一種基於視覺和力反饋控制的機器人裝配方法與系統的製作方法

2023-09-16 04:52:30

一種基於視覺和力反饋控制的機器人裝配方法與系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於視覺和力反饋的機器人裝配系統，該系統包括：工業機器人、工件輪廓檢測單元、裝配力檢測單元、夾持單元和系統控制主機，其中：工業機器人根據系統控制主機的控制指令帶動末端運動；裝配力檢測單元用於獲得裝配過程中軸工件和孔之間的接觸力；夾持單元用於夾持軸工件；工件輪廓檢測單元用於獲取工件輪廓的測量數據；系統控制主機用於接收位置和力數據，並根據接收到的數據對裝配工件進行定位，產生控制指令發送給工業機器人。本發明還公開了一種基於視覺和力反饋的機器人裝配方法。本發明根據檢測孔輪廓的三維數據以及軸孔裝配時的力反饋數據，進行快速孔定位並規劃裝配的最優路徑，從而實現軸孔的高精度自主裝配。
【專利說明】一種基於視覺和力反饋控制的機器人裝配方法與系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及機器人裝配【技術領域】，尤其涉及一種基於視覺和力反饋的機器人方法 與系統。

【背景技術】
[0002] 裝配是工業生產環節中非常關鍵的部分，裝配的質量往往影響產品的最終質量。 隨著航空航天、汽車、國防等領域的高精尖技術的發展，對裝配技術提出了具有挑戰性的要 求，例如RV減速器、航空發動機等高精度裝配仍然是一個難題。
[0003] 由於人工裝配工作量大、效率低，有時候工作環境還很危險，並且工件裝配的質量 也得不到保證，所以實現自動化裝配是形勢所趨；而傳統工業機器人裝配由於不能很好的 適應裝配過程中的變化因素，只能進行一些簡單的、低精度的工業裝配，因此研製高精度工 業機器人自主裝配系統具有重要的應用意義。
[0004] 發明專利申請號CN-102218652-A(-種利用機器人柔性實現軸孔裝配的裝置和 方法）利用視覺傳感器獲取孔的中心位置，提供了一種在工件的位置和方位無法精確固定 的情況下，將軸裝入工件上的孔中的柔性裝置；CN-101041220-A (利用低精度機器人實現 高精度軸孔裝配的方法）公開了一種利用低精度的機器人本體實現高精度軸孔裝配的方 法，該方法利用軸孔空間中的"碗狀約束域"實現了軸孔間的裝配；CN-103203755-A(機器 人控制裝置、機器人系統以及機器人控制方法）提供了一種進行修正值相對於力的方向不 對稱的阻抗控制的機器人控制裝置、機器人系統以及機器人控制方法等。
[0005] 上述方法和裝置均是在對對孔精確定位的情況下展開的工作，但實際的自主裝配 過程中搜孔的算法多採用傳統的螺旋搜孔法，較為耗時；而且，由於高精度軸孔裝配是一個 複雜的過程，裝配路徑的規劃也限制這些方法在實際生產中的推廣應用。


【發明內容】

[0006] 針對上述問題，本發明提供一種新的高精度工業機器人自主裝配方法與系統。
[0007] 根據本發明的一方面，提出一種基於視覺和力反饋的機器人裝配系統，該系統包 括：工業機器人、工件輪廓檢測單元、裝配力檢測單元、夾持單元和系統控制主機，其中：
[0008] 所述工業機器人的末端連接所述裝配力檢測單元，輸入端連接所述系統控制主機 的輸出端，接收系統控制主機發出的控制指令，並根據所述控制指令帶動末端運動；
[0009] 所述裝配力檢測單元與所述夾持單元連接，用於獲得裝配過程中軸工件和孔之間 的接觸力，並將採集到的力數據發送給所述系統控制主機；
[0010] 所述夾持單元與所述裝配力檢測單元連接，用於夾持軸工件；
[0011] 所述工件輪廓檢測單元固定在所述夾持單元上，用於獲取工件輪廓的測量數據， 並將採集到的數據發送給所述系統控制主機；
[0012] 所述系統控制主機與所述工業機器人、工件輪廓檢測單元、裝配力檢測單元連接， 用於接收所述工件輪廓檢測單元和裝配力檢測單元採集到的數據，根據接收到的數據對於 裝配工件進行定位，並產生控制指令發送給所述工業機器人。
[0013] 根據本發明的另一方面，還提出一種基於視覺和力反饋的機器人裝配方法，所述 裝配方法包括以下步驟：
[0014] 步驟1，將孔部件固定在工作檯上，孔部件中孔的實際位置記為Ph(xh，y h);
[0015] 步驟2,通過工件輪廓檢測單元採集孔部件視覺裝配中心的位置數據，通過統計方 法得到真實孔所在的區域；
[0016] 步驟3,根據裝配力檢測單元檢測得到的軸工件與孔之間的接觸力，在真實孔所在 的區域內搜索得到孔的位置；
[0017] 步驟4,根據工件輪廓檢測單元和裝配力檢測單元獲取得到的接觸點的位置和力 數據，預測得到最優裝配路徑，並根據所述最優裝配路徑對於所述軸工件和孔進行裝配。
[0018] 本發明能夠根據在線檢測的工件表面輪廓信息、機器人與工件的接觸力信息，進 行快速有效的孔定位，規劃軸孔裝配的最優路徑，實現軸孔的快速、高精度裝配。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1是根據本發明一實施例的基於視覺和力反饋的機器人裝配系統的結構示意 圖。
[0020] 圖2是根據本發明一實施例的視覺檢測的孔中心概率分布示意圖。
[0021] 圖3是根據本發明一實施例的系統控制主機的控制結構圖。
[0022] 圖4是根據本發明一實施例的基於視覺和力反饋的機器人裝配方法流程圖。

【具體實施方式】
[0023] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0024] 圖1是根據本發明一實施例的基於視覺和力反饋的機器人裝配系統的結構示意 圖，如圖1所示，為實現上述目的，本發明基於視覺和力反饋的機器人裝配系統為一種能夠 檢測工件輪廓並實時調整工件位姿及運動軌跡的工業機器人裝配系統，該裝配系統包括工 業機器人1、工件輪廓檢測單元2、裝配力檢測單元3、夾持單元4和系統控制主機5,其中：
[0025] 所述工業機器人1的末端連接所述裝配力檢測單元3,輸入端連接所述系統控制 主機5的輸出端，接收系統控制主機5發出的裝配工件速度、加速度和位置等控制指令，並 根據所述控制指令帶動末端按照指定的速度移動到指定的位置；
[0026] 其中，所述工業機器人1可通過乙太網等方式與所述系統控制主機5連接。
[0027] 在本發明一實施例中，所述工業機器人1為六自由度工業機器人，可採用FANUC公 司的工業機器人M6_iB。
[0028] 所述裝配力檢測單元3與所述夾持單元4連接，用於獲得裝配過程中軸工件6和 孔7之間的接觸力，並將採集到的力數據發送給所述系統控制主機5 ;
[0029] 所述裝配力檢測單元3進一步包括連接法蘭31、力傳感器32、連接法蘭33、數據採 集模塊34,其中：
[0030] 所述力傳感器32與所述數據採集模塊34連接，並通過連接法蘭31與所述工業機 器人1連接，通過連接法蘭33與夾持單元4連接，用於實時監測裝配過程中軸工件6和孔 7之間的接觸力，並將採集到的力數據發送給所述數據採集模塊34 ;
[0031] 在本發明一實施例中，所述力傳感器32為六維力傳感器，其可測量空間X方向、Y 方向、Z方向的力以及繞X軸、Y軸和Z軸的力矩，比如可採用AT I Gamma 130-10力矩傳感器。
[0032] 所述數據採集模塊34與所述力傳感器32和系統控制主機5連接，用於採集、轉換 所述力傳感器32測量得到的力數據，並將轉換後的數據輸入至所述系統控制主機5中。
[0033] 其中，所述轉換為模擬數據到數字數據的轉換。
[0034] 其中，所述數據採集模塊34可採用NI PCI-6254數據採集卡。
[0035] 所述夾持單元4與所述裝配力檢測單元3連接，用於夾持軸工件6 ;
[0036] 其中，所述夾持單元4通過氣動驅動控制其張開與合緊，在本發明一實施例中，所 述夾持單元4為SMC MHS4四指機械手爪。
[0037] 所述工件輪廓檢測單元2固定在所述夾持單元4上，用於獲取工件輪廓的測量數 據，並將採集到的數據發送給所述系統控制主機5 ;
[0038] 所述工件輪廓檢測單元2進一步包括視覺傳感器21和圖像採集模塊22,其中：
[0039] 所述視覺傳感器21用於獲取孔工件輪廓的測量數據，並將獲得的數據發送給所 述圖像採集模塊22 ;
[0040] 所述圖像採集模塊22通過乙太網與所述系統控制主機6連接，用於對於接收到的 數據進行處理，將其轉換為可用的數據形式，並將處理後的數據傳輸給所述系統控制主機 5,由所述系統控制主機5計算得到視覺裝配中心點P v的坐標，即對於視覺裝配中心點Pv進 行定位，所述工件輪廓檢測單元2檢測到的孔中心概率分布示意圖如圖2所示。
[0041] 在本發明一實施例中，所述圖像採集裝置21採用單目攝像頭，比如Manta G201C。
[0042] 所述系統控制主機5與所述工業機器人1、工件輪廓檢測單元2、裝配力檢測單元 3連接，用於接收所述工件輪廓檢測單元2和裝配力檢測單元3採集到的數據，根據接收到 的數據對於裝配工件進行定位，並產生控制指令發送給所述工業機器人1。
[0043] 所述系統控制主機5進一步包括裝配路徑規劃模塊51、孔定位模塊52和裝配力控 制模塊53,其中：
[0044] 所述路徑規劃模塊51的輸出端連接所述工業機器人1的輸入端，用於向所述工業 機器人1輸出制定好的運動路徑；
[0045] 所述孔定位模塊52的輸入端連接所述工件輪廓檢測單元2的輸出端，用於根據所 述工件輪廓檢測單元2發送的數據對於裝配工件進行定位，並產生相應的位置控制指令；
[0046] 所述裝配力控制模塊53的輸入端連接所述裝配力檢測單元3的輸出端，用於根據 所述裝配力檢測單元3發送的數據產生裝配力控制指令。
[0047] 圖3是根據本發明一實施例的系統控制主機的控制結構圖，如圖3所示，用標定板 標定工業機器人坐標系與攝像機坐標系之間的坐標變換關係，同時建立機器人坐標系與工 件坐標之間的轉換關係，輪廓檢測傳感器21採集孔工件的輪廓信息並與已存於控制主機5 中的孔工件7的設計數據進行比對以確定孔工件7的視覺中心，將路徑規劃模塊51獲得的 裝配軌跡轉換為工業機器人1的末端運動軌跡，當軸工件6和空工件7接觸後，根據期望力 f d和實際檢測力f的誤差反饋進行機器人的軌跡規劃，直至裝配完成。
[0048] 根據本發明的另一方面，還提出一種基於視覺和力反饋的機器人裝配方法，如圖4 所示，所述裝配方法包括以下步驟：
[0049] 步驟1，將孔部件固定在工作檯上，孔部件中孔的實際位置記為Ph(xh，y h);
[0050] 步驟2,通過工件輪廓檢測單元採集孔部件視覺裝配中心的位置數據，通過統計方 法得到真實孔所在的區域；
[0051] 所述步驟2進一步包括以下步驟：
[0052] 步驟21，通過工件輪廓檢測單元採集孔部件視覺裝配中心位置Pvl (xvl，yvl)，得到 Pvl和Ph與之間的歐氏距離：

【權利要求】
1. 一種基於視覺和力反饋的機器人裝配系統，其特徵在於，該系統包括：工業機器人、 工件輪廓檢測單元、裝配力檢測單元、夾持單元和系統控制主機，其中： 所述工業機器人的末端連接所述裝配力檢測單元，輸入端連接所述系統控制主機的輸 出端，接收系統控制主機發出的控制指令，並根據所述控制指令帶動末端運動； 所述裝配力檢測單元與所述夾持單元連接，用於獲得裝配過程中軸工件和孔之間的接 觸力，並將採集到的力數據發送給所述系統控制主機； 所述夾持單元與所述裝配力檢測單元連接，用於夾持軸工件； 所述工件輪廓檢測單元固定在所述夾持單元上，用於獲取工件輪廓的測量數據，並將 採集到的數據發送給所述系統控制主機； 所述系統控制主機與所述工業機器人、工件輪廓檢測單元、裝配力檢測單元連接，用於 接收所述工件輪廓檢測單元和裝配力檢測單元採集到的數據，根據接收到的數據對於裝配 工件進行定位，並產生控制指令發送給所述工業機器人。
2. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述裝配力檢測單元包括連接法蘭、力傳 感器、連接盤、數據採集模塊，其中： 所述力傳感器與所述數據採集模塊連接，並通過連接法蘭與所述工業機器人連接，通 過連接盤與夾持單元連接，用於實時監測裝配過程中軸工件和孔之間的接觸力，並將採集 到的力數據發送給所述數據採集模塊； 所述數據採集模塊與所述力傳感器和系統控制主機連接，用於採集、轉換所述力傳感 器測量得到的力數據，並將轉換後的數據輸入至所述系統控制主機中。
3. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述夾持單元通過氣動驅動控制其張開 與合緊。
4. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述工件輪廓檢測單元包括視覺傳感器 和圖像採集模塊，其中： 所述視覺傳感器用於獲取孔工件輪廓的測量數據，並將獲得的數據發送給所述圖像採 集模塊； 所述圖像採集模塊通過乙太網與所述系統控制主機連接，用於對於接收到的數據進行 處理，將其轉換為可用的數據形式，並將處理後的數據傳輸給所述系統控制主機。
5. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述系統控制主機包括裝配路徑規劃模 塊、孔定位模塊和裝配力控制模塊，其中： 所述路徑規劃模塊的輸出端連接所述工業機器人的輸入端，用於向所述工業機器人輸 出制定好的運動路徑； 所述孔定位模塊的輸入端連接所述工件輪廓檢測單元的輸出端，用於根據所述工件輪 廓檢測單元發送的數據對於裝配工件進行定位，並產生相應的位置控制指令； 所述裝配力控制模塊的輸入端連接所述裝配力檢測單元的輸出端，用於根據所述裝配 力檢測單元發送的數據產生裝配力控制指令。
6. -種基於視覺和力反饋的機器人裝配方法，其特徵在於，所述裝配方法包括以下步 驟： 步驟1，將孔部件固定在工作檯上，孔部件中孔的實際位置記為Ph(xh，yh); 步驟2,通過工件輪廓檢測單元採集孔部件視覺裝配中心的位置數據，通過統計方法得 到真實孔所在的區域； 步驟3,根據裝配力檢測單元檢測得到的軸工件與孔之間的接觸力，在真實孔所在的區 域內搜索得到孔的位置； 步驟4,根據工件輪廓檢測單元和裝配力檢測單元獲取得到的接觸點的位置和力數據， 預測得到最優裝配路徑，並根據所述最優裝配路徑對於所述軸工件和孔進行裝配。
7. 根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述步驟2進一步包括以下步驟： 步驟21，通過工件輪廓檢測單元採集孔部件視覺裝配中心位置Pvl(xvl，yvl)得到P vl和 與Ph之間的歐氏距離：
，即視覺裝配中心位置與實際孔位置之 間的偏差； 步驟22,重複η次所述步驟21，得到Ph(xh，yh)與視覺裝配中心位置集合P v = iPvl，Pv2, Pv3,…，P?J之間的偏差的集合e = h，e2, e3···，en}，其中，η為得到的視覺裝配 中心位置的數量； 步驟23,根據置信度要求，得到真實孔所在範圍的置信區間[Rmin，Rmax]; 步驟24,以視覺裝配中6Pv(i) = (Xi，yi)為圓心，分別以Rmin和Rmax為半徑作圓，得到 真實孔所在的區域:Ar = π (R2max-R2min)。
8. 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述集合e服從高斯分布。
9. 根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述步驟3進一步包括以下步驟： 步驟31，工業機器人末端施加Z軸方向向下的力，當軸工件和孔接觸後按照螺旋法在 所述區域中搜索，若檢測得到z軸力發生變化，則搜孔成功； 步驟32,如果所述步驟31沒有搜孔成功，則擴大搜孔範圍後再進行搜索直至搜孔成 功。
10. 根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述步驟4進一步包括以下步驟： 步驟41，根據工件輪廓檢測單元和裝配力檢測單元，獲取軸孔裝配初始狀態下，軸工件 和孔的初始接觸點的位置數據和相應的力數據； 步驟42,從所述軸工件和孔的初始接觸點出發，根據Z軸方向裝配力Fz最小原則，得到 裝配路徑Pathl，直至到達指定裝配深度； 步驟43,重複m次所述步驟41和步驟42,得到訓練數據集合Set ={ (Pos (1)，S (1)，P ath(1)), (Pos(2), S(2), Path (2)),..., (Pos(n), S(n), Pathn))}； 步驟44,使用回歸算法訓練得到位姿數據Pos(i)和力數據S(i)與對應的路徑Path之 間的映射關係F，對於任意點的位置數據Pos (i)及其所對應的力數據S (i)，根據所述映射 關係F預測得到最優裝配路徑Path (i)，完成裝配。
【文檔編號】B25J9/00GK104057290SQ201410286295
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月24日 優先權日:2014年6月24日
【發明者】王陣賀, 喬紅, 蘇建華, 曹恩華 申請人:中國科學院自動化研究所