航天器機(jī)械臂輔助裝配安全工作空間建立及干涉預(yù)警方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)械臂控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種航天器機(jī)械臂輔助裝配安全工作空間建立及干涉預(yù)警方法。
【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)械臂是具有模仿人類手臂功能并可完成各種作業(yè)的自動控制設(shè)備，有多關(guān)節(jié)連結(jié)，能夠接受指令并精確地定位到三維空間或二維平面中的點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)。機(jī)械臂承載能力大，剛性好，按照接收到的指令進(jìn)行運(yùn)動，通常不具備靈敏檢測與響應(yīng)與外界碰撞的能力?，F(xiàn)有機(jī)械臂產(chǎn)品中，通常采用關(guān)節(jié)電機(jī)電流檢測機(jī)械臂與外界的碰撞，當(dāng)電流值高于設(shè)定的閾值時(shí)，機(jī)械臂停止運(yùn)動。
[0003]航天器研制通常為單件小批量，與大批量工業(yè)產(chǎn)品相比，裝配工況不固定，變化多樣。應(yīng)用機(jī)械臂進(jìn)行航天器裝配，難以采用大批量產(chǎn)品流水線中的全自動工作方式，需要機(jī)械臂與操作者配合完成裝配操作，在一些環(huán)節(jié)需要操作者手動控制機(jī)械臂動作。人控制機(jī)械臂的操作方式具有充分的柔性，適用于航天器變化多樣的工況，但這種方式在增加柔性的同時(shí)也增加了干涉、碰撞發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，操作者難以時(shí)刻觀察到工作環(huán)境中的每個(gè)角落，在干涉發(fā)生時(shí)反應(yīng)不及時(shí)，將對被裝配的產(chǎn)品帶來損傷。機(jī)械臂產(chǎn)品自有的電機(jī)電流檢測功能能夠保護(hù)機(jī)械臂本體的電機(jī)、結(jié)構(gòu)等不受損傷，但其靈敏程度不足以保證被操作產(chǎn)品的安全，當(dāng)電流保護(hù)動作時(shí)，機(jī)械臂末端產(chǎn)生的力已足以對產(chǎn)品造成破壞。因此，在機(jī)械臂的航天器裝配應(yīng)用中，如何對干涉做出自動預(yù)警，保證產(chǎn)品安全，是需要解決的一個(gè)重要問題。
[0004]本發(fā)明提出一種航天器機(jī)械臂輔助裝配安全工作空間建立及干涉預(yù)警方法，在計(jì)算機(jī)虛擬三維環(huán)境下根據(jù)機(jī)械臂及裝配產(chǎn)品模型等邊界條件，建立機(jī)械臂的安全工作空間，在機(jī)械臂實(shí)際工作時(shí)，虛擬環(huán)境中的機(jī)械臂實(shí)時(shí)跟蹤機(jī)械臂的實(shí)際運(yùn)動，并實(shí)時(shí)與安全工作空間邊界進(jìn)行虛擬干涉檢查，當(dāng)虛擬機(jī)械臂達(dá)到安全工作空間邊界時(shí)，系統(tǒng)作出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)干涉預(yù)警，避免實(shí)際中機(jī)械臂發(fā)生干涉碰撞，保證產(chǎn)品的安全。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種航天器機(jī)械臂輔助裝配安全工作空間建立及干涉預(yù)警方法，解決應(yīng)用機(jī)械臂進(jìn)行航天產(chǎn)品裝配過程中的干涉預(yù)警問題，保證航天器產(chǎn)品的安全。
[0006]本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]航天器機(jī)械臂輔助裝配安全工作空間建立及干涉預(yù)警方法，包括如下步驟:
[0008]I)在控制系統(tǒng)的虛擬環(huán)境中導(dǎo)入與實(shí)物外形尺寸一致的機(jī)械臂、待裝配產(chǎn)品及工作環(huán)境中的相關(guān)物體的三維模型；
[0009]2)實(shí)際測量機(jī)械臂與待裝配產(chǎn)品的相對位置和相對姿態(tài)，并根據(jù)測量值對應(yīng)設(shè)置虛擬環(huán)境中機(jī)械臂與待裝配產(chǎn)品的相對位置和相對位姿，使其與實(shí)際測量結(jié)果一致；
[0010]3)在虛擬環(huán)境中確定機(jī)械臂運(yùn)動的最大邊界范圍，作為機(jī)械臂的安全工作空間，機(jī)械臂及其附帶物體在此邊界范圍活動時(shí)不與周圍物體發(fā)生干涉；安全工作空間的邊界根據(jù)工作環(huán)境中機(jī)械臂周圍物體的表面確定，確定的原則是機(jī)械臂在安全工作空間內(nèi)運(yùn)動既能完成搬運(yùn)裝配的動作，又能保證不會與周圍物體發(fā)生干涉；
[0011]4)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視機(jī)械臂的運(yùn)動狀態(tài)，虛擬環(huán)境中的機(jī)械臂實(shí)時(shí)跟蹤反映真實(shí)機(jī)械臂的運(yùn)動，在虛擬環(huán)境中通過三維模型干涉檢查判斷機(jī)械臂及其附帶物體是否達(dá)到安全工作空間邊界；
[0012]5)當(dāng)干涉檢查判斷發(fā)生干涉時(shí)，停止機(jī)械臂正在進(jìn)行的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)碰撞預(yù)警，在后續(xù)操作中根據(jù)干涉情況控制機(jī)械臂運(yùn)動，使機(jī)械臂及其附帶物體不進(jìn)一步超出安全空間邊界。
[0013]上述技術(shù)方案中，所述機(jī)械臂是串聯(lián)式的機(jī)器人，通常具有6個(gè)自由度，可直接采用成熟的工業(yè)機(jī)器人。
[0014]上述技術(shù)方案中，所述控制系統(tǒng)的虛擬環(huán)境是運(yùn)行于計(jì)算機(jī)上的三維可視環(huán)境。所述機(jī)械臂、待裝配產(chǎn)品的三維模型采用機(jī)械臂、產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模型，若設(shè)計(jì)模型與實(shí)物偏差較大，通過測量手段測量，根據(jù)測量結(jié)果重新建立三維模型。
[0015]上述技術(shù)方案中，所述機(jī)械臂的附帶物體是指安裝在機(jī)械臂本體之上，隨機(jī)械臂一起運(yùn)動的物體，如安裝于機(jī)械臂末端用于夾持工件的夾具、被夾持的工件等。
[0016]上述技術(shù)方案步驟4)中，控制系統(tǒng)通過機(jī)械臂上傳的各軸位置數(shù)據(jù)監(jiān)視機(jī)械臂的運(yùn)動，通過得到的各軸位置數(shù)據(jù)驅(qū)動虛擬環(huán)境中的機(jī)械臂，使虛擬的機(jī)械臂實(shí)時(shí)跟蹤反映真實(shí)機(jī)械臂的運(yùn)動。
[0017]上述技術(shù)方案步驟4)中，所述干涉檢查是指在虛擬環(huán)境中判斷不同對象的幾何模型之間是否發(fā)生了相交重疊，常見的干涉檢查方法有包圍盒檢測方法、曲面求交方法等。
[0018]上述技術(shù)方案中，安全工作空間的邊界根據(jù)工作環(huán)境中機(jī)械臂周圍物體的表面確定，確定的原則是機(jī)械臂在安全工作空間內(nèi)運(yùn)動既能完成搬運(yùn)裝配的動作，又能保證不會與周圍物體發(fā)生干涉。考慮到模型與實(shí)物的偏差，以及系統(tǒng)檢測控制的延時(shí)，安全工作空間的邊界可以在周圍物體表面的基礎(chǔ)上，向內(nèi)保持適當(dāng)?shù)木嚯x，保證虛擬環(huán)境中機(jī)械臂到達(dá)安全工作空間邊界時(shí)，實(shí)際中機(jī)械臂不發(fā)生干涉碰撞。
[0019]上述技術(shù)方案中，當(dāng)機(jī)械臂接近安全工作空間邊界時(shí)，可根據(jù)接近程度適當(dāng)降低機(jī)械臂的運(yùn)動速度。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出的機(jī)械臂安全工作空間建立及干涉預(yù)警方法能夠在航天器的機(jī)械臂裝配中，特別在機(jī)械臂手動控制的情況下，自動將機(jī)械臂約束在安全的工作范圍內(nèi)，保證產(chǎn)品的安全；并利用虛擬監(jiān)視、干涉檢查的方式約束機(jī)械臂運(yùn)動，適用于多變復(fù)雜的工況，相較于硬件限位手段應(yīng)用更為靈活，通過在虛擬環(huán)境下建立安全空間，實(shí)時(shí)監(jiān)視機(jī)械臂的運(yùn)動狀態(tài)并進(jìn)行干涉檢查，實(shí)現(xiàn)干涉預(yù)警，保證產(chǎn)品的安全。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的機(jī)械臂安全工作空間建立及干涉預(yù)警方法中機(jī)械臂安全工作空間的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]I 一機(jī)械臂、2 —機(jī)械臂控制器、3 —夾具、4 一工件、5 —待裝配腔體、6 —計(jì)算機(jī)、7 一計(jì)算機(jī)顯示器、8 —安全工作空間邊界。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的機(jī)械臂安全工作空間建立及干涉預(yù)警方法進(jìn)行進(jìn)一步說明，該說明僅僅是示例性的，并不旨在限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0024]如圖1所示，機(jī)械臂I在機(jī)械臂控制器2的直接控制下運(yùn)動，夾具3安裝在機(jī)械臂I的末端，工件4被夾具3夾持，機(jī)械臂I帶動工件4運(yùn)送至待裝配腔體5的指定位置進(jìn)行裝配。計(jì)算機(jī)6與