[發明專利]一種冗余自由度液壓重載機器臂主動安全系統

有效

• 申請號: 202010071533.4
• 申請日: 2020-01-21
• 公開（公告）號: CN111168660B
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發明（設計）人: 解侖;李連鵬;張海鑫;王志良
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: B25J9/08
• 分類號: B25J9/08;B25J9/16;B25J13/08;B25J19/06
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波;鄧琳

1.一種冗余自由度液壓重載機器臂主動安全系統，其特征在于，包括傳感器系統模塊、控制系統模塊、驅動動力模塊、執行機構模塊、云端服務器模塊及主動安全模塊；其中，

所述傳感器系統模塊用于實時采集系統狀態和作業環境信息并反饋給所述控制系統模塊；

所述控制系統模塊用于接收所述傳感器系統模塊的反饋信息，并根據作業任務規劃作業路徑，向所述驅動動力模塊發出控制指令，協調完成作業任務；

所述驅動動力模塊用于接收所述控制指令，并將所述控制指令轉化為驅動指令，為所述執行機構模塊提供作業的動力；

所述執行機構模塊用于根據所述驅動指令，按規定的動作順序完成作業任務；

所述云端服務器模塊用于配置機械臂控制系統策略，記錄作業過程日志并存儲，為用戶提供遠端可視化功能；

所述主動安全模塊用于檢測來自網絡域、物理域的入侵攻擊，發掘潛在安全隱患，保證網絡和本地設備安全可靠運行；

所述控制系統模塊為ROS控制系統模塊，運行在Linux系統下，包括ROS界面、ROS層、Moveit層、ROS應用層、ROS配置層、ROS接口層、ROS信息傳輸層和ROS控制層；

所述控制系統模塊包括Descartes規劃器、Trac-IK逆解器、動態運動基元和信號IO處理單元；

所述Descartes規劃器用于液壓重載機械臂作業任務路徑規劃，包括關節軌跡規劃和笛卡爾空間軌跡規劃，或者兩種組合成為混合軌跡規劃；

所述Trac-IK逆解器用于將作業目標點位姿轉化到機械臂系統坐標系，并逆解各個關節需要運動的位移和速度；

所述動態運動基元用于提高機械臂運動軌跡的流暢性和平滑性，防止作業卡頓、停滯和較大幅度震動；

所述信號IO處理單元用于接收所述傳感器系統模塊、所述驅動動力模塊、所述主動安全模塊的信號，并將處理后的控制指令、日志記錄、系統狀態傳輸給相應接收模塊；

其中，Descartes規劃器首先獲取笛卡爾空間軌跡點，根據誤差范圍進行選擇性采樣得到多個笛卡爾空間點，基于Trac-IK逆解器得到各關節運動規劃情況并轉化為有向圖，隨后計算邊界成本，選擇ROS系統提供的算法求解最優解，若無解則重新進行逆解計算直到得到最優解；

動態運動基元的數學模型如下：

其中

α_x為系統參數；h_i為基函數的方差；i為基函數數目，f為強迫函數；ψ為基函數；ω為基函數權重；x為系統自變量，是關于時間t的函數；g為學習軌跡目標值；y₀為學習軌跡起始值；

所述主動安全模塊，包括網絡域安全子模塊、物理域安全子模塊和作業安全子模塊；

所述網絡域安全子模塊用于檢測來自網絡域的攻擊，包括數據注入、拒絕服務、竊聽、中間人攻擊，保證信息安全；

所述物理域安全子模塊用于檢測來自物理域的安全狀態，包括設備狀態、運行時間、本地文件安全和通信，保證設備安全；

所述作業安全子模塊，用于檢測系統存在的安全隱患，建立作業安全數據集，從系統級和單元級分析運行數據，避免碰撞，保證作業安全。

2.根據權利要求1所述的冗余自由度液壓重載機器臂主動安全系統，其特征在于，所述信號IO處理單元包括TF6100、TF6310、TF6340軟件接口，支持RS232/422/485、USB2.0/3.0、RJ45協議通信。

3.根據權利要求1所述的冗余自由度液壓重載機器臂主動安全系統，其特征在于，所述驅動動力模塊包括驅動裝置和多個液壓馬達；

所述驅動裝置用于將所述控制系統模塊的控制指令分解為關節機械臂轉矩和轉速的驅動指令，并將所述驅動指令傳輸給所述液壓馬達；

所述液壓馬達用于將所述驅動指令轉化為實際的力和轉速，驅動所述執行機構模塊運行。

4.根據權利要求1所述的冗余自由度液壓重載機器臂主動安全系統，其特征在于，所述執行機構模塊包括機械臂本體和機械臂移動底座；

所述機械臂本體包括機械臂關節和抓具，用于按步驟執行作業任務，完成路徑規劃的作業目標；

所述機械臂移動底座，用于支撐所述機械臂本體，為所述機械臂本體提供控制平臺并擴大作業范圍。