一种低刚度片状材料的自动化适应性抓放方法

1.本发明涉及纤维复合材料自动铺放技术领域，具体而言是一种低刚度片状材料的自动化适应性抓放方法。


背景技术：

2.在航空航天、汽车等领域，复合材料由于其高比强度，高比模量而被广泛使用。在制备这些复合材料零件的过程中，复合材料需要被进行频繁地抓取和铺放。复合材料零件制备工艺有其特殊性：大部分的复合材料都需要被切割机从料卷上按照相应的形状切割出来，然后被人工挑拣出来，之后再被抓取并叠层铺放到相应的模具上。除此以外，复合材料本身还有材料本身的特殊性：切割后的复合材料本身刚度较小、形状和材质各异(玻纤、碳纤的单向带或是编织布)会交替使用。上面的两个特殊性导致了目前只能采用人工的方式对复合材料进行抓取和铺放操作。但是人工的方式会导致复合材料构件制造成本高、效率低以及质量波动大，为此采用自动化技术实现复合材料的抓取和铺放势在必行。专利cn104759862a公开了一种不规则柔性垫片点阵吸盘随形自动拾取装配机，该专利不适合交替抓取尺寸跨度大的多种材料，因为：在抓取铺放较小尺寸材料时，受点阵吸盘排列密度影响导致小片材料无法抓取；抓取大尺寸材料时，安装大量吸盘会导致成本急剧增加的问题。


技术实现要素：

3.根据上述技术问题，本专利提供一种低刚度片状材料的自动化适应性抓放方法。
4.本发明采用的技术手段如下：
5.一种低刚度片状材料的自动化适应性抓放方法，此方法采用自动化搬运系统，所述自动化搬运系统包括至少一个自动化搬运单元，所述自动化搬运单元包括框架架构和连接块，所述框架结构由多个依次铰接的伸缩机构所围成，所述连接块设置在所述框架结构的中心，其顶部与移动连接块的工业机器人连接，且其通过调节机构与所述框架结构连接，所述框架结构的底部安装有多个末端执行器，所述末端执行器用于抓取待抓取平面材料，且在z向方向上伸缩；所述末端执行器包括抓取装置和伸缩模组，所述伸缩模组用调整抓取装置在z向位置，所述抓取装置包括吸盘或夹钳或刺针。
6.所述调节机构包括伸缩装置和旋转装置，所述伸缩装置的一端与所述框架结构铰接，所述伸缩装置的另一端通过所述旋转机构与所述连接块连接。所述伸缩装置和伸缩机构可以为气缸、液压缸、电动推杆等装置，所述旋转机构可以选择伺服电机、马达等装置。通过调节伸缩装置和伸缩机构的行程和旋转机构的行程，来改变框架结构的形状，进而改变末端执行器上的抓取装置的位置。
7.一种低刚度片状材料的自动化适应性抓放方法包括如下步骤：
8.(1)将抓取材料的图形输入计算机；
9.(2)将抓取材料的图形按特征进行分类；使得待抓取材料的图形有一个固定编号c(i,j)；其中i为该图形对应的类别编号，j为该图形在第i类中的序号。将待抓取材料按特征
进行分类的方法为：先对已获得的待抓取材料的图形通过主成分分析、模式识别、特征矩阵以及神经网络进行处理，将待抓取材料的图形按照形状、尺寸、孔洞、表面纹理分类，然后结合待抓取材料的材质参数进行二次分类，其中材质参数包括面密度、干湿程度、材料刚度；之后依据工程需要对两次分类的结果进行组合取并集或交集，确定最后的分类。
10.(3)根据抓取材料的尺寸，采取单独一套或是多套自动化搬运单元进行协同作业；根据待抓取材料的尺寸进行区域判定并依据区域尺寸分配自动化搬运单元的数量：当待抓取材料的尺寸不超过预先设定的长方体的长宽高尺寸(a,b,c)后，采取单独一套自动化搬运单元进行作业；当待抓取材料的尺寸超过设定值(a,b,c)后，对待抓取材料的图形进行分割，分割为多个子图形，直到分割后每个子图形的尺寸都小于(a,b,c)，采取与子图形数量相同的自动化搬运单元对其所对应的子图形进行协同作业。
11.自动化搬运单元的数量m：末自动化搬运单元的数量m需要满足m*f≥g，其中，g为被抓取材料的重力，f为一套自动化搬运单元的总提升力，其中，f＝n*f(x)*s，s为人为设定的安全系数，n为末端执行器的数量，f(x)每个末端执行器的提升力。
12.(4)根据待抓取的材料的特征选取合适的末端执行器，并根据待抓取材料的重量确定末端执行器的数量，根据待抓取材料的尺寸和形状调节框架结构的形状和位置，进而改变末端执行器的x向和y向的位置；末端执行器的的数量n的确定方式为：f＝n*f(x)*s，s为人为设定的安全系数，n为末端执行器的数量，f(x)每个末端执行器的提升力。
13.抓取装置外侧的长度为d的材料的悬垂量设定值为w1。其中，w1的计算方法为：将长度为d的材料视为悬臂梁结构，通过力学挠曲线方程或是有限元方法计算d与w1的参数方程。然后通过调节长度d来控制w1；相邻两个抓取装置之间的跨度为l的材料的悬垂量设定值为w2。其中，w2的计算方法为：将两个抓取装置之间的跨度为l的材料视为简支梁，通过力学挠曲线方程或是有限元方法计算l与w2的参数方程。然后通过调节跨度l来控制w2；取w1和w2中的小值记为w，根据w并结合以获得参数方程来确定最终的相邻两抓取装置之间的间距l和抓取装置距离外侧材料的长度d，其目的在于约束框架结构的形状和框架与材料的相对位置；
14.(5)根据抓取材料的初始和铺放曲面，调节末端执行器的z向伸缩行程，实现可靠拾取或铺放。
15.最终通过以上5个步骤实现最终实现多种形状、大批量数量、不同材质的低刚度片状材料的自动化拾取和铺放操作。
16.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
17.1.本方法可以兼容尺寸跨度大的材料的交替操作，其中材料的尺寸可以是[0～20000mm，0～20000mm，0～1000mm]的范围内任意大小材料；
[0018]
2.利用位置调节机构机构以及多套自动化搬运单元，本方法可以在使用较少末端执行器和抓取装置的条件下交替抓取铺放尺寸跨度大的任意形状的材料；
[0019]
3.本方法采用自动化技术，精度和效率高；
[0020]
基于上述理由本发明可在纤维复合材料自动铺放等领域广泛推广。
附图说明
[0021]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022]
图1为本发明具体实施方式中方法的流程示意图。
[0023]
图2为本发明具体实施方式中自动化搬运单元结构示意图。
[0024]
图3为本发明具体实施方式中自动化搬运单元俯视图。
[0025]
图4为本发明具体实施方式中自动化搬运单元的xy空间的变形原理示意图。
[0026]
图5为本发明具体实施方式中自动化单元的xyz空间的变形原理示意图。
[0027]
图6为本发明的材料的分类示意图。
[0028]
图7为本发明具体实施方式中针对不同材料尺寸选择不同数量的自动化搬运单元示意图。
[0029]
图8为本发明具体实施方式中末端执行器的位置判断依据的示意图。
[0030]
图9为本发明具体实施方式中自动化单元搬运示意图。
[0031]
图中：1、自动化搬运单元，2、连接块，3、末端执行器，4、伸缩机构，5、旋转机构，6、抓取装置，7、伸缩模组，8、抓取材料，9、伸缩装置，10、工业机器人。
具体实施方式
[0032]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0033]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0035]
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0036]
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关
系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
[0037]
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0038]
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0039]
一种低刚度片状材料的自动化适应性抓放方法：
[0040]
此方法采用自动化搬运系统，如图2～3所示，所述自动化搬运系统包括至少一个自动化搬运单元1，所述自动化搬运单元1包括框架架构和连接块2，所述框架结构由多个依次铰接的伸缩机构4所围成，所述连接块2设置在所述框架结构的中心，其顶部与移动连接块的工业机器人连接，且其通过调节机构与所述框架结构连接，所述框架结构的底部安装有多个末端执行器3，所述末端执行器3用于抓取待抓取平面材料，且在z向方向上伸缩；所述末端执行器3包括抓取装置6和伸缩模组7，所述伸缩模组7用调整抓取装置6在z向位置，所述抓取装置6包括吸盘或夹钳或刺针。
[0041]
所述调节机构包括伸缩装置9和旋转装置5，所述伸缩装置9的一端与所述框架结构铰接，所述伸缩装置9的另一端通过所述旋转机构5与所述连接块2连接。所述伸缩装置9和伸缩机构4可以为气缸、液压缸、电动推杆、伺服推杆等装置，所述旋转机构5可以选择伺服电机、马达等装置。通过调节伸缩装置9和伸缩机构4的行程和旋转机构5的行程，来改变框架结构的形状，进而改变末端执行器3上的抓取装置6的位置。
[0042]
如图1所示，方法包括如下步骤：
[0043]
(1)将抓取材料8放置于平台上，其中抓取材料8包含边长为1mm的正方形薄木板、边长为1mm的矩形薄木板和边长为1mm的八边形薄钢片，如图6所示，将这三种抓取材料8的图形通过机器视觉摄像头输入计算机；
[0044]
(2)通过计算机图形学将这批抓取材料8按形状和材质特征进行分类。其中，正方形薄木板和矩形薄木板为木头材质标记为第1类，该类材料共用一种抓取装置6，但是这两个材料形状尺寸不一样，因此将其记为c(1,1)和c(1,2)；八边形薄钢片材料认定为第2类金属材料，记为c(2,1)；
[0045]
(3)根据待抓取材料8的尺寸，c(1,1)，c(1,2)和c(2,1)图形的几何包围空间(长，宽，高)分别为(a,a,1)和(1.5a,1.5a,1)以及(a,b,1)＝(a,2a,1)。本文认为c(1,1)和c(2,1)可以采用单一抓取方式；而对c(1,2)则采用图形分割+协同抓取的方式，具体操作为将c(1,2)分割为两个c(1,1)，并通过两套自动化搬运单元1协同抓取，如图7所示。
[0046]
(4)根据待抓取材料8的重量特征，调整每一套自动化搬运单元1的末端执行器3的抓取装置6的类别和数量n，具体而言：
[0047]
a.对于木板材料，抓取装置6选定为真空吸盘；对于钢板，抓取装置6为磁铁；并且通过实测，采用9个抓取装置6保证抓取装置6的数量足够实现材料的提升；
[0048]
b.伸缩机构4和伸缩装置9选为带有铰接支座的伺服推杆，共计12个；
[0049]
旋转机构5选为伺服电机，共计四个，伸缩模组7选为气缸；对于c(1,1)材料和c(2,1)材料，分别调节伸缩机构4和伸缩装置9的行程和旋转机构5的角度以改变自动化搬运单元1的投影形状；
[0050]
c.将抓取装置6外侧材料视为悬臂梁，根据材料的密度、截面积等参数，计算材料边缘长度d和最外侧材料悬垂量w1的挠度曲线方程；
[0051]
d.将相邻的两个抓取装置6之间的材料视为简支梁，根据材料的密度、截面积等参数，计算两个抓取装置6之间的材料长度l和材料悬垂量w2的挠度曲线方程；
[0052]
e.根据上述两组挠度曲线，设定合适的挠度值w＝min(w1，w2)，然后根据曲线方程反推d和l；并依照d调节自动化搬运单元1距离材料布料边缘的位置；依照l调节任意两个抓取装置6之间的距离，如图8所示。
[0053]
f.对于c(1,2)，通过两个工业机器人10将两套自动化搬运单元1移至c(1,2)的两个子区域上方，采用与c(1,1)类似的方式进行协同抓取；
[0054]
(5)由于抓取材料8在抓取前为平面状态，最终铺放的位置也是平面，因此设定伸缩模组7的行程为相同数值。最后通过工业机器人16将抓取材料8顺利地拾取或铺放，如图9所示。
[0055]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种低刚度片状材料的自动化适应性抓放方法，其特征在于：此方法采用自动化搬运系统，所述自动化搬运系统包括至少一个自动化搬运单元，所述自动化搬运单元包括框架架构和连接块，所述框架结构由多个依次铰接的伸缩机构所围成，所述连接块设置在所述框架结构的中心，并通过调节机构与所述框架结构连接，所述框架结构的底部安装有多个末端执行器，所述末端执行器用于抓取待抓取平面材料，且在z向方向上伸缩；方法包括如下步骤：(1)将待抓取材料的图形输入计算机；(2)将待抓取材料按特征进行分类；(3)根据待抓取材料的尺寸和形状，采取单独一套或是多套自动化搬运单元进行协同作业；(4)根据待抓取的材料的特征选取合适的末端执行器，并根据待抓取材料的重量确定末端执行器的数量，根据待抓取材料的尺寸和形状调节框架结构的形状和位置，进而改变末端执行器的x向和y向的位置；(5)调节末端执行器的z向行程，实现对待抓取材料在任意曲面上的拾取或铺放。2.根据权利要求1所述的一种低刚度片状材料的自动化适应性抓放方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，将待抓取材料按特征进行分类，使得待抓取材料的图形有一个固定编号c(i,j)；其中i为该图形对应的类别编号，j为该图形在第i类中的序号。3.根据权利要求2所述的一种低刚度片状材料的自动化适应性抓放方法，其特征在于，将待抓取材料按特征进行分类的方法为：先对已获得的待抓取材料的图形通过主成分分析、模式识别、特征矩阵以及神经网络进行处理，将待抓取材料的图形按照形状、尺寸、孔洞、表面纹理分类，然后结合待抓取材料的材质参数进行二次分类，其中材质参数包括面密度、干湿程度、材料刚度；之后依据工程需要对两次分类的结果进行组合取并集或交集，确定最后的分类。4.根据权利要求1所述的一种低刚度片状材料的自动化适应性抓放方法，其特征在于，在步骤(3)中，根据待抓取材料的尺寸进行区域判定并依据区域尺寸分配自动化搬运单元的数量：当待抓取材料的尺寸不超过预先设定的长方体的长宽高尺寸(a,b,c)后，采取单独一套自动化搬运单元进行作业；当待抓取材料的尺寸超过设定值(a,b,c)后，对待抓取材料的图形进行分割，分割为多个子图形，直到分割后每个子图形的尺寸都小于(a,b,c)，采取与子图形数量相同的自动化搬运单元对其所对应的子图形进行协同作业。5.根据权利要求1所述的一种低刚度片状材料的自动化适应性抓放方法，其特征在于，自动化搬运单元的数量m需要满足m*f≥g，其中，g为被抓取材料的重力，f为一套自动化搬运单元的总提升力，其中，f＝n*f(x)*s，s为人为设定的安全系数，n为末端执行器的数量，f(x)每个末端执行器的提升力。6.根据权利要求1所述的一种低刚度片状材料的自动化适应性抓放方法，其特征在于，抓取装置外侧的材料长度记为d，该材料的悬垂量设定值为w1，其中，w1的计算方法为：将长度d的材料视为悬臂梁结构，通过力学挠曲线方程或是有限元方法计算d与w1的参数方程，然后通过调节d来控制w1。7.根据权利要求6所述的一种低刚度片状材料的自动化适应性抓放方法，其特征在于，
相邻两抓取装置之间的材料长度记为l，该材料的悬垂量的设定值为w2，其中，w2的计算方法为：将长度为l的材料视为简支梁，通过力学挠曲线方程或是有限元方法计算l与w2的参数方程，然后通过调节l来控制w2。8.根据权利要求7所述的一种低刚度片状材料的自动化适应性抓放方法，其特征在于，取w1和w2中的小值记为w，根据w并结合以获得参数方程来确定最终的相邻两抓取装置之间的间距l和抓取装置距离外侧材料的长度d。9.根据权利要求1所述的一种低刚度片状材料的自动化适应性抓放方法，其特征在于，所述末端执行器包括抓取装置和伸缩模组，所述伸缩模组用调整抓取装置在z向位置，所述调节机构包括伸缩装置和旋转装置，所述伸缩装置的一端与所述框架结构铰接，所述伸缩装置的另一端通过所述旋转机构与所述连接块连接。10.根据权利要求8所述的一种低刚度片状材料的自动化适应性抓放方法，其特征在于，所述抓取装置包括吸盘或夹钳或刺针。

技术总结
本发明提供一种低刚度片状材料的自动化适应性抓放方法，该方法包括：1.基于图形技术，按特征对材料进行分类；2.针对材料的尺寸，采取单独一套或是多套自动化搬运单元进行协同作业；3.针对抓取材料，选择合适的末端执行器，并调节其数量和XY位置；4.针对抓取材料的初始和铺放曲面，调节末端执行器上的抓取装置和伸缩模组的Z向行程。最终实现多种形状、大批量数量、不同材质的低刚度片状材料的自动化拾取和铺放操作。本发明结构合理可靠，可以兼容多种形状、材质的低刚度片状材料，可以实现自动化搬运拾取、铺放功能，效率提高50％以上。效率提高50％以上。效率提高50％以上。


技术研发人员：高航 戚嘉亮 卜聪 李论 王一奇
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2022.03.15
技术公布日：2022/7/5