业目标、障碍物及其他环境设备，防止作业过程中的意外碰撞，所采集信息反馈给所述控制系统模块和所述主动安全模块；所述力传感器用于采集各关节力矩及末端抓具接触力，实时反馈作用力情况，辅助装配，同时防止接触力、关节力矩过大损害设备；所述网络流量分析仪用于监测系统运行过程中所产生的数据流量，及时发现数据流量异常情况，保障系统信息安全和作业安全。本专利技术的上述方案至少包括以下有益效果：上述方案中，本专利技术通过控制系统模块接收传感器系统模块的信息反馈，根据作业任务路径规划结果向驱动动力模块发出操作指令；通过驱动动力模块实现接收控制系统模块发出的控制指令，将控制指令转化为驱动指令，驱动执行机构模块运动；执行机构模块按照驱动动力模块驱动指令和驱动力完成相应的作业任务；云端服务器模块实现配置机械臂控制系统策略，记录作业过程日志并存储，为用户提供远端可视化功能；主动安全模块实现检测来自物理域、网络域的入侵攻击，发掘潜在安全隐患，保证网络和本地设备安全可靠运行。在机械臂系统运行过程中，既考虑了网络域安全，又兼顾了物理域安全，通过多种传感器和网络域、物理域安全保障了作业安全，提高了系统的安全性和可靠性。附图说明图1是本专利技术实施例提供的冗余自由度液压重载机械臂主动安全系统结构示意图；图2是本专利技术实施例提供的ROS控制系统模块的原理框图；图3是本专利技术实施例提供的ROS控制系统模块的工作流程图；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冗余自由度液压重载机器臂主动安全系统，其特征在于，包括传感器系统模块、控制系统模块、驱动动力模块、执行机构模块、云端服务器模块及主动安全模块；其中，/n所述传感器系统模块用于实时采集系统状态和作业环境信息并反馈给所述控制系统模块；/n所述控制系统模块用于接收所述传感器系统模块的反馈信息，并根据作业任务规划作业路径，向所述驱动动力模块发出控制指令，协调完成作业任务；/n所述驱动动力模块用于接收所述控制指令，并将所述控制指令转化为驱动指令，为所述执行机构模块提供作业的动力；/n所述执行机构模块用于根据所述驱动指令，按规定的动作顺序完成作业任务；/n所述云端服务器模块用于配置机械臂控制系统策略，记录作业过程日志并存储，为用户提供远端可视化功能；/n所述主动安全模块用于检测来自网络域、物理域的入侵攻击，发掘潜在安全隐患，保证网络和本地设备安全可靠运行。/n

【技术特征摘要】
1.一种冗余自由度液压重载机器臂主动安全系统，其特征在于，包括传感器系统模块、控制系统模块、驱动动力模块、执行机构模块、云端服务器模块及主动安全模块；其中，
所述传感器系统模块用于实时采集系统状态和作业环境信息并反馈给所述控制系统模块；
所述控制系统模块用于接收所述传感器系统模块的反馈信息，并根据作业任务规划作业路径，向所述驱动动力模块发出控制指令，协调完成作业任务；
所述驱动动力模块用于接收所述控制指令，并将所述控制指令转化为驱动指令，为所述执行机构模块提供作业的动力；
所述执行机构模块用于根据所述驱动指令，按规定的动作顺序完成作业任务；
所述云端服务器模块用于配置机械臂控制系统策略，记录作业过程日志并存储，为用户提供远端可视化功能；
所述主动安全模块用于检测来自网络域、物理域的入侵攻击，发掘潜在安全隐患，保证网络和本地设备安全可靠运行。


2.根据权利要求1所述的冗余自由度液压重载机器臂主动安全系统，其特征在于，所述控制系统模块为ROS控制系统模块，运行在Linux系统下，包括ROS界面、ROS层、Moveit层、ROS应用层、ROS配置层、ROS接口层、ROS信息传输层和ROS控制层。


3.根据权利要求1所述的冗余自由度液压重载机器臂主动安全系统，其特征在于，所述控制系统模块包括Descartes规划器、Trac-IK逆解器、动态运动基元和信号IO处理单元；
所述Descartes规划器用于液压重载机械臂作业任务路径规划，包括关节轨迹规划和笛卡尔空间轨迹规划，或者两种组合成为混合轨迹规划；
所述Trac-IK逆解器用于将作业目标点位姿转化到机械臂系统坐标系，并逆解各个关节需要运动的位移和速度；
所述动态运动基元用于提高机械臂运动轨迹的流畅性和平滑性，防止作业卡顿、停滞和较大幅度震动；
所述信号IO处理单元用于接收所述传感器系统模块、所述驱动动力模块、所述主动安全模块的信号，并将处理后的控制指令、日志记录、系统状态传输给相应接收模块。


4.根据权利要求3所述的冗余自由度液压重载机器臂主动安全系统，其特征在于，所述信号IO处理单元包括TF6100、TF6310、TF6340软件接口，支持RS232/422/485、USB2.0/3.0、RJ45协议通信。


5.根据权利要求1所述的冗余自由度液压重载机器臂主动安全系统，其特征在于，所述驱动动力模块包括驱动装置和多个液压马达；
所述驱动装置用于将所述控制系统模块的控制指令分解为关节机械臂转矩和转速的驱动指令，并将所述驱动指令传输给所述液压马达；
所述液压马达用于将所述驱动指令转化为实际的力和转速，驱动所述执行机构模块运行。


6.根据权利要求1所述的冗余自由度液压重载机器臂主动安全系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：解仑，李连鹏，张海鑫，王志良，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11