多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统的制作方法

1.本发明涉及试验测试技术领域，具体涉及一种多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统。


背景技术：

2.快速自动对接试验测试技术需要实现多自由度的目标机构运动模拟，自动对接执行机构的快速模型控制，同时需要相对位姿检测和对接力监测。现有的自动对接试验设备主要基于自由度相对较少的简单机构，针对多自由度串并联机器人的测试技术设备目前相对较少，而在航空航天、车间装配等对接应用场景多，场景复杂程度高的情况，快速对接系统的测试设备相对较少。


技术实现要素：

3.本发明解决的问题是提供一种对高自由度的目标模拟运动机构、自动对接执行机构进行测试的多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统。
4.为解决上述问题，本发明提供一种多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统，包括目标模拟运动机构、自动对接执行机构、位姿测试机构、力测试机构、实时快速仿真机，所述目标模拟运动机构、所述自动对接执行机构均为六自由度执行机构，所述目标模拟运动机构按照设定轨迹运动，所述自动对接执行机构用于与所述目标模拟运动机构对接，所述位姿测试机构包括多个激光位移传感器，所述激光位移传感器连接于所述目标模拟运动机构上，所述激光位移传感器用于采集所述自动对接执行机构的对接面的姿态信息，将所述目标模拟运动机构与所述自动对接快速执行机构的相对姿态信息传输至所述实时快速仿真机，所述实时快速仿真机根据所述相对姿态信息控制所述自动对接执行机构，使所述自动对接执行机构与所述目标模拟运动机构对接，所述力测试机构连接于所述自动对接执行机构上，所述力测试机构用于测得所述自动对接执行机构与所述目标模拟运动机构对接过程中对接面的对接接触力。
5.进一步地，所述激光位移传感器设置有三个，第一激光位移传感器、第二激光位移传感器、第三激光位移传感器，各所述激光位移传感器用于采集所述自动对接执行机构的对接面的位移值，判断各所述激光位移传感器组成的面与所述自动对接执行机构的对接面的平面平行度并传输至所述实时快速仿真机，所述实时快速仿真机控制所述自动对接执行机构的对接面的位姿，使各所述激光位移传感器所在平面与对接平面平行。
6.进一步地，所述力测试机构为三维力传感器。
7.进一步地，所述位姿测试机构还包括机器视觉定位系统，所述机器视觉定位系统包括靶标及相机，所述靶标连接于所述目标模拟运动机构上，所述相机连接于所述自动对接执行机构上，所述相机用于获取所述目标模拟运动机构的位姿信息并传输至所述实时快速仿真机，所述实时快速仿真机根据所述目标模拟运动机构的位姿信息控制所述自动对接执行机构，使所述自动对接执行机构与所述目标模拟运动机构对接。
8.进一步地，所述相机为单目视觉相机。
9.进一步地，所述自动对接执行机构上设置有相机安装支架，所述相机设置于所述相机安装支架上。
10.进一步地，所述自动对接执行机构上还设置有导向销杆，所述导向销杆设置于所述自动对接执行机构的对接面的喇叭孔内，用于插入所述目标模拟运动机构的对接面内。
11.进一步地，所述目标模拟运动机构、所述自动对接执行机构为六自由度机械臂、六自由度并联平台或三垂模组。
12.进一步地，还包括六自由度并联平台、三垂模组、六自由度串联机械臂，所述六自由度并联平台、所述三垂模组、所述六自由度串联机械臂可任意组合形成目标模拟运动机构及自动对接执行机构。
13.进一步地，还包括伺服控制机构，所述目标模拟运动机构包括多个运动轴，各所述运动轴上设置有角度编码器，所述角度编码器连接所述伺服控制机构，所述伺服控制机构连接所述实时快速仿真机，所述角度编码器将所述运动轴的位移信息传递至所述伺服控制机构，所述伺服控制机构将所述运动轴的位移信息传递至所述实时快速仿真机，所述实时快速仿真机通过所述伺服控制机构控制所述运动轴运动。
14.本发明一种多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统，，由于包括目标模拟运动机构、自动对接执行机构、位姿测试机构、力测试机构、实时快速仿真机，目标模拟运动机构、自动对接执行机构均为六自由度执行机构，因此能够实现对高自由度的目标模拟运动机构、自动对接执行机构进行测试，同时具备视觉位姿检测、三维力监测的功能，实现位姿信号的实时反馈及对接过程的力监测。
15.本发明实施例一种多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统能够任意组合串并联机器人、三垂模组、位姿及力测试单元的模型及算法快速验证设备，可实现多种构型机器人执行机构快速组合，自主选择位姿及力测试算法及模型，快速验证伺服回路的有效性，对于航空航天对接、车间装配对接等多种应用场景的算法及模型适应性进行快速迭代验证。
附图说明
16.图1为本发明实施例一种多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统的结构示意图；
17.图2为本发明实施例一种多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统中位姿测试机构的结构示意图；
18.图3为本发明实施例一种多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统中对接机构的平面结构示意图；
19.图4为本发明实施例一种多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统中对接机构的立体结构示意图；
20.图5为本发明实施例一种多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统的实时快速仿真原理示意图；
21.图6为本发明实施例一种多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统中三垂模组的结构示意图。
具体实施方式
22.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
23.本发明的实施例中出现的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”和“右”等指示的方向或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
24.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
26.本发明实施例一种多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统，如图2、图3、图4所示，包括目标模拟运动机构1、自动对接执行机构2、位姿测试机构4、力测试机构6、实时快速仿真机3，目标模拟运动机构1、自动对接执行机构2均为六自由度执行机构，目标模拟运动机构1按照设定轨迹运动模拟，如按照标准正弦运动、随机运动、xyz方向耦合运动等，一般由标准函数、随机函数生成，自动对接执行机构2用于与目标模拟运动机构1对接或跟随目标模拟运动机构1，自动对接执行机构2可根据位姿测试机构获取到相对位姿信息，用于位姿信息反馈，执行快速自动跟随、对接等动作，位姿测试机构4包括多个激光位移传感器，激光位移传感器连接于目标模拟运动机构1上，激光位移传感器用于采集自动对接执行机构2的对接面的姿态信息，将目标模拟运动机构1与自动对接执行机构2的相对姿态信息传输至实时快速仿真机3，实时快速仿真机3根据相对姿态信息控制自动对接执行机构2，使自动对接执行机构2与目标模拟运动机构1对接，力测试机构6连接于自动对接执行机构2上，力测试机构6用于测得自动对接执行机构2与目标模拟运动机构1对接过程中对接面的对接接触力。具体地，本实施例中，激光位移传感器设置有三个，第一激光位移传感器41、第二激光位移传感器42、第三激光位移传感器43，各激光位移传感器用于采集自动对接执行机构的对接面的位移值，判断各激光位移传感器组成的面与自动对接执行机构2的对接面的平面平行度并传输至实时快速仿真机3，实时快速仿真机3控制自动对接执行机构2的对接面的位姿，使各激光位移传感器所在平面与对接平面平行。本发明实施例一种多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统，由于包括目标模拟运动机构1、自动对接执行机构2、位姿测试机构、力测试机构、实时快速仿真机3，目标模拟运动机构1、自动对接执行机构2均为六自由度执行机构，因此能够实现对高自由度的目标模拟运动机构、自动对接执行机构进行测试，同时具备视觉位姿检测、三维力监测的功能，实现位姿信号的实时反馈及对接过程的力监测。
27.可选地，力测试机构6为三维力传感器，具体地，三维力传感器靠近自动对接执行机构2的对接面设置，三维力传感器设置有三个，用于监测对接过程中的对接接触力。
28.可选地，位姿测试机构4还包括机器视觉定位系统，所述机器视觉定位系统包括靶
标及相机44，靶标连接于目标模拟运动机构上，相机44连接于自动对接执行机构2上，相机用于获取目标模拟运动机构的位姿信息并传输至实时快速仿真机3，实时快速仿真机3根据目标模拟运动机构1的位姿信息控制自动对接执行机构2，使自动对接执行机构2与目标模拟运动机构1对接。具体地，相机44为单目视觉相机，自动对接执行机构2上设置有相机安装支架21，相机44设置于相机安装支架21上，通过安装在自动对接快速执行机构2上的相机44采集安装在目标模拟运动机构1上的靶标，通过灰度变换、灰度转换、霍夫变换、边缘检测等算法实现靶标的识别，获取目标模拟运动机构1的位姿信息，相机44以camera link的通信方式连接实时快速仿真机3实现位姿信息的反馈。相机安装支架21的位置可调整，通过调整相机安装支架21的位置调整与对接机构的垂直度，保证机器视觉定位系统视觉光路与对接面测试的准确性。
29.自动对接执行机构2上还设置有导向销杆22、导向电磁锁23、第一柔性夹持机构24、第二柔性加持机构25，导向销杆22用于对接过程中的导向，导向销杆22设置于自动对接执行机构2的对接面的喇叭孔内，用于插入目标模拟运动机构1的对接面内，实现导向。
30.可选地，目标模拟运动机构、自动对接执行机构可以是六自由度机械臂、六自由度并联平台或三垂模组。
31.可选地，还包第一伺服控制机构，第一伺服控制机构包括第一控制器、第一驱动器，以目标模拟运动机构为六自由度平台为例，目标模拟运动机构包括多个第一运动轴，各第一运动轴上分别设置有角度编码器，角度编码器连接第一控制器，第一控制器用于驱动多个第一运动轴，第一控制器连接实时快速仿真机3，角度编码器将第一运动轴的位移信息传递至第一控制器，第一控制器将第一运动轴的位移信息传递至实时快速仿真机3，实时快速仿真机3通过第一控制器控制第一运动轴按照设定轨迹运动，实现目标模拟运动机构的闭环控制。
32.本发明实施例一种多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统，如图1、图6所示，包括六自由度并联平台51、三垂模组52、六自由度串联机械臂53，其中六自由度并联平台51可选用经典的stewart平台，可由电动缸或液压缸实现六组支腿的伺服控制；三垂模组52为三个自由度正交的运动模组，通过电机控制滚珠丝杠实现直线运动；六自由度串联机械臂53包括六个旋转自由度。六自由度并联平台51、三垂模组52、六自由度串联机械臂53可任意组合形成目标模拟运动机构及自动对接执行机构，共提供6种组合形式，如三垂模组52作为目标模拟运动机构，六自由度并联平台51作为自动对接执行机构，三垂模组52模拟三个平动运动，六自由度并联平台51通过位姿及力检测单元获取三垂模组52与六自由度并联平台51的相对位姿信息，实现自动对接执行机构与目标模拟运动机构的随动控制，并完成随动控制后的对接、锁紧等系列动作。本发明实施例一种多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统能够任意组合串并联机器人、三垂模组、位姿及力测试单元的模型及算法快速验证设备，可实现多种构型机器人执行机构快速组合，自主选择位姿及力测试算法及模型，快速验证伺服回路的有效性，对于航空航天对接、车间装配对接等多种应用场景的算法及模型适应性进行快速迭代验证。
33.如图5所示为实时快速仿真机的控制过程示意图，目标模拟运动机构1通过伺服控制组合实现各轴的运动，各运动轴的角度编码器将位移信息传递至伺服控制器，伺服控制器通过网络形式传输至实时快速仿真机，实时仿真机通过运动学反解和各轴伺服控制，实
现六自由度平台的运动控制；自动对接执行机构安装在动平台上，六自由度机械臂通过单目视觉相机，以camera link的通信方式实现位姿信息的反馈，通过激光位移传感器组合获取对接面姿态信息，将目标模拟运动机构与自动对接执行机构的相对位姿信息反馈至实时快速仿真机3，仿真机通过模型及算法解算，将各轴控制信息通过控制器、驱动器传送至六自由度机械臂，实现六自由度机械臂与目标模拟运动机构1的自动对接等运动控制。同理，目标模拟运动机构也可选用六自由度机械臂，自动对接快速执行机构也可选用六自由度并联平台，实现执行机构及模型的快速组合测试。实时快速仿真机3作为控制核心设备，可将对接模型、位姿检测模型、算法等快速下装至实时操作系统主机，将控制指令、执行信息反馈汇总，用于设备的快速自动对接。同时，快速原型机可选择多自由度执行机构组合等，实现执行机构的快速组合。伺服控制组合主要包含伺服驱动器、编码器、伺服电动缸，可用于实现伺服系统的快速控制，可实现三垂模组和六自由度平台的支腿闭环控制。通过内置传感器运动学正解得到位姿信息，用于状态监控。
34.虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统，其特征在于，包括目标模拟运动机构、自动对接执行机构、位姿测试机构、力测试机构、实时快速仿真机，所述目标模拟运动机构、所述自动对接执行机构均为六自由度执行机构，所述目标模拟运动机构按照设定轨迹运动，所述自动对接执行机构用于与所述目标模拟运动机构对接，所述位姿测试机构包括多个激光位移传感器，所述激光位移传感器连接于所述目标模拟运动机构上，所述激光位移传感器用于采集所述自动对接执行机构的对接面的姿态信息，将所述目标模拟运动机构与所述自动对接快速执行机构的相对姿态信息传输至所述实时快速仿真机，所述实时快速仿真机根据所述相对姿态信息控制所述自动对接执行机构，使所述自动对接执行机构与所述目标模拟运动机构对接，所述力测试机构连接于所述自动对接执行机构上，所述力测试机构用于测得所述自动对接执行机构与所述目标模拟运动机构对接过程中对接面的对接接触力。2.根据权利要求1所述的多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统，其特征在于，所述激光位移传感器设置有三个，第一激光位移传感器、第二激光位移传感器、第三激光位移传感器，各所述激光位移传感器用于采集所述自动对接执行机构的对接面的位移值，判断各所述激光位移传感器组成的面与所述自动对接执行机构的对接面的平面平行度并传输至所述实时快速仿真机，所述实时快速仿真机控制所述自动对接执行机构的对接面的位姿，使各所述激光位移传感器所在平面与对接平面平行。3.根据权利要求2所述的多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统，其特征在于，所述力测试机构为三维力传感器。4.根据权利要求3所述的多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统，其特征在于，所述位姿测试机构还包括机器视觉定位系统，所述机器视觉定位系统包括靶标及相机，所述靶标连接于所述目标模拟运动机构上，所述相机连接于所述自动对接执行机构上，所述相机用于获取所述目标模拟运动机构的位姿信息并传输至所述实时快速仿真机，所述实时快速仿真机根据所述目标模拟运动机构的位姿信息控制所述自动对接执行机构，使所述自动对接执行机构与所述目标模拟运动机构对接。5.根据权利要求4所述的多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统，其特征在于，所述相机为单目视觉相机。6.根据权利要求5所述的多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统，其特征在于，所述自动对接执行机构上设置有相机安装支架，所述相机设置于所述相机安装支架上。7.根据权利要求6所述的多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统，其特征在于，所述自动对接执行机构上还设置有导向销杆，所述导向销杆设置于所述自动对接执行机构的对接面的喇叭孔内，用于插入所述目标模拟运动机构的对接面内。8.根据权利要求7所述的多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统，其特征在于，所述目标模拟运动机构、所述自动对接执行机构为六自由度机械臂、六自由度并联平台或三垂模组。9.根据权利要求8所述的多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统，其特征在于，还包括六自由度并联平台、三垂模组、六自由度串联机械臂，所述六自由度并联平台、所述三垂模组、所述六自由度串联机械臂可任意组合形成目标模拟运动机构及自动对接执行机构。
10.根据权利要求9所述的多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统，其特征在于，还包括伺服控制机构，所述目标模拟运动机构包括多个运动轴，各所述运动轴上设置有角度编码器，所述角度编码器连接所述伺服控制机构，所述伺服控制机构连接所述实时快速仿真机，所述角度编码器将所述运动轴的位移信息传递至所述伺服控制机构，所述伺服控制机构将所述运动轴的位移信息传递至所述实时快速仿真机，所述实时快速仿真机通过所述伺服控制机构控制所述运动轴运动。

技术总结
本发明涉及试验测试技术领域，具体涉及一种多自由度串并联机器人自动对接测试组合系统，具体包括目标模拟运动机构、自动对接执行机构，位姿测试机构、力测试机构、实时快速仿真机、伺服控制机构，所述目标模拟运动机构、所述自动对接执行机构均为多自由度执行机构，所述位姿测试机构用于采集对接面的姿态信息，将目标模拟运动机构与自动对接快速执行机构的相对位姿信息反馈至实时快速仿真机，所述实时快速仿真机通过所述伺服控制机构控制所述目标模拟运动机构、所述自动对接执行机构，使所述自动对接执行机构与目标机构对接。本发明能够对高自由度的目标模拟运动机构、自动对接执行机构进行测试。机构进行测试。机构进行测试。


技术研发人员：吴鹏辉 金明哲 郑国昆 王赵帅 黄辉 赵京坡 王晓东 杨锋
受保护的技术使用者：北京航天发射技术研究所
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/8/1