本發(fā)明涉及用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行軸孔裝配的方法及其系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

當(dāng)前在我國仍有大量重復(fù)而繁瑣的裝配工作采用人工完成，人工裝配的成本高昂而工作效率低，正逐漸被自動化設(shè)備如機(jī)器人所替代。隨著機(jī)器人裝配系統(tǒng)的應(yīng)用深入，其面臨的問題也越來越復(fù)雜，這也對機(jī)器人裝配系統(tǒng)提出了更高的要求，例如一些高精度高要求的軸孔裝配作業(yè)，需時刻控制裝配過程中零件的受力情況，防止裝配工件及配套設(shè)施的損壞。

目前，已有對裝配軸與裝配孔之間的接觸力向量進(jìn)行控制的機(jī)器人裝配系統(tǒng)見諸于公開文獻(xiàn)。公開號cn104625676a的專利公開了一種軸孔裝配工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)及其工作方法，該工業(yè)機(jī)器人為了使裝配軸與裝配孔能夠按照設(shè)定好的接觸力向量進(jìn)行接觸，在機(jī)器人手臂的末端與夾持裝置之間設(shè)置了力覺傳感器，從而增加了產(chǎn)品的制造成本。此外，該機(jī)器人裝配系統(tǒng)對末端接觸力向量的誤差是通過電機(jī)速度環(huán)輸入進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?，控制過程存在一定的延遲，從而會對裝配工件產(chǎn)生一定的沖擊，甚至造成裝配工件的損壞。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行軸孔裝配的方法，其能以較低的成本實(shí)現(xiàn)精確控制軸孔裝配過程中裝配軸與裝配孔之間的接觸力向量，而且接觸力向量控制的響應(yīng)速度快。

本發(fā)明所要解決的又一技術(shù)問題在于提供一種軸孔裝配的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明提供了一種工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行軸孔裝配的方法，工業(yè)機(jī)器人的所有關(guān)節(jié)均設(shè)有關(guān)節(jié)力矩傳感器，該工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行軸孔裝配的方法包括將裝配軸插入裝配孔的步驟，在將裝配軸插入裝配孔的步驟中，工業(yè)機(jī)器人的控制器將裝配軸與裝配孔之間的接觸力向量與設(shè)定好的接觸力向量相比較得到力誤差值，并根據(jù)力誤差值實(shí)現(xiàn)接觸力向量的反饋控制，以使裝配軸與裝配孔能夠按照設(shè)定好的接觸力向量進(jìn)行接觸，其中，控制器是根據(jù)各個關(guān)節(jié)力矩傳感器測量到的力矩值通過計(jì)算得到裝配軸與裝配孔之間的接觸力向量。

本發(fā)明還提供了軸孔裝配的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，包括工業(yè)機(jī)器人、控制器、末端夾持裝置、裝配工件以及裝配軸，裝配工件設(shè)有裝配孔；工業(yè)機(jī)器人的所有關(guān)節(jié)均設(shè)有關(guān)節(jié)力矩傳感器，各個關(guān)節(jié)力矩傳感器將測量到的力矩值發(fā)送給所述控制器，其中，控制器用于根據(jù)各個關(guān)節(jié)力矩傳感器測量到的力矩值通過計(jì)算得到裝配軸與裝配孔之間的接觸力向量，將裝配軸與裝配孔之間的接觸力向量與設(shè)定好的接觸力向量相比較得到力誤差值，并根據(jù)力誤差值實(shí)現(xiàn)接觸力向量的反饋控制，以使裝配軸與裝配孔能夠按照設(shè)定好的接觸力向量進(jìn)行接觸。

采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明的實(shí)施例使用關(guān)節(jié)力矩傳感器測量各關(guān)節(jié)的輸出力矩，并用該力矩值來計(jì)算裝配軸與裝配孔之間的接觸力向量，控制工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動，在環(huán)境變化未知、裝配軸孔誤差未知的情況下，使裝配軸與裝配孔能夠按照設(shè)定好的接觸力向量進(jìn)行接觸，完成軸孔裝配任務(wù)。由于不用安裝專門用于測量裝配軸與裝配孔之間的接觸力向量的力覺傳感器，因而降低了制造成本；

2、本發(fā)明的實(shí)施例直接對機(jī)器人的控制電機(jī)的伺服力矩環(huán)進(jìn)行控制，從而大幅提高了接觸力向量控制的響應(yīng)速度，避免了控制過程中可能產(chǎn)生的沖擊，減少了對裝配工件及配套設(shè)施的損壞。

附圖說明

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用于軸孔裝配的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的一個實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的關(guān)節(jié)力矩傳感器與控制器的連接示意框圖。

圖3示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行軸孔裝配的方法中的搜孔路徑的示意圖。

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行軸孔裝配的方法的接觸力向量控制框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做出進(jìn)一步說明。

請參考圖1和圖2。根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的軸孔裝配的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，包括工業(yè)機(jī)器人1、控制器21、示教器22、伺服驅(qū)動器23、末端夾持裝置3、裝配平臺4、裝配工件5以及裝配軸6。

工業(yè)機(jī)器人1的底座固定在裝配作業(yè)工位上?？刂破?1設(shè)置在控制柜7中。末端夾持裝置3設(shè)置在工業(yè)機(jī)器人1的手臂末端，用于夾持裝配軸6。裝配工件5設(shè)置在裝配平臺4上，裝配工件5設(shè)有裝配孔50。工業(yè)機(jī)器人1的所有關(guān)節(jié)均設(shè)有關(guān)節(jié)力矩傳感器11，用以測量每個關(guān)節(jié)的輸出力矩。各個關(guān)節(jié)力矩傳感器11的輸出端分別與控制器21的輸入端電連接，用以將測量到的力矩值發(fā)送給控制器21?？刂破?1的輸出端與伺服驅(qū)動器23的輸入端連接，伺服驅(qū)動器23控制器各關(guān)節(jié)伺服電機(jī)。

工業(yè)機(jī)器人1可以按示教器22示教的軌跡進(jìn)行運(yùn)動，操作人員可以操作示教器22控制工業(yè)機(jī)器人1在笛卡爾空間或關(guān)節(jié)空間點(diǎn)動，并記錄示教點(diǎn)，再由控制器21按示教點(diǎn)規(guī)劃得到關(guān)節(jié)位置，并通過關(guān)節(jié)伺服電機(jī)控制工業(yè)機(jī)器人1運(yùn)動，伺服驅(qū)動器23通過控制其位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)控制關(guān)節(jié)電機(jī)運(yùn)動到關(guān)節(jié)規(guī)劃位置。根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的工業(yè)機(jī)器人1可以是五軸機(jī)器人、六軸機(jī)器人等，本發(fā)明對此不作限制。

控制器21用于根據(jù)各個關(guān)節(jié)力矩傳感器11測量到的力矩值通過計(jì)算得到裝配軸6與裝配孔50之間的接觸力向量，將裝配軸6與裝配孔50之間的接觸力向量與設(shè)定好的接觸力向量相比較得到力誤差值，并根據(jù)所述力誤差值實(shí)現(xiàn)接觸力向量的反饋控制，以使裝配軸6與裝配孔50能夠按照設(shè)定好的接觸力向量進(jìn)行接觸。本申請中所述的接觸力向量是一個六維的向量，包括三維力和三維力矩。

在本實(shí)施例中，控制器21是根據(jù)以下公式計(jì)算得到裝配軸6與裝配孔50之間的接觸力向量fext：

fext＝(j^t(q))^-1τext

式中，j(q)為機(jī)器人雅克比矩陣，τext為接觸力向量fext作用于各個關(guān)節(jié)的力矩，τext＝τ－τmodel，τ為各個關(guān)節(jié)力矩傳感器測量得到的力矩值，τmodel為由機(jī)器人動力學(xué)模型得到的各個關(guān)節(jié)的力矩值，機(jī)器人的動力學(xué)模型可以采用辨識的方法得到。

在本實(shí)施例中，控制器21將上述的力誤差值轉(zhuǎn)化為各個關(guān)節(jié)的力矩補(bǔ)償值，將力矩補(bǔ)償值直接作用于電機(jī)力矩環(huán)(即上述的電流環(huán))，實(shí)現(xiàn)接觸力向量的反饋控制。優(yōu)選地，控制器21是通過阻抗控制算法將力誤差值轉(zhuǎn)化為各個關(guān)節(jié)的力矩補(bǔ)償值，但不限于此。

根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行軸孔裝配的方法，包括以下步驟：

步驟a、控制末端夾持裝置3夾持裝配軸6運(yùn)動到裝配孔50的上方。

具體而言，示教工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的末端夾持裝置3運(yùn)動到裝配孔50正上方的某一位置，記錄該示教點(diǎn)。然后使工業(yè)機(jī)器人1按軌跡規(guī)劃生成的軌跡從初始位置運(yùn)動到該示教點(diǎn)。這里的示教為簡單示教，也就是說，此時裝配軸6與裝配孔50存在未知的位置和姿態(tài)誤差。

步驟b、將裝配軸6插入裝配孔50。

步驟b進(jìn)一步包括搜孔步驟和插入步驟。

在搜孔步驟中，機(jī)器人的末端夾持裝置3夾持裝配軸6與裝配孔平面按設(shè)定好的接觸力向量進(jìn)行接觸，并沿著笛卡爾坐標(biāo)系下的x軸和y軸方向運(yùn)動，開始在xy平面內(nèi)進(jìn)行搜孔。搜孔過程中始終檢測z方向的接觸力，判斷裝配軸6是否進(jìn)入了裝配孔50。

搜孔路徑可以按照裝配工件5的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如圖3中所示的比較簡單的折線軌跡。當(dāng)z方向的接觸力突然減小時，說明裝配軸6的軸線與裝配孔50的中心線已經(jīng)基本重合，可以繼續(xù)下一步的插孔動作。

在找到正確的裝配孔50后，末端夾持裝置3夾持裝配軸6繼續(xù)向下運(yùn)動，并通過機(jī)器人末端的受力情況變化及向下運(yùn)動的距離判斷裝配軸6是否正確完成裝配。

在裝配軸6進(jìn)入裝配孔50后，控制器21對裝配軸6受到的力和力矩進(jìn)行控制，進(jìn)一步調(diào)整裝配軸6的位置和姿態(tài)實(shí)現(xiàn)裝配軸6與裝配孔50的姿態(tài)基本一致。當(dāng)z方向接觸力保持在設(shè)定的接觸力，且其余方向接觸力/力矩都在0左右時，判斷裝配軸6已經(jīng)成功地插入到裝配孔的底部，軸孔裝配完成。

在所述的將裝配軸插入裝配孔的步驟中，工業(yè)機(jī)器人的控制器21將裝配軸6與裝配孔50之間的接觸力向量與設(shè)定好的接觸力向量相比較得到力誤差值，并根據(jù)該力誤差值實(shí)現(xiàn)接觸力向量的反饋控制，以使裝配軸6與裝配孔50能夠按照設(shè)定好的接觸力向量進(jìn)行接觸。

其中，裝配軸6與裝配孔50之間的接觸力向量的大小可以由控制器21實(shí)時計(jì)算得到。控制器21通過各個關(guān)節(jié)力矩傳感器11的測量結(jié)果可計(jì)算出裝配軸6與裝配孔50之間的接觸力向量fext作用于各個關(guān)節(jié)的力矩τext。τext＝τ－τmodel，τ為各個關(guān)節(jié)力矩傳感器測量得到的力矩值，τmodel為由機(jī)器人動力學(xué)模型得到的各個關(guān)節(jié)的力矩值，機(jī)器人的動力學(xué)模型可以采用辨識的方法得到?？刂破?1通過以下公示計(jì)算出裝配軸6與裝配孔50之間的接觸力向量fext：

fext＝(j^t(q))^-1τext

式中，j(q)為機(jī)器人雅克比矩陣。

進(jìn)一步地，在將裝配軸插入裝配孔的步驟中，控制器21將上述的力誤差值轉(zhuǎn)化為各個關(guān)節(jié)的力矩補(bǔ)償值，將力矩補(bǔ)償值直接作用于電機(jī)力矩環(huán)，實(shí)現(xiàn)接觸力向量的反饋控制，達(dá)到實(shí)時精確地控制接觸力向量的目的。由于電機(jī)力矩環(huán)的響應(yīng)頻率比速度環(huán)、位置環(huán)都要高，因此控制的響應(yīng)更快，可以有效避免控制過程中可能產(chǎn)生的沖擊。

優(yōu)選地，控制器21是通過阻抗控制算法將力誤差值轉(zhuǎn)化為各個關(guān)節(jié)的力矩補(bǔ)償值。

阻抗控制是通過將機(jī)器人末端力和位置控制等效為彈簧-質(zhì)量-阻尼模型，建立機(jī)器人末端運(yùn)動與接觸力向量的關(guān)系，并通過任意阻抗控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)整機(jī)器人末端位置與接觸力向量的關(guān)系。阻抗控制算法的模型可選取為二階微分方程的形式：

式中，fd為裝配軸6與裝配孔50之間設(shè)定的接觸力向量，fext為裝配軸6與裝配孔50之間的實(shí)際接觸力向量，由控制器21通過各個關(guān)節(jié)力矩傳感器11的測量結(jié)果計(jì)算得到，md、bd、kd為可調(diào)節(jié)的阻抗控制參數(shù)，χd為笛卡爾坐標(biāo)系下機(jī)器人期望達(dá)到的位置和姿態(tài)，該位置在裝配過程中實(shí)時更新，χ為笛卡爾坐標(biāo)系下機(jī)器人實(shí)際的位置和姿態(tài)。為使機(jī)器人末端在裝配過程中滿足上述阻抗模型，各關(guān)節(jié)力矩的補(bǔ)償值τcom即可通過下式獲得：

式中，分別表示機(jī)器人動力學(xué)模型中的慣性力項(xiàng)、科氏力項(xiàng)和重力項(xiàng)，j(q)為機(jī)器人雅克比矩陣，q為機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置向量。

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行軸孔裝配的方法的接觸力向量控制框圖。

本發(fā)明提高了軸孔裝配過程中工件與裝配孔之間接觸力向量控制的精度，適用于對裝配精度要求較高，對裝配過程中接觸力向量要求嚴(yán)格的裝配任務(wù)。