一种双臂协同卷料自动上料方法与流程

本发明属于机械臂，具体的说是一种双臂协同卷料自动上料方法。

背景技术：

1、双臂协同卷料自动上料是纺织、钢铁、造纸等工业自动化生产线的核心转运工序，双机械臂运动轨迹、姿态的同步匹配精度以及负载适配能力，直接决定卷料搬运过程的稳定性、安全性与生产线整体作业节拍效率。

2、目前工业卷料上料的双臂协同控制普遍采用固定时间偏移或固定位置插值的同步策略，依托预设固定相位差与轨迹参数完成双机械臂协同轨迹规划与跟随运动。

3、现有固定式参数协同控制策略存在无法适配卷料动态负载工况的固有技术缺陷，无法实时响应卷料搬运过程中质量、重心偏移引发的负载突变，高速转运工况下极易出现双臂姿态错位、物料受力不均、卷料滑脱掉落等问题，固定参数算法缺乏动态自适应修正能力，彻底制约了双臂协同卷料上料工艺的高精度、高稳定性自动化作业水平。

4、为此，本发明提供一种双臂协同卷料自动上料方法。

技术实现思路

1、为了弥补现有技术的不足，解决背景技术中所提出的至少一个技术问题。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明所述的一种双臂协同卷料自动上料方法，包括以下步骤：

3、步骤一、进行卷料约束状态的实时感知与建模，基于双臂夹持卷料形成的物理耦合闭环约束系统，获取双臂各关节的实时位置参数、速度参数、加速度参数以及夹爪的实时夹持力参数，将卷料视为具有弹性和内应力的约束介质而非理想刚性体，通过力传感器和位置传感器融合采集的数据，构建描述双臂与卷料之间约束动态耦合关系的约束耦合模型，该约束耦合模型以卷料的弹性模量、泊松比、几何尺寸以及双臂的相对姿态作为输入变量，输出双臂之间的约束反力分布和内力传递函数，为后续的姿态协同调整提供精确的物理基础。

4、步骤二、进行卷料重心位置的动态估计与跟踪，根据步骤一获取的约束耦合模型，结合双臂夹爪的空间坐标和夹持力矢量，计算卷料当前重心在三维空间中的实时位置坐标及其偏移量，根据卷料的质量分布特征和转动惯量，建立重心位置随夹持姿态变化的递推方程，采用卡尔曼滤波算法对重心估计值进行噪声抑制和预测更新，使得重心估计精度达到亚毫米级别，重心跟踪延迟控制在5毫秒以内，为双臂协同力的动态分配提供精确的重心基准。

5、步骤三、进行双臂协同力的动态分配与姿态调整，基于步骤二输出的重心跟踪结果，将双臂视为通过卷料耦合的协同运动整体，计算维持卷料稳定夹持所需的总夹持力，并根据重心偏移量将该总夹持力按照力矩平衡原则动态分配至双臂的各夹爪，确定双臂各自应承担的夹持力比例和运动补偿量，通过调节双臂关节驱动电机的输出扭矩和运动轨迹，实现双臂夹持力的协调再分配，使卷料受力均匀分布且重心始终位于双臂形成的支撑平面内。

6、步骤四、进行约束振动的在线监测与抑制控制，在双臂协同运动过程中，实时监测约束耦合模型中的内力波动信号，提取内力信号的频率成分和幅值变化，识别约束界面弹性导致的系统固有频率振动分量，当检测到振动能量超过预设阈值时，通过在双臂控制回路中注入与振动相位相反的阻尼补偿信号，对振动进行主动抑制，阻尼补偿信号的幅值根据振动能量的实时监测结果进行自适应调整，直至振动能量衰减至预设安全范围内。

7、步骤五、进行异物卡阻的快速检测与协同响应处理，在双臂夹持卷料运动至目标工位过程中，实时监测双臂关节驱动电机的电流变化和位置偏差，当异物卡阻导致冲击力急剧上升时，根据步骤一建立的约束耦合模型确定的卡阻力传递路径，计算卡阻发生后双臂约束反力的重新分布，快速调整双臂的协同运动策略，将卡阻一侧的夹爪在毫秒级时间内卸载至预设安全力阈值，同时增大另一侧夹爪的夹持力以维持卷料的稳定夹持状态，防止卷料滑脱掉落。

8、优选的，所述约束耦合模型的构建采用分布参数建模方法，将卷料在长度方向上划分为多个微元段，每个微元段视为具有独立弹性变形的约束单元，相邻微元段之间通过弹性连接建立约束关系，双臂夹爪与卷料的接触区域被离散为若干接触节点，每个接触节点的位置坐标和受力状态被作为约束耦合模型的边界条件，通过求解所有微元段的弹性变形方程和接触节点的力平衡方程，得到双臂之间的内力传递函数矩阵，该内力传递函数矩阵描述了单臂运动产生的激励如何通过卷料传递至另一臂并引起约束响应。

9、优选的，所述重心动态估计采用递推最小二乘法与扩展卡尔曼滤波的联合估计算法，递推最小二乘法根据双臂夹爪的空间坐标和夹持力矢量实时更新重心估计值，扩展卡尔曼滤波算法在递推最小二乘法的基础上引入系统过程噪声和测量噪声的统计特性，对重心估计值进行最优融合，在卷料重量分布发生突变或双臂夹持姿态快速变化时，扩展卡尔曼滤波能够快速收敛至新的稳态估计值，估计误差控制在±1毫米以内，估计更新周期为2毫秒，满足实时性要求。

10、优选的，所述协同力动态分配采用阻抗控制与力位混合控制的融合策略，阻抗控制将双臂与卷料之间的约束动态关系等效为弹簧阻尼系统，通过调节等效刚度和阻尼系数实现双臂运动轨迹的柔性调整，力位混合控制根据目标工位的空间约束条件，在满足夹持力要求的前提下规划双臂的运动路径，当重心偏移量超过预设阈值时，协同力分配模块根据偏移方向和偏移量计算双臂夹爪的补偿位移，通过调整关节电机的位置指令使补偿位移得以执行，实现夹持力的实时再分配。

11、优选的，所述振动监测采用自适应陷波滤波器进行主动抑振，自适应陷波滤波器的中心频率根据系统固有频率的实时估计结果进行自动调整，固有频率的估计采用频谱分析与prony算法相结合的方法，从内力波动信号中提取主导振动模式的频率和阻尼比，当检测到多阶振动模式并存时，自适应陷波滤波器生成多频点的陷波组合，对各个振动分量进行同时抑制，抑制响应时间控制在10毫秒以内，振动衰减率大于85%。

12、优选的，所述异物卡阻检测采用关节电机电流的斜率检测与位置偏差的阈值检测双重判据，关节电机电流斜率反映电机输出扭矩的变化速率，当异物卡阻发生时，卡阻侧的电机电流斜率在1毫秒内急剧上升至正常值的5至10倍，位置偏差阈值检测则监测关节实际位置与目标位置的偏差量，当偏差量在3毫秒内累计超过0.5毫米时判定为卡阻发生，双重判据的与逻辑运算确保卡阻检测的可靠性，误报率控制在0.1%以下。

13、优选的，所述协同响应处理采用分级保护策略，第一级保护在检测到卡阻信号后立即将卡阻侧夹爪的输出扭矩降低至安全阈值，安全阈值为正常夹持扭矩的30%至40%，维持卷料的基本夹持状态并防止夹芯压溃，第二级保护在第一级保护执行后的5毫秒内评估卷料的稳定性，如果判定卷料处于失稳状态则启动卷料释放程序，将卷料放置于最近的应急工位，第三级保护在卷料释放后记录卡阻发生的位置和时间信息，为后续的工位优化和故障诊断提供数据支持。

14、优选的，所述夹爪的结构设计采用自适应变形夹持面，夹持面由多个独立的弹性指组成，每个弹性指的内侧设置有压力传感器阵列，弹性指能够根据卷料表面的曲率进行自适应变形，使夹持力在卷料表面均匀分布，压力传感器阵列实时采集各弹性指的接触压力，压力分布的标准差被控制在平均压力的15%以内，当某一弹性指的压力超过相邻弹性指的平均压力2倍以上时，控制模块自动调节该弹性指的驱动电流，实现压力均衡。

15、优选的，本发明的双臂协同卷料自动上料方法在应用过程中，其控制逻辑遵循以下技术流程：首先通过约束耦合模型实时感知双臂与卷料之间的物理耦合状态，识别约束反力和内力传递路径；然后通过重心动态估计获取卷料重心的精确位置，为协同力分配提供基准；接着通过协同力动态分配实现双臂夹持力的协调再分配，使卷料受力均匀；随后通过振动监测与抑制控制消除约束界面弹性导致的系统振动；最后通过异物卡阻的快速检测与协同响应处理保障作业安全，各技术环节相互衔接、协同作用，构成完整的双臂协同控制闭环。

16、优选的，本发明还提供一种双臂协同卷料自动上料系统，包括第一机械臂和第二机械臂，所述第一机械臂和第二机械臂均具有多个关节自由度，各关节设置有位置传感器、速度传感器和力矩传感器，第一机械臂和第二机械臂的末端分别安装有自适应变形夹持夹爪，各夹爪设置有压力传感器阵列；还包括控制器，控制器分别与第一机械臂、第二机械臂以及压力传感器阵列通讯连接，控制器内部预存有约束耦合模型算法模块、重心动态估计算法模块、协同力分配算法模块、振动抑制算法模块和卡阻检测算法模块，控制器根据各传感器采集的数据执行相应的算法模块输出控制指令，驱动第一机械臂和第二机械臂实现协同运动。

17、本发明提供的双臂协同卷料自动上料方法的有益效果如下：

18、1.本发明通过建立约束耦合模型并基于该模型进行协同力动态分配，将双臂协同控制精度从传统方法的2至3毫米提升至0.5毫米以内，协同定位精度提升四至六倍，有效解决了约束耦合产生的内力导致双臂实际位置与期望位置存在偏差的技术问题。

19、2.本发明通过振动监测与自适应陷波滤波抑制相结合的方法，使约束振动在10毫秒内衰减至安全范围，振动衰减率达到85%以上，解决了约束界面的弹性导致运动激励的振动难以衰减的技术问题。

20、3.本发明通过关节电机电流斜率与位置偏差的双重判据卡阻检测，配合分级保护协同响应策略，将卡阻响应时间从传统力矩限制型控制策略的数十毫秒缩短至5毫秒以内，解决了卡阻检测响应迟缓、冲击力作用时间远快于保护响应时间的技术问题。

21、4.本发明通过自适应变形夹持面和压力均衡控制，使夹持力在卷料表面的分布标准差控制在平均压力的15%以内，消除了卷芯压溃和卷料滑落的安全隐患，提升了双臂协同卷料上料作业的高精度与高稳定性。