自主移動機構法矢檢測與調姿運動方法

2023-05-25 06:50:06

自主移動機構法矢檢測與調姿運動方法
【專利摘要】一種自主移動機構法矢檢測與調姿運動方法，其特徵是它包括以下步驟：首先，在自主移動機構末端執行器上安裝有三個或四個雷射測距傳感器；其次，利用三個或四個雷射測距傳感器所測的值求得所測制孔平面法矢n；第三，根據上述測量計算所的制孔平面法矢n通過調姿運動反解算法，得到自主移動機構到達制孔法矢的各腿驅動量，用於控制系統實現調姿運動；最後，根據上述測量計算所的制孔平面法矢n通過調姿運動反解算法，得到自主移動機構到達制孔法矢時，刀具的偏移量，用於控制系統實現刀具偏移糾正。本發明方法簡單，易於控制，控制精度高，高效快速。
【專利說明】自主移動機構法矢檢測與調姿運動方法
【技術領域】
本發明涉及一種飛機裝配的自主移動機構，尤其是一種飛機裝配過程中自主移動機構的法矢檢測、法矢調姿及刀具補償方法，具體地說是一種自主移動機構法矢檢測與調姿運動方法。
【背景技術】
目前，飛機結構採用的主要連接方法是機械連接，一架大型飛機上大約有150萬?200萬個鉚釘和螺栓，為了滿足現代飛機高壽命的要求，首先要保證機械連接的安全性和可靠性。近年來，為保證飛機裝配質量，提高機體的疲勞壽命，實現大批量生產中的低成本和高效率，以B787，A380, C-17等為代表的現代新型大型飛機裝配過程中大量採用了自動化裝配技術。飛機自動化裝配系統的發展主要為兩個方向。一種是成本較高的、適用於批量較大產品的大型專用自動化裝配系統，如MPAC、VPAC等。另一種是成本較低的、適用於批量較小產品的輕型自動化裝配系統，該種系統的發展方向為輕型化、柔性化、模塊化，目前其典型代表有基於工業機器臂自動裝配系統、柔性軌道自動化裝配系統。
基於工業機器臂自動裝配系統是利用市場上通用的工業機器臂為設備本體，配合相應的末端執行器組成的自動化裝配系統。其具有機體結構成熟，集成實現較為容易，工作靈活等優點，但存在活動範圍較小、結構較大和可移動性差的缺點。基於柔性軌道的自動化裝配系統，則是以柔性軌道為平臺，吸附在表面上，配上相應的末端執行器，完成自動化制孔等工作，如波音公司申請的中國發明專利CN200580025525.X所公開的柔性軌道多軸工具機及方法。但是，這種基於柔性軌道的自動化裝配系統也存在結構較大和移動性差的缺點，尤其是，這種系統需要另外安裝軌道，對工裝的要求較多，工作前期準備時間較長等缺點。
自主移動機構(如圖1所示可參見中國專利CN201310030879.X)，屬於八足並聯機構，機構在工作狀態下具有並聯機構高剛度、高精度、高承載力的特點，可於飛機產品表面行走並進行定位，且具備實現法向調姿的能力，但由於結構複雜，正解算法很難運用於其運動求解的過程中，並且其結構的特殊性，不能應用普適並聯機構的算法。鑑於其多應用於曲面蒙皮表面，決定了其運動的複雜性，決定了算法複雜，控制難度大，對此目前尚無理想的解決方法。

【發明內容】

本發明的目的是針對現有的八足自主移動機構定位和移動難度大的問題，藉助於雷射測距器，發明一種自主移動機構法矢檢測與調姿運動方法。
本發明的技術方案是:
一種自主移動機構法矢檢測與調姿運動方法，其特徵是它包括以下步驟:
首先，在自主移動機構末端執行器上安裝有三個或四個雷射測距傳感器；
其次，利用三個或四個雷射測距傳感器所測的值求得所測制孔平面法矢η ；
第三，根據上述測量計算所的制孔平面法矢η通過調姿運動反解算法，得到自主移動機構到達制孔法矢的各腿驅動量，用於控制系統實現調姿運動；
最後，根據上述測量計算所的制孔平面法矢η通過調姿運動反解算法，得到自主移動機構到達制孔法矢時，刀具的偏移量，用於控制系統實現刀具偏移糾正。
所述的平面法矢η的確定方法包括利用三個雷射測距傳感器和利用四個雷射測距傳感器所測的值確定製孔位置的平面法矢η ;
所述的利用三個雷射測距傳感器所測的值求得的平面法矢η: η= (I, m, n) 1=C1B1 X B1A1 (I)
其中由矢量關係可得矢量C1B1如公式(2)所示，注意矢量的方向，
CiBCiC+CB+BBi
= (IC1Cl-1BB1I).(0,0,1)T-|CB.(ο，ι，ο)τ ⑵
同理由矢量關係可得矢量B1A1如公式(3)所示，注意矢量的方向 Β1Α1=Β1Β+Μ+ΑΑ1
= (IB1Bl-1AA1I).(0,0, 1)τ+1 BA.(1，0，0)T (3)
式(2)、(3)中參數為各個雷射傳感器的測量值，將式(2) (3)代入公式⑴即可求得所測平面法矢η ；
所述的利用四個雷射測距傳感器所測的值求得的平面法矢η可再由公式(4)求解刀 具點的法向量，與公式(I)的結果取平均值作為所測平面法矢，提高了測量精度。
(l,m, n) LD1C1XD1A1
WhereD1C1=(ID1Dl-1C1Cl).(0，0，I)τ-1 CD |.(1，0，0)T (4)
D1A1=(ID1Dl-1A1Al).(0,0, 1)T-|AD.(O, 1,0)τ
如果A、B、C、D中有一個偏差很大，說明該處脫離測量範圍(如在邊緣上測量或某處有空洞)，則採用其餘三點的數據計算法向:
①當A點超範圍，則用B、C、D計算，如公式(5)

(l,m, n) C1B1XC1D1 (5)
②當B點超範圍，則用Α、C、D計算，如公式(4)
③當C點超範圍，則用Α、B、D計算，如公式(6)

(l,m, n) A1D1XA1B1 (6)
④當D點超範圍,則用Α、B、C計算,如公式(I)所示；
以上公式中，設自主移動機構動平臺的法向量與制孔主軸始終平行，記％=(，0，1)τ，雷射測距傳感器Α、B、C、D，測距測量線的向量方向同制孔主軸平行，也為％=(，0，1)τ，測距傳感器ABCD平面平行於自主移動機構框身，且BA與外框架平行，記初始狀態下BA方向為(1，0，0)T，BC與外框架垂直，記初始狀態下BC方向為(O, 1,0)T, A1AU B1BU C1CU D1D即為相應傳感器測量距離；檢測曲面A1B1C1D1區域近似看成一個平面(實際情況一般A1B1C1和A1B1D1是兩個平面)，法矢檢測即測曲面A1B1C1D1法向量，即平面A1B1Ci (和平面A1B1D1)的法向量；所測制孔法矢，也稱為調姿目標法矢，記為n=(l，m, η)τ。
所述的調姿運動反解算法是指自主移動機構由％=(，O, I)τ調姿到n=(l，m, η)τ狀態，反解八個腿升降的位移量和刀具點的偏移量；
自主移動機構調姿時只有3個自由度，其中旋轉自由度僅有Α、Β角兩個方向的轉動，即為自主移動機構的俯仰與側滾動作，自主移動機構腿2僅有一平行於外框方向的補償量，故自主移動機構由Iitl= (O, O, I)τ調姿到n= (I, m, η)τ的過程，也可認為自主移動機構經B向
擺角科，A向擺角A到達的位姿；
根據坐標旋轉變換運算，動坐標系Om與定坐標系Ob的坐標轉換矩陣Rbm如式(7)所示；
因為空間旋轉矩陣為正交矩陣，故Rbm存在逆矩陣，且RbnT1=Rbn^
【權利要求】
1.一種自主移動機構法矢檢測與調姿運動方法，其特徵是它包括以下步驟: 首先，在自主移動機構末端執行器上安裝有三個或四個雷射測距傳感器； 其次，利用三個或四個雷射測距傳感器所測的值求得所測制孔平面法矢η ； 第三，根據上述測量計算所的制孔平面法矢η通過調姿運動反解算法，得到自主移動機構到達制孔法矢的各腿驅動量，用於控制系統實現調姿運動； 最後，根據上述測量計算所的制孔平面法矢η通過調姿運動反解算法，得到自主移動機構到達制孔法矢時，刀具的偏移量，用於控制系統實現刀具偏移糾正。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵是所述的平面法矢η的確定方法包括利用三個雷射測距傳感器和利用四個雷射測距傳感器所測的值確定製孔位置的平面法矢η ； 所述的利用三個雷射測距傳感器所測的值求得的平面法矢η: η= (I, m, n) 1^=C1B1 XB1A1 (I) 其中由矢量關係可得矢量C1B1如公式(2)所示，注意矢量的方向，
CiB^CiC+CB+BBi
= (IC1Cl-BB1I).(0,0, Dt-1cb.(ο，ι，ο)τ ⑵ 同理由矢量關係可得矢量B1A1如公式(3)所示，注意矢量的方向 Β1Α1=Β1Β+Μ+ΑΑ1
= (IB1Bl-1AA1I).(0,0, 1)τ+1 BA.(1，0，0)T (3) 式(2)、(3)中參數為各個雷射傳感器的測量值，將式(2) (3)代入公式⑴即可求得所測平面法矢η ； 所述的利用四個雷射測距傳感器所測的值求得的平面法矢η可再由公式(4)求解刀 具點的法向量，與公式(I)的結果取平均值作為所測平面法矢，提高了測量精度。
(l,m, n) LD1C1XD1A1
WhereD1C1=(ID1Dl-1C1Cl).(0，0，I)τ-1 CD |.(1，0，0)T (4)
D1A1=(ID1Dl-1A1Al).(0,0, 1)T-|AD.(O, 1,0)τ 如果A、B、C、D中有一個偏差很大，說明該處脫離測量範圍，則採用其餘三點的數據計算法向: ①當A點超範圍，則用B、C、D計算，如公式(5)

(l,m, n) ^C1B1XC1D1 (5) ②當B點超範圍，則用Α、C、D計算，如公式(4) ③當C點超範圍，則用Α、B、D計算，如公式(6)

(l,m, n) ^A1D1XA1B1 (6) ④當D點超範圍,則用Α、B、C計算,如公式(I)所示； 以上公式中，設自主移動機構動平臺的法向量與制孔主軸始終平行，記％=(，0，1)τ,雷射測距傳感器Α、B、C、D，測距測量線的向量方向同制孔主軸平行，也為％=(，0，1)τ，測距傳感器AB⑶平面平行於自主移動機構框身，且BA與外框架平行，記初始狀態下BA方向為(1，0，0)T，BC與外框架垂直，記初始狀態下BC方向為(O, 1,0)T, A1AU B1BU C1CUId1D即為相應傳感器測量距離；檢測曲面A1B1C1D1區域近似看成一個平面，法矢檢測即測曲面A1B1C1D1法向量，即平面A1B1C1的法向量；所測制孔法矢，也稱為調姿目標法矢，記為n=(l, m, η)τ。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵是所述的調姿運動反解算法是指自主移動機構由％=(0，O, 1)τ調姿到n=(l，m, n)τ狀態，反解八個腿升降的位移量和刀具點的偏移量； 自主移動機構調姿時只有3個自由度，其中旋轉自由度僅有Α、Β角兩個方向的轉動，即為自主移動機構的俯仰與側滾動作，自主移動機構腿2僅有一平行於外框方向的補償量，故自主移動機構由Iitl= (O, O, I)τ調姿到n= (I, m, η)τ的過程，也可認為自主移動機構經B向擺角如A向擺角0Λ.到達的位姿； 根據坐標旋轉變換運算，動坐標系Om與定坐標系Ob的坐標轉換矩陣Rbm如式(7)所示；因為空間旋轉矩陣為正交矩陣，故Rbm存在逆矩陣，且RbnT1=Rbnt

【文檔編號】B23Q9/00GK103447877SQ201310423430
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月16日 優先權日:2013年9月16日
【發明者】王珉, 張得禮, 鮑益東, 王謝苗, 丁力平, 陳文亮, 侯玉昭 申請人:南京航空航天大學