[发明专利]一种超声检测中机械手防碰撞方法

说明书

本发明公开了一种超声检测中机械手防碰撞方法。首先将超声检测系统分为碰撞体和静止体，并引入基于距离场的碰撞检测算法，结合检测机械手的运动学方程，在超声自动化检测系统的虚拟环境中进行碰撞检测，实现了镁合金弹壳检测过程中对系统的防碰撞监测。通过对比不同扫描参数的检测实验，分析静止体与碰撞体最短距离的变化规律，实现镁合金弹壳的超声检测工艺优化。将近似距离场的改进算法与传统方法进行对比实验，实验结果表明改进算法对碰撞检测效率的提升了80.62％，可满足镁合金壳体超声检测防碰撞的效率要求，且在关键位置可保证与传统距离场检测算法相同的精度。

技术领域

本发明涉及机械手运动领域，特别涉及一种超声检测中机械手防碰撞方法。

背景技术

镁合金因其比重轻、比强度和比刚度高、切削加工性好、耐腐蚀等优越性能，在航空航天及军工领域应用广泛，如运载火箭、导弹壳体等。但在挤压和锻造等工艺过程中难免产生夹杂、孔洞等缺陷，直接影响材料的强度及性能。因此，有效的检测出镁合金内部缺陷对保证其安全可靠性非常重要。

超声无损检测具有检测灵敏度高、检测深度大、缺陷定位准确等优点，可有效实现镁合金弹壳的缺陷检测，然而新型镁合金弹壳具有规格多、型面复杂、变曲率、变壁厚、批量大等特点，常用的龙门式超声自动扫查系统难以满足其高柔性的技术要求。而基于机械手的超声自动检测系统具有柔性高、灵活性强及重复定位精度高等优点，是满足如上需求的理想途径。但由于弹壳型面的复杂性以及机械手路径自动优化算法等因素影响，导致关节变量存在不确定性，使机械手与工件、夹具或水槽等设备间存在碰撞的隐患，为了防止此类碰撞损伤，研究一种精确、实时的防碰撞策略是保证超声检测系统安全性和有效性的重要前提。

目前，机械手的碰撞检测主要分为基于外部传感器的硬件方法和基于几何模型的软件方法。Lu等在机械手终端加装力传感器，通过碰撞力实现碰撞检测，这种方法只适应于如拾取、磨削等已碰撞的检测；陈琳等提出动态包围体层次树算法，采用2叉树、K-D树、BSP’s等数据结构加速碰撞检测，该软件方法在光线追踪和实时渲染领域使用广泛，但难以满足超声检测高实时性的要求；Martínez-Salvador B等提出采用非均匀广义圆柱体表示模型，该方法能够处理任意形状的物体，但检测精度较低，在超声检测中采用较小水声距等情况下容易发生误检。因此，有必要研究一种高效、精确的防碰撞方法。

发明内容

为了解决目前机械手运动碰撞检测方法性能不足的技术问题，本发明提供一种高效、精确的超声检测中机械手防碰撞方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

一种超声检测中机械手防碰撞方法，包括以下步骤：

步骤一，建立用于超声检测的机械手各个关节的连杆坐标系，并建立相邻2个连杆坐标系之间的变换矩阵；

步骤二，根据相邻2个连杆坐标系之间的变换矩阵与机械手自身的连杆参数和关节变量，建立超声检测机械手的运动学方程；

步骤三，将检测系统中的设备分为静止体和碰撞体两类，并确定静止体的符号距离场，在碰撞体运动过程中，本方法采用的离散碰撞检测以时间步长为间隔，对碰撞体模型与符号距离场进行碰撞检测；碰撞体上的点根据机械手运动学方程求解，将碰撞体上的点变换到符号距离场坐标系下的坐标点，通过搜索符号距离场确定变换后的坐标点与静止体的最短欧氏距离，并与安全阈值比较，根据比较结果确定是否执行相应的碰撞策略。

所述的一种超声检测中机械手防碰撞方法，所述的步骤一中，相邻的两个连杆坐标系{i-1}和{i}之间的变换矩阵为：