工業機器人進行軸孔裝配的方法及其系統與流程

2023-10-21 11:55:52

本發明涉及用工業機器人進行軸孔裝配的方法及其系統。

背景技術：

當前在我國仍有大量重複而繁瑣的裝配工作採用人工完成，人工裝配的成本高昂而工作效率低，正逐漸被自動化設備如機器人所替代。隨著機器人裝配系統的應用深入，其面臨的問題也越來越複雜，這也對機器人裝配系統提出了更高的要求，例如一些高精度高要求的軸孔裝配作業，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行控制的機器人裝配系統見諸於公開文獻。公開號cn104625676a的專利公開了一種軸孔裝配工業機器人系統及其工作方法，該工業機器人為了使裝配軸與裝配孔能夠按照設定好的接觸力向量進行接觸，在機器人手臂的末端與夾持裝置之間設置了力覺傳感器，從而增加了產品的製造成本。此外，該機器人裝配系統對末端接觸力向量的誤差是通過電機速度環輸入進行補償的，控制過程存在一定的延遲，從而會對裝配工件產生一定的衝擊，甚至造成裝配工件的損壞。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在於提供一種工業機器人進行軸孔裝配的方法，其能以較低的成本實現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速度快。

本發明所要解決的又一技術問題在於提供一種軸孔裝配的工業機器人系統。

為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是：

本發明提供了一種工業機器人進行軸孔裝配的方法，工業機器人的所有關節均設有關節力矩傳感器，該工業機器人進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，工業機器人的控制器將裝配軸與裝配孔之間的接觸力向量與設定好的接觸力向量相比較得到力誤差值，並根據力誤差值實現接觸力向量的反饋控制，以使裝配軸與裝配孔能夠按照設定好的接觸力向量進行接觸，其中，控制器是根據各個關節力矩傳感器測量到的力矩值通過計算得到裝配軸與裝配孔之間的接觸力向量。

本發明還提供了軸孔裝配的工業機器人系統，包括工業機器人、控制器、末端夾持裝置、裝配工件以及裝配軸，裝配工件設有裝配孔；工業機器人的所有關節均設有關節力矩傳感器，各個關節力矩傳感器將測量到的力矩值發送給所述控制器，其中，控制器用於根據各個關節力矩傳感器測量到的力矩值通過計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定好的接觸力向量相比較得到力誤差值，並根據力誤差值實現接觸力向量的反饋控制，以使裝配軸與裝配孔能夠按照設定好的接觸力向量進行接觸。

採用上述技術方案後，本發明至少具有以下優點：

1、本發明的實施例使用關節力矩傳感器測量各關節的輸出力矩，並用該力矩值來計算裝配軸與裝配孔之間的接觸力向量，控制工業機器人運動，在環境變化未知、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定好的接觸力向量進行接觸，完成軸孔裝配任務。由於不用安裝專門用於測量裝配軸與裝配孔之間的接觸力向量的力覺傳感器，因而降低了製造成本；

2、本發明的實施例直接對機器人的控制電機的伺服力矩環進行控制，從而大幅提高了接觸力向量控制的響應速度，避免了控制過程中可能產生的衝擊，減少了對裝配工件及配套設施的損壞。

附圖說明

圖1示出了根據本發明的用於軸孔裝配的工業機器人系統的一個實施例的結構示意圖。

圖2示出了根據本發明一實施例的關節力矩傳感器與控制器的連接示意框圖。

圖3示出根據本發明一實施例的工業機器人進行軸孔裝配的方法中的搜孔路徑的示意圖。

圖4示出了根據本發明一實施例的工業機器人進行軸孔裝配的方法的接觸力向量控制框圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做出進一步說明。

請參考圖1和圖2。根據本發明一實施例的軸孔裝配的工業機器人系統，包括工業機器人1、控制器21、示教器22、伺服驅動器23、末端夾持裝置3、裝配平臺4、裝配工件5以及裝配軸6。

工業機器人1的底座固定在裝配作業工位上。控制器21設置在控制櫃7中。末端夾持裝置3設置在工業機器人1的手臂末端，用於夾持裝配軸6。裝配工件5設置在裝配平臺4上，裝配工件5設有裝配孔50。工業機器人1的所有關節均設有關節力矩傳感器11，用以測量每個關節的輸出力矩。各個關節力矩傳感器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送給控制器21。控制器21的輸出端與伺服驅動器23的輸入端連接，伺服驅動器23控制器各關節伺服電機。

工業機器人1可以按示教器22示教的軌跡進行運動，操作人員可以操作示教器22控制工業機器人1在笛卡爾空間或關節空間點動，並記錄示教點，再由控制器21按示教點規劃得到關節位置，並通過關節伺服電機控制工業機器人1運動，伺服驅動器23通過控制其位置環、速度環和電流環控制關節電機運動到關節規劃位置。根據本發明一實施例的工業機器人1可以是五軸機器人、六軸機器人等，本發明對此不作限制。

控制器21用於根據各個關節力矩傳感器11測量到的力矩值通過計算得到裝配軸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定好的接觸力向量相比較得到力誤差值，並根據所述力誤差值實現接觸力向量的反饋控制，以使裝配軸6與裝配孔50能夠按照設定好的接觸力向量進行接觸。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。

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

fext＝(jt(q))-1τext

式中，j(q)為機器人雅克比矩陣，τext為接觸力向量fext作用於各個關節的力矩，τext＝τ－τmodel，τ為各個關節力矩傳感器測量得到的力矩值，τmodel為由機器人動力學模型得到的各個關節的力矩值，機器人的動力學模型可以採用辨識的方法得到。

在本實施例中，控制器21將上述的力誤差值轉化為各個關節的力矩補償值，將力矩補償值直接作用於電機力矩環(即上述的電流環)，實現接觸力向量的反饋控制。優選地，控制器21是通過阻抗控制算法將力誤差值轉化為各個關節的力矩補償值，但不限於此。

根據本發明一實施例的工業機器人進行軸孔裝配的方法，包括以下步驟：

步驟a、控制末端夾持裝置3夾持裝配軸6運動到裝配孔50的上方。

具體而言，示教工業機器人系統的末端夾持裝置3運動到裝配孔50正上方的某一位置，記錄該示教點。然後使工業機器人1按軌跡規劃生成的軌跡從初始位置運動到該示教點。這裡的示教為簡單示教，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誤差。

步驟b、將裝配軸6插入裝配孔50。

步驟b進一步包括搜孔步驟和插入步驟。

在搜孔步驟中，機器人的末端夾持裝置3夾持裝配軸6與裝配孔平面按設定好的接觸力向量進行接觸，並沿著笛卡爾坐標系下的x軸和y軸方向運動，開始在xy平面內進行搜孔。搜孔過程中始終檢測z方向的接觸力，判斷裝配軸6是否進入了裝配孔50。

搜孔路徑可以按照裝配工件5的情況進行設計，例如圖3中所示的比較簡單的折線軌跡。當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的中心線已經基本重合，可以繼續下一步的插孔動作。

在找到正確的裝配孔50後，末端夾持裝置3夾持裝配軸6繼續向下運動，並通過機器人末端的受力情況變化及向下運動的距離判斷裝配軸6是否正確完成裝配。

在裝配軸6進入裝配孔50後，控制器21對裝配軸6受到的力和力矩進行控制，進一步調整裝配軸6的位置和姿態實現裝配軸6與裝配孔50的姿態基本一致。當z方向接觸力保持在設定的接觸力，且其餘方向接觸力/力矩都在0左右時，判斷裝配軸6已經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，工業機器人的控制器21將裝配軸6與裝配孔50之間的接觸力向量與設定好的接觸力向量相比較得到力誤差值，並根據該力誤差值實現接觸力向量的反饋控制，以使裝配軸6與裝配孔50能夠按照設定好的接觸力向量進行接觸。

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實時計算得到。控制器21通過各個關節力矩傳感器11的測量結果可計算出裝配軸6與裝配孔50之間的接觸力向量fext作用於各個關節的力矩τext。τext＝τ－τmodel，τ為各個關節力矩傳感器測量得到的力矩值，τmodel為由機器人動力學模型得到的各個關節的力矩值，機器人的動力學模型可以採用辨識的方法得到。控制器21通過以下公示計算出裝配軸6與裝配孔50之間的接觸力向量fext：

fext＝(jt(q))-1τext

式中，j(q)為機器人雅克比矩陣。

進一步地，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化為各個關節的力矩補償值，將力矩補償值直接作用於電機力矩環，實現接觸力向量的反饋控制，達到實時精確地控制接觸力向量的目的。由於電機力矩環的響應頻率比速度環、位置環都要高，因此控制的響應更快，可以有效避免控制過程中可能產生的衝擊。

優選地，控制器21是通過阻抗控制算法將力誤差值轉化為各個關節的力矩補償值。

阻抗控制是通過將機器人末端力和位置控制等效為彈簧-質量-阻尼模型，建立機器人末端運動與接觸力向量的關係，並通過任意阻抗控制參數實現調整機器人末端位置與接觸力向量的關係。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之間設定的接觸力向量，fext為裝配軸6與裝配孔50之間的實際接觸力向量，由控制器21通過各個關節力矩傳感器11的測量結果計算得到，md、bd、kd為可調節的阻抗控制參數，χd為笛卡爾坐標系下機器人期望達到的位置和姿態，該位置在裝配過程中實時更新，χ為笛卡爾坐標系下機器人實際的位置和姿態。為使機器人末端在裝配過程中滿足上述阻抗模型，各關節力矩的補償值τcom即可通過下式獲得：

式中，分別表示機器人動力學模型中的慣性力項、科氏力項和重力項，j(q)為機器人雅克比矩陣，q為機器人各關節位置向量。

圖4示出了根據本發明一實施例的工業機器人進行軸孔裝配的方法的接觸力向量控制框圖。

本發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，適用於對裝配精度要求較高，對裝配過程中接觸力向量要求嚴格的裝配任務。