本發(fā)明涉及自動(dòng)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(dòng)對(duì)接系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

國(guó)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(yùn)仍以人工為主，如小推車轉(zhuǎn)運(yùn)、天車轉(zhuǎn)運(yùn)等，需要多人操作且具有一定危險(xiǎn)性，隨著自動(dòng)化裝配和物流技術(shù)的不斷發(fā)展，智能物流轉(zhuǎn)運(yùn)成為自動(dòng)化裝配的重要組成環(huán)節(jié)，不再需要多人協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)，產(chǎn)品零部件在不同廠房之間、不同工位之間自主轉(zhuǎn)運(yùn)。因此發(fā)展自動(dòng)化裝配技術(shù)是現(xiàn)在智能制造的一個(gè)最重要的部分，裝配自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)、裝配數(shù)字化定位技術(shù)和裝配自主轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)是自動(dòng)化裝配的技術(shù)關(guān)鍵。

目前agv自主轉(zhuǎn)運(yùn)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(dòng)對(duì)接的技術(shù)還沒有成熟的案例。agv車攜帶托架與工位自動(dòng)對(duì)接目前有幾種解決方案，第一種方案是采用機(jī)械導(dǎo)向自動(dòng)對(duì)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(gè)導(dǎo)向銷，通過導(dǎo)航輔助控制使agv車導(dǎo)向塊進(jìn)入導(dǎo)向孔內(nèi)，此方案缺點(diǎn)是施工難度大，控制精度依靠機(jī)械導(dǎo)向，無法保證車體前端導(dǎo)軌與工位導(dǎo)軌對(duì)齊。第二種方案采用高精度測(cè)量設(shè)備如激光跟蹤儀或高速視覺測(cè)量進(jìn)行自動(dòng)對(duì)接，其精度滿足對(duì)接要求，但是缺點(diǎn)是成本高，測(cè)量復(fù)雜。

因此，研究自動(dòng)對(duì)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(dòng)化裝配技術(shù)的關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)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(shí)現(xiàn)高精度全向車與裝配工位的自動(dòng)對(duì)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(dòng)對(duì)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、上位機(jī)中控系統(tǒng)和車體驅(qū)動(dòng)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(gè)，檢測(cè)方向?yàn)檐圀w前進(jìn)方向，第三激光位移傳感器安裝在車體前端中心位置，檢測(cè)方向?yàn)檐圀w橫向方向，裝配工位下方安裝三個(gè)擋板，第一、第二、第三激光位移傳感器檢測(cè)到自身到對(duì)應(yīng)擋板的距離分別為d1、d2和d3，其中車體運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)用于接收第一、第二、第三激光位移傳感器檢測(cè)到的距離信息并實(shí)時(shí)控制四個(gè)車輪電機(jī)的動(dòng)作，其中上位機(jī)中控系統(tǒng)用于調(diào)度全向車自主轉(zhuǎn)運(yùn)及自動(dòng)對(duì)接，其中車體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括四個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器和四個(gè)伺服電機(jī)，車體運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與四個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器連接，伺服驅(qū)動(dòng)器各自與一伺服電機(jī)一對(duì)一地連接，車體運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)指令按照給定速度和方向驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

優(yōu)選地，還包括對(duì)接過載報(bào)警系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)采集四個(gè)伺服電機(jī)的電流，并把電流信號(hào)傳輸?shù)杰圀w運(yùn)動(dòng)控制器中，當(dāng)車體運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)電流信號(hào)判斷出現(xiàn)對(duì)接后過載時(shí)，車體運(yùn)動(dòng)控制器釋放電機(jī)使能，自動(dòng)停止對(duì)接運(yùn)動(dòng)程序。

優(yōu)選地，所述車體運(yùn)動(dòng)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(cè)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(jìn)行基于全向車與裝配工位自動(dòng)對(duì)接的方法，包括以下步驟：

通過上位機(jī)中控系統(tǒng)設(shè)定全向車起點(diǎn)和終點(diǎn)，全向車攜帶車架進(jìn)行自主導(dǎo)航轉(zhuǎn)運(yùn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)裝配工位區(qū)域時(shí)，全向車開始減速，同時(shí)自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)前方和橫向距離，當(dāng)?shù)谝弧⒌诙す馕灰苽鞲衅鳈z測(cè)前方距離d1和d2分別為100mm時(shí)，車體停止運(yùn)動(dòng)，開始與裝配工位自動(dòng)對(duì)接，車體運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通過三個(gè)激光位移傳感器的測(cè)量值計(jì)算得到δd＝d1-d2，為車體前端左右偏轉(zhuǎn)誤差，計(jì)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(cè)量偏差值分別進(jìn)行pid控制，原理是：首先，車體進(jìn)行原地調(diào)節(jié)姿態(tài)，以把δd和δd1值同時(shí)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(dòng)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(shí)，設(shè)定以車架前端中心點(diǎn)為轉(zhuǎn)彎原點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，預(yù)設(shè)車體繞轉(zhuǎn)彎原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)時(shí)的車體后端車輪角速度的值，并根據(jù)公式(1)計(jì)算車體繞轉(zhuǎn)彎原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)時(shí)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(gè)車輪角速度，ωk為后端兩個(gè)車輪角速度，h為車體中心到旋轉(zhuǎn)點(diǎn)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(dòng)調(diào)節(jié)為：當(dāng)δd1>2mm或δd1<-2mm時(shí)，令車體前進(jìn)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(jìn)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(jìn)行向前移動(dòng)時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jìn)速度vy＝0.05m/s，根據(jù)δd的值對(duì)車體自轉(zhuǎn)角速度ω進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)δd1的值對(duì)車體橫向速度vx進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程中實(shí)時(shí)計(jì)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(shí)時(shí)計(jì)算得到的不同的車輪的角速度值來實(shí)時(shí)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(shí)把當(dāng)前的四個(gè)車輪的角速度值發(fā)送到車輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，進(jìn)而控制車體運(yùn)動(dòng)；當(dāng)?shù)谝?、第二激光位移傳感器測(cè)量到前方距離變?yōu)?0mm時(shí)，車體減速停止，車架與裝配工位接觸，完成自動(dòng)對(duì)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(shí)時(shí)測(cè)量車體前端姿態(tài)，不斷調(diào)整車體運(yùn)動(dòng)完成自動(dòng)對(duì)接，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度自動(dòng)對(duì)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(duì)接方案穩(wěn)定可靠。

2)相比人工手動(dòng)對(duì)接，自動(dòng)對(duì)接時(shí)間短，效率高，空載對(duì)接小于1分鐘，滿載對(duì)接時(shí)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(dòng)化裝配生產(chǎn)中，提高了自動(dòng)化水平和效率，降低了勞動(dòng)時(shí)間。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)原理圖；

圖2是本發(fā)明的自動(dòng)對(duì)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(shí)施方式

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

本發(fā)明的基于全向車與裝配工位自動(dòng)對(duì)接方案可應(yīng)用在數(shù)字化脈動(dòng)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(dòng)到裝配工位對(duì)接區(qū)域，進(jìn)行姿態(tài)調(diào)節(jié)，與裝配工位進(jìn)行自動(dòng)對(duì)接。

本發(fā)明所述基于全向車與裝配工位的自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)是基于麥克納姆輪全向車平臺(tái)設(shè)計(jì)，該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)全方向自由移動(dòng)，通過攜帶7m車架可以運(yùn)載2.5t產(chǎn)品。當(dāng)自動(dòng)對(duì)接完成后產(chǎn)品可以通過支撐托架從車架移動(dòng)到裝配工位上；為了保證產(chǎn)品能夠順利移動(dòng)，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(dòng)力移動(dòng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)。

本發(fā)明所述的自動(dòng)對(duì)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、上位機(jī)中控系統(tǒng)、車體驅(qū)動(dòng)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(cè)方向?yàn)檐圀w前進(jìn)方向，第三激光位移傳感器安裝在車體前端中心位置，檢測(cè)方向?yàn)檐圀w橫向方向，裝配工位下方安裝三個(gè)擋板，第一、第二、第三激光位移傳感器檢測(cè)到自身到擋板的距離分別為d1、d2和d3，其中車體運(yùn)動(dòng)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(cè)到的距離信息并實(shí)時(shí)控制四個(gè)車輪電機(jī)的動(dòng)作，其中上位機(jī)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(yùn)及自動(dòng)對(duì)接，其中車體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括四個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器和四個(gè)伺服電機(jī)，車體運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與四個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器連接，伺服驅(qū)動(dòng)器各自與一伺服電機(jī)一對(duì)一地連接，車體運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)指令按照給定速度和方向驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

本發(fā)明的基于全向車與裝配工位自動(dòng)對(duì)接的方法，包括以下步驟：通過上位機(jī)中控系統(tǒng)的主控界面設(shè)定全向車起點(diǎn)和終點(diǎn)，全向車攜帶7m車架進(jìn)行自主導(dǎo)航轉(zhuǎn)運(yùn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)裝配工位區(qū)域時(shí)，全向車開始減速，同時(shí)自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)前方和橫向距離，當(dāng)?shù)谝弧⒌诙す馕灰苽鞲衅鳈z測(cè)前方距離d1和d2為100mm時(shí)，車體停止運(yùn)動(dòng)，開始與裝配工位自動(dòng)對(duì)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通過測(cè)量值計(jì)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(cè)量偏差值分別進(jìn)行pid控制，自動(dòng)對(duì)接控制的原理是：首先，車體進(jìn)行原地調(diào)節(jié)姿態(tài)，以把δd和δd1值同時(shí)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(dòng)調(diào)節(jié)，這兩種調(diào)節(jié)動(dòng)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(shí)，設(shè)定以車架前端中心點(diǎn)為轉(zhuǎn)彎原點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，預(yù)設(shè)車體繞轉(zhuǎn)彎原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)時(shí)的車體后端車輪角速度的值，并根據(jù)公式(1)計(jì)算車體繞轉(zhuǎn)彎原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)時(shí)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(gè)車輪角速度，ωk為后端兩個(gè)車輪角速度，h為車體中心到旋轉(zhuǎn)點(diǎn)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(jì)算得出前后輪角速度之比為0.374，此時(shí)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(dòng)幅度小，易于偏轉(zhuǎn)精度控制；橫向移動(dòng)調(diào)節(jié)：當(dāng)δd1>2mm或δd1<-2mm時(shí)，令車體前進(jìn)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(jìn)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(jìn)行緩慢向前移動(dòng)同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jìn)速度vy＝0.05m/s，根據(jù)δd的值對(duì)車體自轉(zhuǎn)角速度ω進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)δd1的值對(duì)車體橫向速度vx進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程中實(shí)時(shí)計(jì)算(每隔預(yù)設(shè)時(shí)間計(jì)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(shí)時(shí)計(jì)算得到的不同的車輪的角速度值來實(shí)時(shí)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(shí)把當(dāng)前的四個(gè)車輪的角速度值發(fā)送到車輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，進(jìn)而控制車體運(yùn)動(dòng)；當(dāng)?shù)谝?、第二激光位移傳感器測(cè)量到前方距離變?yōu)?0mm時(shí)，車體減速停止，車架上的導(dǎo)軌與裝配工位接觸，完成自動(dòng)對(duì)接任務(wù)。

本發(fā)明所述圖1為對(duì)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(duì)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(cè)量前方和橫向距離，通過測(cè)量值進(jìn)行姿態(tài)調(diào)節(jié)；擋板4包括前方測(cè)量擋板和橫向測(cè)量擋板，位置可以自由微動(dòng)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(dòng)，車架長(zhǎng)度為7m。

圖2為自動(dòng)對(duì)接控制系統(tǒng)原理圖，上位機(jī)中控系統(tǒng)發(fā)送自動(dòng)對(duì)接命令，三個(gè)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(yùn)動(dòng)控制器中，車體運(yùn)動(dòng)控制器的磁條根據(jù)反饋值進(jìn)行模糊pid控制算法，計(jì)算出四組車輪移動(dòng)的角速度，并把控制信息發(fā)送到車輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，進(jìn)而控制車體運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，對(duì)接過載報(bào)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集電機(jī)電流，并把信號(hào)傳輸?shù)杰圀w運(yùn)動(dòng)控制器中，當(dāng)出現(xiàn)對(duì)接后過載時(shí)，車體運(yùn)動(dòng)控制器釋放電機(jī)使能，自動(dòng)停止對(duì)接運(yùn)動(dòng)程序。

圖3為自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)控制流程圖，自動(dòng)對(duì)接控制環(huán)節(jié)分為原地低精度調(diào)節(jié)和前進(jìn)中高精度調(diào)節(jié)，原地調(diào)節(jié)分為橫向移動(dòng)調(diào)節(jié)和以前端為中心旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，前進(jìn)中調(diào)節(jié)的控制算法采用模糊pid調(diào)節(jié)，可以同時(shí)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：?jiǎn)?dòng)全向車轉(zhuǎn)運(yùn)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(duì)接工位站點(diǎn)號(hào)，啟動(dòng)“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(yùn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)對(duì)接區(qū)域時(shí)，全向車開始減速，直到三個(gè)激光位移傳感器有測(cè)量距離值后，進(jìn)行自動(dòng)對(duì)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(jìn)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(cè)距離d1和d2小于設(shè)定值70mm時(shí)，全向車停止對(duì)接，此時(shí)車體導(dǎo)軌與工位導(dǎo)軌對(duì)齊。

第五步：?jiǎn)?dòng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)到工位命令，托架攜帶產(chǎn)品從車架自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的工位上。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)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(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。