一种冗余自由度液压重载机器臂主动安全系统的制作方法

本发明涉及重载机械臂安全控制技术领域，特别涉及一种冗余自由度液压重载机器臂主动安全系统。

背景技术：

重载机械臂系统是最复杂的信息物理系统之一。在全球工业领域的重型装备制造、协同搬运、精细装配以及复杂环境重型装备维护等方面，重载机械臂具有不可替代的重要作用，特别是面向如航空航天等高精尖科技领域，已成为解决大负载作业，提高工作效率、生产安全、降低人工成本等重大需求问题的核心必备装备。然而现阶段，关于重载机械臂主动安全技术研究较少,安全可靠性较低，制约着重载机械臂在工业领域的应用。

针对目前存在的重载机械臂应用需求巨大和安全性能较低的矛盾，提高液液压重载机械臂主动安全能力，开发主动安全系统是重载机械臂进一步发展的必然选择。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种冗余自由度液压重载机器臂主动安全系统，以解决现有技术所存在的重载机械臂安全性能相对较低、作业安全保障不足的问题。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：

一种冗余自由度液压重载机器臂主动安全系统，包括传感器系统模块、控制系统模块、驱动动力模块、执行机构模块、云端服务器模块及主动安全模块；其中，

所述传感器系统模块用于实时采集系统状态和作业环境信息并反馈给所述控制系统模块；

所述控制系统模块用于接收所述传感器系统模块的反馈信息，并根据作业任务规划作业路径，向所述驱动动力模块发出控制指令，协调完成作业任务；

所述驱动动力模块用于接收所述控制指令，并将所述控制指令转化为驱动指令，为所述执行机构模块提供作业的动力；

所述执行机构模块用于根据所述驱动指令，按规定的动作顺序完成作业任务；

所述云端服务器模块用于配置机械臂控制系统策略，记录作业过程日志并存储，为用户提供远端可视化功能；

所述主动安全模块用于检测来自网络域、物理域的入侵攻击，发掘潜在安全隐患，保证网络和本地设备安全可靠运行。

优选地，所述控制系统模块为ros控制系统模块，运行在linux系统下，包括ros界面、ros层、moveit层、ros应用层、ros配置层、ros接口层、ros信息传输层和ros控制层。

优选地，所述控制系统模块包括descartes规划器、trac-ik逆解器、动态运动基元和信号io处理单元；

所述descartes规划器用于液压重载机械臂作业任务路径规划，包括关节轨迹规划和笛卡尔空间轨迹规划，或者两种组合成为混合轨迹规划；

所述trac-ik逆解器用于将作业目标点位姿转化到机械臂系统坐标系，并逆解各个关节需要运动的位移和速度；

所述动态运动基元用于提高机械臂运动轨迹的流畅性和平滑性，防止作业卡顿、停滞和较大幅度震动；

所述信号io处理单元用于接收所述传感器系统模块、所述驱动动力模块、所述主动安全模块的信号，并将处理后的控制指令、日志记录、系统状态传输给相应接收模块。

优选地，所述信号io处理单元包括tf6100、tf6310、tf6340软件接口，支持rs232/422/485、usb2.0/3.0、rj45协议通信。

优选地，所述驱动动力模块包括驱动装置和多个液压马达；

所述驱动装置用于将所述控制系统模块的控制指令分解为关节机械臂转矩和转速的驱动指令，并将所述驱动指令传输给所述液压马达；

所述液压马达用于将所述驱动指令转化为实际的力和转速，驱动所述执行机构模块运行。

优选地，所述执行机构模块包括机械臂本体和机械臂移动底座；

所述机械臂本体包括机械臂关节和抓具，用于按步骤执行作业任务，完成路径规划的作业目标；

所述机械臂移动底座，用于支撑所述机械臂本体，为所述机械臂本体提供控制平台并扩大作业范围。

优选地，所述机械臂关节包括大臂回转关节、第一俯仰关节、伸缩关节、偏航关节、滚转关节和第二俯仰关节；

所述抓具用于抓取、运输和放置作业目标，且能够更换。

优选地，所述云端服务器模块包括云端服务器及可视化单元；

所述云端服务器用于配置机械臂控制系统策略，记录作业过程日志并存储，通过以太网与本地机械臂系统连接；

所述可视化模块用于显示机械臂系统作业现场情况，以及显示传感器系统信息，为远程监控人员提供信息反馈。

优选地，所述主动安全模块，包括网络域安全子模块、物理域安全子模块和作业安全子模块；

所述网络域安全子模块用于检测来自网络域的攻击，包括数据注入、拒绝服务、窃听、中间人攻击，保证信息安全；

所述物理域安全子模块用于检测来自物理域的安全状态，包括设备状态、运行时间、本地文件安全和通信，保证设备安全；

所述作业安全子模块，用于检测系统存在的安全隐患，建立作业安全数据集，从系统级和单元级分析运行数据，避免碰撞，保证作业安全。

优选地，所述传感器系统模块包括：位移传感器、惯性测量单元、视觉传感器、超声波探测器、力传感器和网络流量分析仪；

所述位移传感器用于检测各个关节的位移情况并实时反馈回所述控制系统模块，校正系统路径规划轨迹；

所述惯性测量单元由加速度计和陀螺仪组成，用于测量所述执行机构模块末端抓具的姿态信息，确定末端姿态信息；其中，加速度计用于测量末端抓具的角加速度信息，陀螺仪用于测量末端抓具的角速度信息；

所述视觉传感器用于作业目标及障碍物识别与位姿解算，实时反馈作业环境信息，构建三维环境模型，增强现实的显示作业环境情况，辅助完成液压重载机械臂作业任务；

所述超声波探测器用于测量机械臂本体与作业环境的距离，包括作业目标、障碍物及其他环境设备，防止作业过程中的意外碰撞，所采集信息反馈给所述控制系统模块和所述主动安全模块；

所述力传感器用于采集各关节力矩及末端抓具接触力，实时反馈作用力情况，辅助装配，同时防止接触力、关节力矩过大损害设备；

所述网络流量分析仪用于监测系统运行过程中所产生的数据流量，及时发现数据流量异常情况，保障系统信息安全和作业安全。

本发明的上述方案至少包括以下有益效果：

上述方案中，本发明通过控制系统模块接收传感器系统模块的信息反馈，根据作业任务路径规划结果向驱动动力模块发出操作指令；通过驱动动力模块实现接收控制系统模块发出的控制指令，将控制指令转化为驱动指令，驱动执行机构模块运动；执行机构模块按照驱动动力模块驱动指令和驱动力完成相应的作业任务；云端服务器模块实现配置机械臂控制系统策略，记录作业过程日志并存储，为用户提供远端可视化功能；主动安全模块实现检测来自物理域、网络域的入侵攻击，发掘潜在安全隐患，保证网络和本地设备安全可靠运行。在机械臂系统运行过程中，既考虑了网络域安全，又兼顾了物理域安全，通过多种传感器和网络域、物理域安全保障了作业安全，提高了系统的安全性和可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的冗余自由度液压重载机械臂主动安全系统结构示意图；

图2是本发明实施例提供的ros控制系统模块的原理框图；

图3是本发明实施例提供的ros控制系统模块的工作流程图；

图4是本发明实施例提供的驱动动力模块的组成图；

图5是本发明实施例提供的执行机构模块的工作流程示意图；

图6是本发明实施例提供的主动安全模块的工作流程示意图；

图7是本发明实施例提供的网络域安全子模块的工作流程示意图；

图8是本发明实施例提供的作业安全子模块的工作原理示意图。

附图标记说明：1-传感器系统模块；2-控制系统模块；3-驱动动力模块；4-执行机构模块；5-云端服务器模块；6-主动安全模块；601-网络域安全子模块；602-物理域安全子模块；603-作业安全子模块。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明的实施例提供了一种冗余自由度液压重载机器臂主动安全系统，如图1所示，所述系统包括传感器系统模块1、控制系统模块2、驱动动力模块3、执行机构模块4、云端服务器模块5及主动安全模块6；其中，

传感器系统模块1用于实时采集系统状态和作业环境信息并反馈给控制系统模块2；

控制系统模块2用于接收传感器系统模块1的反馈信息，并根据作业任务规划作业路径，向驱动动力模块3发出控制指令，协调完成作业任务；

驱动动力模块3用于接收所述控制指令，并将所述控制指令转化为驱动指令，为执行机构模块4提供作业的动力；

执行机构模块4用于根据所述驱动指令，按规定的动作顺序完成作业任务；

云端服务器模块5用于配置机械臂控制系统策略，记录作业过程日志并存储，为用户提供远端可视化功能；

主动安全模块6用于检测来自网络域、物理域的入侵攻击，发掘潜在安全隐患，保证网络和本地设备安全可靠运行。

本发明通过控制系统模块2接收传感器系统模块1的信息反馈，根据作业任务路径规划结果向驱动动力模块3发出操作指令；通过驱动动力模块3实现接收控制系统模块发出的控制指令，将控制指令转化为驱动指令，驱动执行机构模块4运动；执行机构模块4按照驱动动力模块驱动指令和驱动力完成相应的作业任务；云端服务器模块5实现配置机械臂控制系统策略，记录作业过程日志并存储，为用户提供远端可视化功能；主动安全模块6实现检测来自物理域、网络域的入侵攻击，发掘潜在安全隐患，保证网络和本地设备安全可靠运行。在机械臂系统运行过程中，既考虑了网络域安全，又兼顾了物理域安全，通过多种传感器和网络域、物理域安全保障了作业安全，提高了系统的安全性和可靠性。

在本实例中，所述冗余自由度液压重载机械臂主动安全系统运行在linux操作系统上，所涉及到的主站基于倍福工控机c5240，interi74核c9900-c614系列处理器，主频3200mhz，处理器性能稳定；内存采用ddr4内存技术，型号为c9900-r271，大小为16g；硬盘型号为c9900-h749的ssd240g固态硬盘，同时配备总容量达2.5t的机械硬盘。软件方面，包括tf6100，用于不同操作系统间通信；tf6310，用于网口通信，支持tcp/ip、ethercat等多种协议；tf6340，用于串口通信，处理串口与第三方通信。此外，超高的主频和内存可以满足多源信息处理，稳定的工控机性能稳定，运行稳定安全性能高，适应性好，支持i/o扩展和分级储存，能够保证所述冗余自由度液压重载机械臂主动安全系统安全稳定运行。

进一步地，控制系统模块为ros控制系统模块，如图2所示，ros控制系统模块包括ros界面、ros层、moveit层、ros应用层、ros配置层、ros接口层、ros信息传输层和ros控制层。

其中，ros界面用于显示作业场景和规划轨迹情况，ros层包含系统运行的基础插件，moveit层用于运动学求解和路径规划，ros应用层用于状态监控和过程规划，ros配置层用于载入机械臂urdf模型文件、参数配置和协议设置等。在ros接口层完成来自外部或ros界面的运动轨迹信息，信息传输层用于传递传感器系统信息，同时完成运动分解、机械臂状态反馈、模拟器模拟运动等任务，最后由ros控制层完成路径规划计算和控制指令下发等任务，完成作业任务。

进一步地，控制系统模块包括descartes规划器、trac-ik逆解器、动态运动基元和信号io处理单元；其中：

descartes规划器用于液压重载机械臂作业任务路径规划，包括关节轨迹规划和笛卡尔空间轨迹规划，或者两种组合成为混合轨迹规划；

trac-ik逆解器用于将作业目标点位姿转化到机械臂系统坐标系，并逆解各个关节需要运动的位移和速度；

动态运动基元用于提高机械臂运动轨迹的流畅性和平滑性，防止作业卡顿、停滞和较大幅度震动；

信号io处理单元用于接收所述传感器系统模块、所述驱动动力模块、所述主动安全模块的信号，并将处理后的控制指令、日志记录、系统状态传输给相应接收模块。

信号io处理单元包括tf6100、tf6310、tf6340等软件接口，支持rs232/422/485、usb2.0/3.0、rj45等多种协议通信。

在本实施例中，如图3所示，descartes规划器首先获取笛卡尔空间轨迹点，根据误差范围进行选择性采样得到多个笛卡尔空间点(位姿)，基于trac-ik逆解器得到各关节运动规划情况并转化为有向图，随后计算边界成本，选择ros系统提供的算法求解最优解，若无解则重新进行逆解计算直到得到最优解。

动态运动基元的数学模型如下：

τy＝αy(βy(g-y)-y)+f(x,g)

其中

αx为系统参数；hi为基函数的方差；i为基函数数目，f为强迫函数；ψ为基函数；ω为基函数权重；x为系统自变量，是关于时间t的函数；g为学习轨迹目标值；y0为学习轨迹起始值。

进一步地，驱动动力模块包括驱动装置和多个液压马达；

驱动装置用于将控制系统模块的控制指令分解为关节机械臂转矩和转速的驱动指令，并将所述驱动指令传输给液压马达；

液压马达用于将所述驱动指令转化为实际的力和转速，驱动执行机构模块运行。

例如在图4中，驱动装置采用法那科液压驱动器，可同时驱动多路液压马达传动。本发明的液压马达包括回转马达、第一俯仰马达、第二俯仰马达、伸缩马达、偏航马达和滚转马达。

进一步地，执行机构模块包括机械臂本体和机械臂移动底座；

机械臂本体包括机械臂关节和抓具，用于按步骤执行作业任务，完成路径规划的作业目标；

机械臂移动底座，用于支撑所述机械臂本体，为所述机械臂本体提供控制平台并扩大作业范围。

其中，机械臂关节包括大臂回转关节、第一俯仰关节、第二俯仰关节、伸缩关节、偏航关节和滚转关节；

抓具用于抓取、运输和放置作业目标，且能够更换。

液压重载机械臂是最复杂的信息物理系统，具有非线性、强耦合、高负载、可达空间大等特点。如图5所示，根据用户输入或系统生成的作业任务，ros控制系统模块将作业任务转化为控制指令传递到驱动动力模块，驱动动力模块将控制指令转化为各关节扭矩和转速，并向执行机构模块提供动力，执行机构模块执行作业任务，传感器系统模块实时采集执行机构模块、作业目标的位姿情况及环境信息(含)障碍物，并反馈给ros控制系统单元，执行机构按步骤执行作业任务，完成路径规划的作业目标。机械臂本体包括大臂回转关节、第一俯仰关节、第二俯仰关节、伸缩关节、偏航关节和滚转关节等6个关节，操作灵活，具有较大的可达空间，达2.3米。本发明所涉及到的机械臂本体重达10吨，最大负载2.8吨。

进一步地，云端服务器模块包括云端服务器及可视化单元；

云端服务器用于配置机械臂控制系统策略，记录作业过程日志并存储，通过以太网与本地机械臂系统连接；本发明中采用浪潮英信nf5270m4型号服务器，cpu为intel至强e5v36核处理器，内存为ddr464g，硬盘为3t固态硬盘；

可视化模块用于显示机械臂系统作业现场情况，以及显示传感器系统信息，为远程监控人员提供信息反馈；本发明中采用工业级三星c43j890dkc显示器，屏幕尺寸43英寸，屏幕分辨率达3840×1200，支持hdmi、dp、vga等多种通信接口。

进一步地，如图1所示，主动安全模块，包括网络域安全子模块601、物理域安全子模块602和作业安全子模块603；

网络域安全子模块601用于检测来自网络域的攻击，包括数据注入、拒绝服务、窃听、中间人攻击，保证信息安全；

物理域安全子模块602用于检测来自物理域的安全状态，包括设备状态、运行时间、本地文件安全和通信，保证设备安全；

作业安全子模块603，用于检测系统存在的安全隐患，建立作业安全数据集，从系统级和单元级分析运行数据，避免碰撞，保证作业安全。

本实施例中，如图6所示，在系统完成启动后，执行设备状态自检测，启动故障处理机制，随后进行系统通信检测，判断系统内所有物理设备是否正常运行、无故障问题。利用云端服务器完成本地系统配置、记录日志。判断云端服务器与本地数据传输是否正常，保障网络域安全。在完成上述工作后，根据用户输入或系统生成的作业任务，ros控制系统模块开始下发控制指令，驱动动力单元将控制指令转化为关节扭矩和转速，并提供动力。执行机构按照传输的指令进行作业，在此过程中，传感器系统模块实时检测系统信息，作业安全子模块根据得到的传感器信息和本地的数据库判断作业过程是否安全。在保障安全的情况下继续作业任务直到完成作业并关闭系统。

网络域安全子模块采用基于特征选择的异常检测方法，如图7所示，根据机械臂系统的日常行为和资源使用情况的正常程度来判断系统网络域安全状况，利用处理后的数据建立支持向量机检测模型，以此检测来自网络域的攻击，如数据注入、拒绝服务、窃听、中间人等多种攻击形式，保证机械臂系统和云端服务器模块信息安全。

物理域安全子模块采用基于阈值的方法检测来自物理域的安全状态，如设备状态、运行时间、本地文件安全和通信等，超出阈值范围或通信受阻都将被认为系统存在故障，以此保证机械臂系统设备安全。

如图8所示，作业安全子模块用于检测机械臂系统存在的安全隐患，建立作业安全数据库，将作业过程行为分为常规行为、特定模式行为和其它三种，基于规则从系统级和单元级分析运行数据，判断作业行为安全性。此外基于建立的作业环境模型，在ros控制系统模块模拟器模拟上述作业过程，避免碰撞，在保证机械臂系统作业安全前提下进行作业。

进一步地，传感器系统模块包括：位移传感器、惯性测量单元、视觉传感器、超声波探测器、力传感器和网络流量分析仪；

位移传感器用于检测各个关节的位移情况并实时反馈回控制系统模块，校正系统路径规划轨迹；优选地，采用的型号包括松下位移传感器hg-s1010和balluff位移传感器btl5-p1-m1600-b，主要性能指标包括：分别率0.5μm，测量范围100mm，尺寸l25×w10×h12mm3；

惯性测量单元由加速度计和陀螺仪组成，用于测量执行机构模块末端抓具的姿态信息，确定末端姿态信息；其中，加速度计用于测量末端抓具的角加速度信息，陀螺仪用于测量末端抓具的角速度信息；优选地，采用的型号为北微传感bw-imu500系列，是一款高性的惯性测量设备，可以测量抓具的滚转角、俯仰角、角速度和角加速度等。主要性能指标包括：精度0.02°，分辨率0.01°，量程俯仰角±90°、滚转角±180°，尺寸l60×w59×h29mm3；

视觉传感器用于作业目标及障碍物识别与位姿解算，实时反馈作业环境信息，构建三维环境模型，增强现实的显示作业环境情况，辅助完成液压重载机械臂作业任务；优选地，采用的型号为康耐视in-sight2000，检测精度高，主要性能指标包括最大采集速度75fps，分辨率0.1mm，最大测距4500mm，尺寸：l43.1×w22.4×h64mm3；

超声波探测器用于测量机械臂本体与作业环境的距离，包括作业目标、障碍物及其他环境设备，防止作业过程中的意外碰撞，所采集信息反馈给控制系统模块和主动安全模块；优选地，采用的型号为得捷ub162m4，主要性能指标包括：采样率2.45mhz，分辨率0.1μm，最大测距能力5000mm，尺寸16×10mm3；

力传感器用于采集各关节力矩及末端抓具接触力，实时反馈作用力情况，辅助装配，同时防止接触力、关节力矩过大损害设备；优选地，关节力传感器采用特尔t550，主要性能指标包括：量程100000n，分辨率50n，尺寸55×8mm3；6维力传感器用来采集多个方向的力矩，采用tesw-48系列传感器，最大量程达200000n，抗冲击能力强；

网络流量分析仪用于监测系统运行过程中所产生的数据流量，及时发现数据流量异常情况，保障系统信息安全和作业安全；优选地，采用爱泰网络分析仪canalyst-ii，支持5kbps-1mkbps任意波特率设置，可快速得到网络流量变化及异常情况，实现对系统网络内流量信息的监控。

综上，本发明的实施例中，通过控制系统模块接收传感器系统模块的信息反馈，根据作业任务路径规划结果向驱动动力模块发出操作指令；通过驱动动力模块实现接收控制系统模块发出的控制指令，将控制指令转化为驱动指令，驱动执行机构模块运动；执行机构模块按照驱动动力模块驱动指令和驱动力完成相应的作业任务；云端服务器模块实现配置机械臂控制系统策略，记录作业过程日志并存储，为用户提供远端可视化功能；主动安全模块实现检测来自物理域、网络域的入侵攻击，发掘潜在安全隐患，保证网络和本地设备安全可靠运行。在机械臂系统运行过程中，既考虑了网络域安全，又兼顾了物理域安全，通过多种传感器和网络域、物理域安全保障了作业安全，提高了系统的安全性和可靠性。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。