含能部件自动装配柔顺控制方法研究

Explosive components assembly industry is of high risk and involves the national security. Currently, the overall technical level of our country in this field is relatively low. The research goal of this subject is carrying out an automatic assembly of explosive components by the six-degree-of-freedom manipulators. The employed technical concept is to restrict the contact forces during the assembling to a safe scope using compliant control techniques, and to guarantee the assembly accuracy with avoiding some serious accidents such as powerful explosions. Some common assembly missions in the industry serve as examples, then the key technologies as well as the relevant experimental verification for the compliant controls are completed by two six-degree-of-freedom manipulators in the lab. On this basis, some feasible schemes about the engineered automatic assembly operations of energetic components will be proposed. The related researches include the the real-time measuring method of the dynamic contact force between the end-effector of the manipulator and the component, the compliant control algorithms of the multi-joint manipulators constrained by the safety parameters, the autonomous manipulator trajectory planning and control techniques which satisfy the typical assembly process and the security requirements, and the validation means of the compliant control strategy for automatic assembly of explosive components. The scientific problems needed to be tackled are primarily the real-time estimation algorithms of the dynamic end-effector contact force during the manipulator movement, besides the multi-joint manipulator compliant control and trajectory control algorithms, both of which satisfy the high-dimensional constraints of the position and safe forces.

含能部件装配行业涉及国家安全，具有高危险性，目前我国含能部件的装配总体水平相对较低。本课题提出了利用六自由度机械臂实现含能部件自动装配的研究目标，其技术核心是：通过机械臂的柔顺控制，将装配过程中的接触力限制在安全约束范围内，并保证含能部件的装配精度，避免引起严重事故(如高危爆炸)。具体实现以申请人所在研究所的两台六自由度机械臂为工具，针对行业内的典型装配任务，完成柔顺控制的关键技术研究和试验验证，在此基础上，提出含能部件自动装配工程化的可行方案。相关研究内容包括：机械臂末端与含能部件动态接触力的实时估计方法，安全参数约束下的多关节机械臂柔顺控制算法，满足典型装配工艺及安全要求的机械臂自动轨迹规划算法，含能部件自动装配柔顺控制策略试验验证技术。需要解决的科学问题主要有：机械臂运动过程中末端动态接触力的实时估计算法、满足空间位置与安全力高维约束下的多关节机械臂柔顺控制算法及轨迹规划算法。

含能部件的装配任务具有严格的工艺限制，对安全性和可靠性有极高的要求，装配系统必须具有柔性与自适应能力，以保证含能部件的位置和接触力满足安全约束。本课题深入研究了柔顺控制和轨迹规划的关键技术，并提出了含能部件自动装配工程化的可行方案。首先，建立了机械臂末端接触力模型，提出一种基于卡尔曼滤波的机械臂末端动态接触力实时估计方法和一种基于相机光轴虚拟约束的机械臂运动学参数标定方法，并研究了基于数值方法解决机器人动力学模型的推导及简化问题，根据几何限制和运动学约束降低模型的复杂度。然后，提出一种满足安全约束的学习变阻抗控制算法，使机器人高效自主地学习执行力敏感型的控制任务，学习得到的变阻抗控制策略，很好地整合了高刚性与柔顺性的优点，明显增强了机器人柔顺控制的灵活性和安全性。然后，研究了复杂环境下机械臂避碰路径规划问题，提出了一种基于棱线投影分离的凸多面体碰撞检测算法和一种基于遗传算法的机械臂避碰路径规划方法，实现了连续运动状态下的碰撞检测。研究了安全约束下的轨迹规划算法，提出将力约束转化为接触形变和接触运动速度的约束。最后，提出一种基于树型凸多面体集的物体描述方法，开发了可视化虚拟仿真系统环境。针对典型装配任务的工艺和安全约束要求，设计了两种含能部件自动装配柔顺控制系统样机，为实现含能部件自动装配实现工程化提供了可行方案。综上所述，本研究为实现含能部件自动柔顺装配及其工程化，奠定了坚实的工作基础。.项目资助发表或录用SCI论文9篇，其中已发表并检索3篇，已录用6篇；发表或录用EI论文6篇，其中已发表5篇，已录用1篇；发表或录用核心期刊论文2篇，其中已发表1篇，已录用1篇；申请发明专利7项，其中已授权3项。项目培养博士研究生2名，2人在读；培养硕士研究生7名，7人均已取得硕士学位。项目投入经费64万元，支出51.21万元，各项支出基本与预算相符。剩余经费12.79万元，剩余经费计划用于本项目研究的后续支出。