一种多自由度机器人纤维缠绕装置及快速避障方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种多自由度机器人纤维缠绕装置及快速避障方法，其多自由度机器人纤维缠绕装置包括六轴机器人、缠绕控制柜、张力控制器、张力控制柜、移动滑轨、主轴和旋转丝嘴，其避障方法步骤如下：步骤一根据缠绕产品尺寸，确定机器人的初始位置和缠绕开始位置，考虑机器人运动学、动力学和避障作为约束条件，建立以时间和运动自然性为性能指标的最优控制问题模型；步骤二采用伪谱法将连续最优控制问题转化为离散最优控制问题；步骤三使用自动微分技术作为非线性求解器的方法进行问题求解。本发明专利技术的采用的避障方法求解速度快，缠绕时间短，且无需人工参与，从而提高生产效率和减少生产成本。减少生产成本。减少生产成本。

【技术实现步骤摘要】
一种多自由度机器人纤维缠绕装置及快速避障方法


[0001]本专利技术涉及复合材料制造领域，具体涉及一种多自由度机器人纤维缠绕装置及快速避障方法。

技术介绍

[0002]纤维缠绕复合材料(管道、压力容器、传动轴、绝缘子等)制品具有强度高、质量轻、耐腐蚀、可设计等诸多优点，使其在能源、船舶、航空航天、汽车、化工等领域获得广泛应用。然而，我国生产的传统缠绕机存在自由度低，作业柔性差，只能实现一些简单形状的制品缠绕成型，如容器、管道、电线杆等，难以实现复杂旋转壳体缠绕；此外，对于复杂异型壳体的成型，目前大多都采用手工缠绕方法，但手工缠绕存在生产效率低、产品质量差、制品性能不一及人工成本较高等问题，极大地限制了高附加值复合材料壳体的制造。
[0003]然而由于缠绕的特殊性，需要根据不同尺寸的缠绕制品，选择机器人不同的初始位置和缠绕开始位置进行缠绕，目前大多数都是采用人工示教的方法，但示教出的轨迹不一定是最优的轨迹，这将耗费大量的时间和人工成本。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种多自由度机器人纤维缠绕装置及快速避障方法，解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]本专利技术采用了以下技术方案：
[0006]本专利技术所述的多自由度机器人纤维缠绕装置及快速避障方法，其多自由度机器人纤维缠绕装置包括六轴机器人、缠绕控制柜、张力控制器、张力控制柜、移动滑轨、主轴和旋转丝嘴。
[0007]进一步地，所述的张力控制器可实现对10
‑
200N的单纱张力调节，且单纱张力控制精度在10
‑
40N范围为
±
2N，40N以上为
±
5％。
[0008]进一步地，所述的旋转丝嘴包括法兰盘、伺服电机、可转动的导向轮、同步轮、定位盘、导纱辊、丝嘴辊和固定支架，其中法兰盘是与六轴机器人末端进行装配，导纱辊和丝嘴辊安装与固定支架上，固定支架与定位盘进行连接，伺服电机通过同步轮带动丝嘴旋转，通过导向轮来控制纱路的方向以及利用导纱辊中间间隙将纱线分开，同时通过丝嘴辊进行展纱。
[0009]进一步地，所述的缠绕控制柜可实现张力控制器的启停、张力值的显示、缠绕过程中机器人位姿和速度的控制和显示。
[0010]进一步地，所述的快速避障方法包括以下步骤：
[0011]步骤一：根据缠绕产品尺寸，确定机器人的初始位置和缠绕开始位置，将其作为边界条件，并考虑机器人的运动学和动力学，作为动态约束，同时将避障加入路径约束中，最后以时间和运动自然性作为性能指标，以此建立基于最优控制问题数学模型；
[0012]步骤二：采用伪谱法将连续最优控制问题转化为离散最优控制问题；
[0013]步骤三：使用自动微分技术作为非线性求解器的方法进行问题求解，同时利用多项式插值逼近连续最优控制问题的解。
[0014]其中：所述步骤一中针对基于最优控制问题的机器人避障方法的数学模型如下：
[0015]性能指标：
[0016]其中t
f
为运动时间，为关节加加速度，μ是一个调节系数，Q是用于惩罚大减速比关节运动的一个权重矩阵。
[0017]动态约束：
[0018]其中M(q)为质量矩阵，是离心力和科里奥氏力矢量，G(q)为重力矢量，τ为驱动力矩矢量；
[0019]路径约束：关节角位移约束：q
min
≤q(t)≤q
max
[0020]关节角速度约束：
[0021]关节驱动力矩约束：τ
min
≤τ(t)≤τ
max
[0022]对于碰撞约束，采取将机器人连杆和障碍物等效为球的方法来进行碰撞检测，其中分别代表机器人连杆等效球和障碍物等效球的球心，分别代表机器人连杆等效球和障碍物等效球的半径。
[0023]边界条件：
[0024]机器人初始位置点和缠绕开始点：q(0)＝0,q(t
f
)＝q
f
[0025]机器人初始位置点和缠绕开始点速度：
[0026]机器人初始位置点和缠绕开始点加速度：
[0027]步骤二，利用切比雪夫点作为伪谱法的节点，其公式如下：
[0028]T
i
＝t
f
/2[cos(iπ/N)+1],i＝0,1,...,N
[0029]伪谱法中的多项式插值是通过重心插值实现，公式如下：
[0030][0031][0032]其中，l
j
(t)是第j个拉格朗日多项式。
[0033]积分项是通过Clenshaw
‑
Curtis求积规则表示：
[0034][0035][0036]其中L[x(t)]是被积函数，j＝0，1，
…
，N
[0037]导数利用微分矩阵近似，公式如下：
[0038][0039][0040]步骤三，利用自动微分技术进行非线性优化的求解，自动微分方法基于对偶数算法，原理如下：设y＝F(x)，
[0041][0042]其中F
(i)
(x)是函数F(x)的第i阶导数，ε是一个任意小的正数，定义一个对偶数<x,x
′
>＝x+x
′
ε，因此函数F(x)的可表示为：
[0043]<y,y
′
>＝F(<x,x
′
>)＝<F(x),F
(1)
x
′
>
[0044]当x
′
＝1时，则可以一次得到函数F(x)的函数值和一阶导数。
[0045]进一步地，所述的快速避障方法的步骤中，需要根据不同尺寸的缠绕制品，选择机器人的初始位置、缠绕开始位置和运动时间t
f
范围，然后将性能指标，动态约束，路径约束和边界条件提供给采用自动微分技术的最优控制求解器，完成最优控制问题的求解。
[0046]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：
[0047](1)本专利技术的多自由度机器人纤维缠绕装置，不但能对简单的制品进行缠绕，并且还能对大型的复杂异型的制品实现缠绕，同时机器人具有效率高，柔性好等特点，因此不仅可以快速缠绕制品，而且还能提高制品的质量。
[0048](2)通过基于最优控制的快速避障方法，只需提供给机器人初始位置和缠绕开始位置，机器人会自动规划出一条快速且不发生干涉的轨迹，大大减少了人工和时间成本。
附图说明
[0049]图1是本专利技术多自由度机器人纤维缠绕装置结构示意图，其中1为六轴机器人，2为缠绕控制柜，3为张力控制器，4为张力控制柜，5为移动滑轨，6为主轴，7为旋转丝嘴。
[0050]图2是基于最优控制的快速避障方法的流程图。
[0051]图3是旋转丝嘴的结构示意图。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多自由度机器人纤维缠绕装置及快速避障方法，其特征在于，所述的多自由度机器人纤维缠绕装置包括六轴机器人1、缠绕控制柜2、张力控制器3、张力控制柜4、移动滑轨5、主轴6和旋转丝嘴7。2.根据权利要求1所述的一种多自由度机器人纤维缠绕装置及快速避障方法，其特征在于，所述的张力控制器可实现对10
‑
200N的单纱张力调节，且单纱张力控制精度在10
‑
40N范围为
±
2N，40N以上为
±
5％。3.根据权利要求1所述的一种多自由度机器人纤维缠绕装置及快速避障方法，其特征在于所述的旋转丝嘴包括法兰盘(7
‑
1)、伺服电机(7
‑
2)、可转动的导向轮(7
‑
3)、同步轮(7
‑
4)、定位盘(7
‑
5)、导纱辊(7
‑
6)、丝嘴辊(7
‑
7)和固定支架(7
‑
8)，其中法兰盘(7
‑
1)是与六轴机器人末端进行装配，导纱辊(7
‑
6)和丝嘴辊(7
‑
7)安装与固定支架(7
‑
8)上，固定支架(7
‑
8)与定位盘(7
‑
5)进行连接，伺服电机(7
‑
2)通过同步轮(7
‑
4)带动丝嘴旋转，通过导向轮(7
‑
3)来控制纱路的方向以及利用导纱辊(7
‑
6)中间间隙将纱线分开，同时通过丝嘴辊(7
‑
7)进行展纱。4.根据权利要求1所述的一种多自由度机器人纤维缠绕装置及快速避障方法，其特征在于所述的缠绕控制柜可实现张力控制器的启停、张力值的显示、缠绕过程中机器人位姿和速度的控制和显示。5.根据权利要求1所述的一种多自由度机器人纤维缠绕装置及快速避障方法，其特征在于，所述的快速避障方法包括以下步骤：步骤一：根据缠绕产品尺寸，确定机器人的初始位置和缠绕开始位置，将其作为边界条件，并考虑机器人的运动学和动力学，作为动态约束，同时将避障加入路径约束中，最后以时间和运动自然性作为性能指标，以此建立基于最优控制问题数学模型；步骤二：采用伪谱法将连续最优控制问题转化为离散最优控制问题；步骤三：使用自动微分技术作为非线性求解器的方法进行问题求解，同时利用多项式插值逼近连续最优控制问题的解。其中：所述步骤一中针对基于最优控制问题的机器人避障方法的数学模型如下：性能指标：其中t
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【专利技术属性】
技术研发人员：许家忠，李新，蔺晓林，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：