本發(fā)明涉及自動化物流和裝配技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于全向車與裝配工位自動對接系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

國內(nèi)航天產(chǎn)品車間總裝裝配生產(chǎn)線處于起步階段，產(chǎn)品及零部件轉(zhuǎn)運仍以人工為主，如小推車轉(zhuǎn)運、天車轉(zhuǎn)運等，需要多人操作且具有一定危險性，隨著自動化裝配和物流技術(shù)的不斷發(fā)展，智能物流轉(zhuǎn)運成為自動化裝配的重要組成環(huán)節(jié)，不再需要多人協(xié)同轉(zhuǎn)運，產(chǎn)品零部件在不同廠房之間、不同工位之間自主轉(zhuǎn)運。因此發(fā)展自動化裝配技術(shù)是現(xiàn)在智能制造的一個最重要的部分，裝配自動化檢測技術(shù)、裝配數(shù)字化定位技術(shù)和裝配自主轉(zhuǎn)運技術(shù)是自動化裝配的技術(shù)關(guān)鍵。

目前agv自主轉(zhuǎn)運技術(shù)比較成熟，但是應(yīng)用在總裝裝配生產(chǎn)中并且與工位能夠高精度低成本自動對接的技術(shù)還沒有成熟的案例。agv車攜帶托架與工位自動對接目前有幾種解決方案，第一種方案是采用機械導(dǎo)向自動對接，agv車底端安裝導(dǎo)向塊，地面安裝導(dǎo)向孔，并且前端安裝兩個導(dǎo)向銷，通過導(dǎo)航輔助控制使agv車導(dǎo)向塊進入導(dǎo)向孔內(nèi)，此方案缺點是施工難度大，控制精度依靠機械導(dǎo)向，無法保證車體前端導(dǎo)軌與工位導(dǎo)軌對齊。第二種方案采用高精度測量設(shè)備如激光跟蹤儀或高速視覺測量進行自動對接，其精度滿足對接要求，但是缺點是成本高，測量復(fù)雜。

因此，研究自動對接技術(shù)不僅精度上要滿足技術(shù)的要求，而且成本、安裝方便等因素也是制約自動化裝配技術(shù)的關(guān)鍵。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：如何采用低成本實現(xiàn)高精度全向車與裝配工位的自動對接功能。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于全向車與裝配工位自動對接系統(tǒng)，包括第一激光位移傳感器、第二激光位移傳感器、第三激光位移傳感器，車體運動控制系統(tǒng)、上位機中控系統(tǒng)和車體驅(qū)動系統(tǒng)，其中第一、第二激光位移傳感器分別安裝在全向車前端兩側(cè)，一側(cè)一個，檢測方向為車體前進方向，第三激光位移傳感器安裝在車體前端中心位置，檢測方向為車體橫向方向，裝配工位下方安裝三個擋板，第一、第二、第三激光位移傳感器檢測到自身到對應(yīng)擋板的距離分別為d1、d2和d3，其中車體運動控制系統(tǒng)用于接收第一、第二、第三激光位移傳感器檢測到的距離信息并實時控制四個車輪電機的動作，其中上位機中控系統(tǒng)用于調(diào)度全向車自主轉(zhuǎn)運及自動對接，其中車體驅(qū)動系統(tǒng)包括四個伺服驅(qū)動器和四個伺服電機，車體運動控制系統(tǒng)與四個伺服驅(qū)動器連接，伺服驅(qū)動器各自與一伺服電機一對一地連接，車體運動控制系統(tǒng)發(fā)送運動指令給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器根據(jù)指令按照給定速度和方向驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動。

優(yōu)選地，還包括對接過載報警系統(tǒng)，用于實時采集四個伺服電機的電流，并把電流信號傳輸?shù)杰圀w運動控制器中，當(dāng)車體運動控制器根據(jù)電流信號判斷出現(xiàn)對接后過載時，車體運動控制器釋放電機使能，自動停止對接運動程序。

優(yōu)選地，所述車體運動控制系統(tǒng)通過無線通信模塊接收第一、第二、第三激光位移傳感器檢測到的距離信息。

本發(fā)明還提供了一種利用所述的系統(tǒng)進行基于全向車與裝配工位自動對接的方法，包括以下步驟：

通過上位機中控系統(tǒng)設(shè)定全向車起點和終點，全向車攜帶車架進行自主導(dǎo)航轉(zhuǎn)運，當(dāng)?shù)竭_裝配工位區(qū)域時，全向車開始減速，同時自動對接系統(tǒng)實時監(jiān)測前方和橫向距離，當(dāng)?shù)谝?、第二激光位移傳感器檢測前方距離d1和d2分別為100mm時，車體停止運動，開始與裝配工位自動對接，車體運動控制系統(tǒng)通過三個激光位移傳感器的測量值計算得到δd＝d1-d2，為車體前端左右偏轉(zhuǎn)誤差，計算得到δd1＝d3-d4，為車體前端左右橫向偏移誤差，其中d4＝100mm為橫向設(shè)定值，把δd和δd1作為測量偏差值分別進行pid控制，原理是：首先，車體進行原地調(diào)節(jié)姿態(tài)，以把δd和δd1值同時控制在±2mm內(nèi)，原地調(diào)節(jié)分為以前端為中心旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)和橫向移動調(diào)節(jié)，二者調(diào)節(jié)順序可以互換，所述以前端為中心旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)為：當(dāng)δd>2mm或δd<-2mm時，設(shè)定以車架前端中心點為轉(zhuǎn)彎原點進行旋轉(zhuǎn)，預(yù)設(shè)車體繞轉(zhuǎn)彎原點旋轉(zhuǎn)時的車體后端車輪角速度的值，并根據(jù)公式(1)計算車體繞轉(zhuǎn)彎原點旋轉(zhuǎn)時的車體前端車輪角速度：

ωi/ωk＝(h-w-l)/(-(h+w+l))(1)

其中ωi為前端兩個車輪角速度，ωk為后端兩個車輪角速度，h為車體中心到旋轉(zhuǎn)點的距離，w為車體中心到車輪中心橫向距離，l為車體中心到車輪中心縱向距離；所述橫向移動調(diào)節(jié)為：當(dāng)δd1>2mm或δd1<-2mm時，令車體前進速度vy＝0，車體自轉(zhuǎn)角速度ω＝0，根據(jù)左右偏移誤差值δd1進行車體橫向速度vx的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)車體橫向位移；以上原地調(diào)節(jié)保證了左右橫移偏差和左右偏轉(zhuǎn)偏差小于2mm；然后，在車體進行向前移動時進行實時姿態(tài)的模糊pid調(diào)節(jié)，以保證δd和δd1的誤差在±0.5mm內(nèi)，此過程中令車體前進速度vy＝0.05m/s，根據(jù)δd的值對車體自轉(zhuǎn)角速度ω進行調(diào)節(jié)，根據(jù)δd1的值對車體橫向速度vx進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程中實時計算車輪角速度如公式(2)所示：

其中ω1、ω2、ω3、ω4分別為前左、前右、后左、后右車輪的角速度，車輪半徑為r，車體中心到車輪中心的前后距離為ly，車體中心到車輪中心橫向距離為lx，通過實時計算得到的不同的車輪的角速度值來實時調(diào)節(jié)車體姿態(tài)，當(dāng)調(diào)節(jié)到δd和δd1的誤差在±0.5mm內(nèi)時把當(dāng)前的四個車輪的角速度值發(fā)送到車輪驅(qū)動系統(tǒng)中，進而控制車體運動；當(dāng)?shù)谝?、第二激光位移傳感器測量到前方距離變?yōu)?0mm時，車體減速停止，車架與裝配工位接觸，完成自動對接任務(wù)。

優(yōu)選地，所述全向車攜帶的車架為7m車架。

(三)有益效果

本發(fā)明具有以下有益效果：

1)采用激光位移傳感器實時測量車體前端姿態(tài)，不斷調(diào)整車體運動完成自動對接，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度自動對接，控制精度左右和偏移值在0.5mm內(nèi)，保證產(chǎn)品能夠順利通過，相比其他對接方案穩(wěn)定可靠。

2)相比人工手動對接，自動對接時間短，效率高，空載對接小于1分鐘，滿載對接時間小于2分鐘。

3)激光位移傳感器成本低、體積小，安裝方便。

4)應(yīng)用在自動化裝配生產(chǎn)中，提高了自動化水平和效率，降低了勞動時間。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的自動對接系統(tǒng)原理圖；

圖2是本發(fā)明的自動對接控制系統(tǒng)原理圖；

圖3是本發(fā)明的控制流程圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容、和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細(xì)描述。

本發(fā)明的基于全向車與裝配工位自動對接方案可應(yīng)用在數(shù)字化脈動生產(chǎn)線、數(shù)字化柔性裝配工作站中，作為智能物流配送的組成部分，能夠完成全向車攜帶7m車架通過導(dǎo)航移動到裝配工位對接區(qū)域，進行姿態(tài)調(diào)節(jié)，與裝配工位進行自動對接。

本發(fā)明所述基于全向車與裝配工位的自動對接系統(tǒng)是基于麥克納姆輪全向車平臺設(shè)計，該平臺可以實現(xiàn)全方向自由移動，通過攜帶7m車架可以運載2.5t產(chǎn)品。當(dāng)自動對接完成后產(chǎn)品可以通過支撐托架從車架移動到裝配工位上；為了保證產(chǎn)品能夠順利移動，車架與裝配工位導(dǎo)軌之間的左右偏轉(zhuǎn)誤差和橫向誤差小于±0.5mm。

本發(fā)明所述的裝配工位用于零部件和產(chǎn)品的裝配，裝配工位上方安裝導(dǎo)軌，支撐產(chǎn)品的多組托架在導(dǎo)軌上能夠帶動力移動，并且能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)。

本發(fā)明所述的自動對接系統(tǒng)包括第一激光位移傳感器、第二激光位移傳感器、第三激光位移傳感器，車體運動控制系統(tǒng)、上位機中控系統(tǒng)、車體驅(qū)動系統(tǒng)，其中第一、第二激光位移傳感器安裝在車前端兩側(cè)，檢測方向為車體前進方向，第三激光位移傳感器安裝在車體前端中心位置，檢測方向為車體橫向方向，裝配工位下方安裝三個擋板，第一、第二、第三激光位移傳感器檢測到自身到擋板的距離分別為d1、d2和d3，其中車體運動控制系統(tǒng)用于接收第一、第二、第三激光位移傳感器的檢測到的距離信息并實時控制四個車輪電機的動作，其中上位機中控系統(tǒng)包括主控界面、無線通信模塊，用于調(diào)度全向車自主轉(zhuǎn)運及自動對接，其中車體驅(qū)動系統(tǒng)包括四個伺服驅(qū)動器和四個伺服電機，車體運動控制系統(tǒng)與四個伺服驅(qū)動器連接，伺服驅(qū)動器各自與一伺服電機一對一地連接，車體運動控制系統(tǒng)發(fā)送運動指令給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器根據(jù)指令按照給定速度和方向驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動。

本發(fā)明的基于全向車與裝配工位自動對接的方法，包括以下步驟：通過上位機中控系統(tǒng)的主控界面設(shè)定全向車起點和終點，全向車攜帶7m車架進行自主導(dǎo)航轉(zhuǎn)運，當(dāng)?shù)竭_裝配工位區(qū)域時，全向車開始減速，同時自動對接系統(tǒng)實時監(jiān)測前方和橫向距離，當(dāng)?shù)谝?、第二激光位移傳感器檢測前方距離d1和d2為100mm時，車體停止運動，開始與裝配工位自動對接，根據(jù)要求車體上端導(dǎo)軌與裝配工位導(dǎo)軌左右橫向精度為±0.5mm，左右偏轉(zhuǎn)精度±0.5mm，車體運動控制系統(tǒng)通過測量值計算得到δd＝d1-d2為車體前端左右偏轉(zhuǎn)誤差，δd1＝d3-d4為車體前端左右橫向偏移誤差，其中d4＝100mm為橫向設(shè)定值，把δd和δd1作為測量偏差值分別進行pid控制，自動對接控制的原理是：首先，車體進行原地調(diào)節(jié)姿態(tài)，以把δd和δd1值同時控制在±2mm內(nèi)，原地調(diào)節(jié)分為以前端為中心旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)和橫向移動調(diào)節(jié)，這兩種調(diào)節(jié)動作執(zhí)行順序可以互換。以前端為中心旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)：當(dāng)δd>2mm或δd<-2mm時，設(shè)定以車架前端中心點為轉(zhuǎn)彎原點進行旋轉(zhuǎn)，預(yù)設(shè)車體繞轉(zhuǎn)彎原點旋轉(zhuǎn)時的車體后端車輪角速度的值，并根據(jù)公式(1)計算車體繞轉(zhuǎn)彎原點旋轉(zhuǎn)時的車體前端車輪角速度：

ωi/ωk＝(h-w-l)/(-(h+w+l))(1)

其中ωi為前端兩個車輪角速度，ωk為后端兩個車輪角速度，h為車體中心到旋轉(zhuǎn)點的距離，w為車體中心到輪子中心橫向距離，l為車體中心到輪子中心縱向距離。通過計算得出前后輪角速度之比為0.374，此時車體前端車輪角速度小于后端車輪角速度，這樣可以保證車體前端擺動幅度小，易于偏轉(zhuǎn)精度控制；橫向移動調(diào)節(jié)：當(dāng)δd1>2mm或δd1<-2mm時，令車體前進速度vy＝0，車體自轉(zhuǎn)角速度ω＝0，根據(jù)左右偏移誤差值δd1進行車體橫向速度vx的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)車體橫向位移；以上原地調(diào)節(jié)最終保證左右橫移偏差和左右偏轉(zhuǎn)偏差小于2mm；其次，車體進行緩慢向前移動同時進行實時姿態(tài)的模糊pid調(diào)節(jié)，以保證δd和δd1的誤差在±0.5mm內(nèi)，此過程中令車體前進速度vy＝0.05m/s，根據(jù)δd的值對車體自轉(zhuǎn)角速度ω進行調(diào)節(jié)，根據(jù)δd1的值對車體橫向速度vx進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程中實時計算(每隔預(yù)設(shè)時間計算一次)車輪角速度如公式(2)所示：

其中ω1、ω2、ω3、ω4分別為前左、前右、后左、后右車輪的角速度，車輪半徑為r，車體中心到車輪中心的前后距離為ly，車體中心到車輪中心橫向距離為lx，通過實時計算得到的不同的車輪的角速度值來實時調(diào)節(jié)車體姿態(tài)，當(dāng)調(diào)節(jié)到δd和δd1的誤差在±0.5mm內(nèi)時把當(dāng)前的四個車輪的角速度值發(fā)送到車輪驅(qū)動系統(tǒng)中，進而控制車體運動；當(dāng)?shù)谝?、第二激光位移傳感器測量到前方距離變?yōu)?0mm時，車體減速停止，車架上的導(dǎo)軌與裝配工位接觸，完成自動對接任務(wù)。

本發(fā)明所述圖1為對接系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，包括第一激光位移傳感器1、第二激光位移傳感器2、第三激光位移傳感器3，其中4為擋板，5為(全向車)車架、6為裝配工位、7為對接導(dǎo)軌。其中，第一、第二、第三激光位移傳感器1、2、3用于測量前方和橫向距離，通過測量值進行姿態(tài)調(diào)節(jié)；擋板4包括前方測量擋板和橫向測量擋板，位置可以自由微動調(diào)節(jié)；車架5上方安裝導(dǎo)軌用于支撐產(chǎn)品托架移動，車架長度為7m。

圖2為自動對接控制系統(tǒng)原理圖，上位機中控系統(tǒng)發(fā)送自動對接命令，三個激光位移傳感器通過無線通信模塊把距離值輸入到車體運動控制器中，車體運動控制器的磁條根據(jù)反饋值進行模糊pid控制算法，計算出四組車輪移動的角速度，并把控制信息發(fā)送到車輪驅(qū)動系統(tǒng)中，進而控制車體運動；同時，對接過載報警系統(tǒng)實時采集電機電流，并把信號傳輸?shù)杰圀w運動控制器中，當(dāng)出現(xiàn)對接后過載時，車體運動控制器釋放電機使能，自動停止對接運動程序。

圖3為自動對接系統(tǒng)控制流程圖，自動對接控制環(huán)節(jié)分為原地低精度調(diào)節(jié)和前進中高精度調(diào)節(jié)，原地調(diào)節(jié)分為橫向移動調(diào)節(jié)和以前端為中心旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，前進中調(diào)節(jié)的控制算法采用模糊pid調(diào)節(jié)，可以同時調(diào)節(jié)車體左右偏轉(zhuǎn)角度和左右橫向偏移。操作過程為：

第一步：啟動全向車轉(zhuǎn)運系統(tǒng)主控界面，主控界面與全向車通信；通信成功后，設(shè)定對接工位站點號，啟動“開始導(dǎo)航”按鈕。

第二步：全向車按照設(shè)定路線自主導(dǎo)航轉(zhuǎn)運，當(dāng)?shù)竭_對接區(qū)域時，全向車開始減速，直到三個激光位移傳感器有測量距離值后，進行自動對接。

第三步：首先原地調(diào)節(jié)車體姿態(tài)，使車體前端角度偏差值和左右值在2mm范圍內(nèi)，其次開始前進中全向調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)步驟如圖3所示。

第四步：當(dāng)檢測距離d1和d2小于設(shè)定值70mm時，全向車停止對接，此時車體導(dǎo)軌與工位導(dǎo)軌對齊。

第五步：啟動產(chǎn)品轉(zhuǎn)運到工位命令，托架攜帶產(chǎn)品從車架自動轉(zhuǎn)運的工位上。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。