用於生產中優化用於組裝的機器人的參數的方法和系統的製作方法

2023-06-07 21:06:31 2

專利名稱：用於生產中優化用於組裝的機器人的參數的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及機器人組裝並且具體地涉及生產中優化與這樣的組裝關聯的參數。
背景技術：
具有力控制的工業機器人越來越多使用於汽車和一般產業中的組裝應用中。這些組裝應用涉及到機器人組裝連續產品運行中的同組零件。例如並且無限制性，機器人可以組裝在汽車傳動或者其它傳動系部件中使用的零件。第6，553，652號美國專利和第7，181，314號美國專利描述了使用具有力控制的工業機器人以執行具有位置控制的常規工業機器人不能執行的容差嚴格的組裝任務。然而， 由於引入力控制(其中實際機器人路徑不僅依賴於編程位置而且依賴於在組裝的零件/部件(下文稱為「零件」)之間的互作用力)，所以通常通過試錯或者離線分析工具獲得最優機器人(力控制)參數集。這一參數選擇過程乏味而耗時。公布為W02008/085937的專利合作條約(「PCT」)申請公開一種用於機器人組裝參數優化的方法和系統。如其中公開的那樣，先將力控制的機器人組裝過程分類成不同組裝類型，比如圓柱形、徑向和多級。然後將各類組裝進一步參數化成諸如搜索力、旋轉角、旋轉速度、力幅度、力周期等的機器人組裝參數。在上述機器人組裝參數優化方法和系統中，需要在組裝過程中使用機器人之前進行優化過程。需要離線進行優化實驗，並且在實驗中使用有限次數的零件。因此，優化結果對於生產環境而言可以接近但是並非完全正確，因為在組裝單元設置中存在製造變化和差異。另外，不能在生產之前獲得一些與生產有關的過程參數，比如組裝起始位置。因此希望生產中的組裝參數優化。本發明提供生產中或者有時稱為在線機器人組裝參數優化。

發明內容
一種在有形介質上用於優化機器人參數的電腦程式。機器人參數與機器人在待組裝的零件的連續生產運行期間對零件的反覆組裝關聯。機器人使用待優化的機器人參數以在待組裝的零件的連續生產運行期間反覆組裝零件。在有形介質上的電腦程式具有配置成在機器人對零件的反覆組裝期間同時優化待優化的機器人參數的計算機可用代碼。一種用於在待組裝的零件的連續生產運行期間反覆組裝零件的系統。該系統具有用於組裝零件的機器人。機器人具有與零件組裝關聯的參數。機器人使用參數以在待組裝的零件的連續生產運行期間反覆組裝零件；以及計算設備，連接到機器人以在機器人對零件的反覆組裝期間控制機器人，計算設備中具有電腦程式，電腦程式具有配置成在機器人在計算設備的控制之下使用與零件組裝關聯的機器人參數來反覆組裝零件之時同時優化與零件組裝關聯的機器人參數的程序代碼。
一種在用於在待組裝的零件的連續生產運行期間使用具有與零件組裝關聯的參數的機器人來反覆組裝零件的系統中用於優化參數的方法。在該方法中，機器人使用待優化的機器人參數以在待組裝的零件的連續生產運行期間反覆組裝零件；並且在機器人對零件的反覆組裝期間同時優化待優化的機器人參數。


圖1示出了本發明可以使用於其中的機器人組裝單元的設置。圖2示出了用於本發明的生產中(或者在線)機器人組裝參數優化過程的示教器上的用戶界面的主要頁面。圖3示出了用於本發明的學習、優化和參數驗證過程的流程圖。圖4示出了用於確定將在本發明的方法中使用的參數邊界和變量約束的方法的框圖。圖5(a)示出了在機器人將組裝的兩個零件之間的關係。圖5 (b)示出了在它們被組裝之後的兩個零件。圖5 (C)示出了待組裝的零件在組裝它們之前的相對位置的變化。圖5 (d)示出了待組裝的兩個零件之一的X位置分布，零件的位置可以在組裝之前變化。圖6示出了概括本發明的流程圖。
具體實施例方式現在參照圖1，示出了本發明可以使用於其中的機器人組裝單元100的設置。在單元100中有示教器101 (具有它自己的CPU)、機器人控制器102 (具有一個或者多個CPU)和機器人110。機器人110具有機器人手臂103、與機器人100持有的抓握工具105相鄰裝配於機器人Iio上的力傳感器104和抓握工具105持有的用於插入到零件107中的零件106。 零件106也稱為插入零件，而零件107也稱為插入的零件。單元100也具有在機器人手臂 103,110與控制器102之間的運動控制連結和傳感器連接108以及在示教器101與控制器 102之間的通信連接109。圖2示出了用於本發明的生產中參數優化工具的示教器101上的用戶界面的主要頁面200。這一頁面示出了優化過程流程。如圖2中所示，該過程流程是從學習位置或者待優化的其它與過程有關的參數開始，然後繼而為參數優化和參數驗證的循環。可以反覆執行循環。這裡包括四小節以描述本發明。這些小節為1)用於設置生產和參數優化運行並且在這些運行之間切換的方法和系統；2)用於選擇參數邊界和約束(包括機器人搜索參數、組裝終止條件和組裝起始位置)的方法；幻用於優化參數的方法；以及4)用於優化一般過程參數如起始位置的方法。在連接到控制器102的機器人示教器101或者在圖1中未示出的PC上進行所有這些方法。下文將描述用於設置生產和參數優化運行並且在這些運行之間切換的方法和系統。該設置和切換方法和系統包括連接到控制器102的機器人示教器101或者PC上的圖形用戶界面(在圖2中示出了該界面的主要頁面200)和在設計的優化參數值和運行時間值與用於生產中參數優化的監控和/或切換之間的映射。從連接到控制器102的示教器101 或者PC生成設計的參數並且將這些參數映射成控制器102中的參數用於機器人組裝過程使用。下文描述的圖3中所示流程圖是這一映射的部分。圖2示出了從上至下命名為「起始位置學習」 202、「參數優化」 204和「參數驗證」 206的三個框。在圖2中用複選標記示出了這三個框202、204和206，因為在這一示例中，機器人組裝單元100的操作者想要使用本發明的所有生產中或者在線功能、即學習與機器人110將組裝的零件關聯的起始位置參數、優化組裝參數並且驗證優化的組裝參數和學習的起始位置參數將用於下一輪生產運行。當三個框都未被複選時，機器人系統使用生產參數以執行組裝任務。當用戶例如通過複選起始位置學習框202來請求執行生產中參數優化/學習任務時，用生產參數集進行預定次數的學習運行，並且記錄和存儲位置信息。用於設置預定義學習運行次數的標準是在組裝(或者也稱為插入)零件和到來零件(也就是組裝的(或者有時也稱為插入的)零件)的示教的起始位置之間的隨機偏差、在生產線上的組裝臺的位置以及所需學習準確度。組裝的零件從生產線連續到來。眾所周知，學習運行次數越多，結果準確度就越高。在學習運行期間學習的是與待組裝的現實零件關聯的起始位置參數。下文在第4小節中描述一種根據組裝結束位置學習起始位置參數的技術的一個示例。在連接到控制器102的示教器101或者PC中完成學習運行之後使用下述方法分析數據。在現實設備如示教器101上用圖形呈現分析結果。下文具體描述的圖5(a)至圖 5(d)示出了待組裝的零件及其在組裝之前、期間和之後的關係以及待組裝的兩個零件之一的X位置分布，零件的位置可以在組裝之前變化。因此，該顯示可以是組裝結束位置的X、 Y、Z坐標和定向(在圖5(d)中示出的成群加號50 、它們的平均值和圖5(d)的示教起始位置X值508以及Y值。圖5(d)僅示出了與X分量有關的值作為示例。可以針對位置的 Y和Z坐標示出類似畫面。難以用圖形示出定向(在四元組中為ql、q2、q3和q4而在歐拉系統中為Az、Ay和Ax)，但是結束位置的定向平均值可以被計算和用來糾正起始位置的定向。當複選參數優化框204時，在優化運行期間以預定義方式變化組裝參數值，並且可以在數據文件中存儲值和所得循環時間和/或成功率用於以後處理。用於變化組裝參數值的預定義方式(也就是優化方法)可以例如是在PCT申請中具體描述的公知實驗設計 (DOE)方法。本發明的用戶有能力通過設置界面變化所選優化方法或者改變成另一優化方法。與生產操作並行進行參數優化。可以設置自動進行並且因此在操作者監控之下連續地或者如下文參照圖3的流程圖所述進行參數優化。有通過預定義方式確定的並且以待優化的參數次數和為了發現在統計意義上最佳的值而在某一範圍內變化的參數值水平為基礎的預定義次數的優化運行。在完成預定義次數的運行之後，系統自動返回到生產參數集並且繼續正常生產操作。同時，在連接到控制器102的示教器101或者另一計算設備如PC中的CPU上使用在具體實施方式
的後一小節中描述的方法來處理從優化運行產生的數據。
當複選參數驗證框206時執行驗證過程。參數驗證過程使用從位置學習和參數優化獲得的起始位置和/或參數集。為了獲得在統計上合理的結果，用於參數驗證過程的相對大量(如例如100次)反覆試驗是必要的。下文描述數據處理和呈現方法。本發明的方法和系統的參數驗證過程確定優化的參數和學習的起始位置是否將用於下一輪生產運行。在進行確定時使用的指標是組裝循環時間和組裝成功率閾值改變。 較低的循環時間比較高的循環時間更好，而較高的組裝成功率比較低的成功率更好。在文件中存儲當前和先前參數/位置數據。也提供監控選項以允許操作者確定優化的參數是否使用於下一輪優化過程中。在圖3中具體示出了這一選項。圖3示出了該系統的學習、優化和參數驗證過程流程圖300。機器人組裝系統100 通常用生產參數運行(301)。如果對起始位置學習查詢(30 的答覆被設置成是，則從文件向系統中複製現有參數和起始位置數據(310)，並且系統在學習模式中運行而且驗證學習結果(303)。在驗證學習結果時使用的指標與在驗證優化結果時使用的指標(即組裝循環時間和組裝成功率閾值改變)是相同的。當完成(也就是驗證)學習運行時，系統返回到它的正常生產運行並且在查詢 (309)中詢問起始位置是否將更新成新值。如果答覆為是，則用學習的數據更新起始位置， 並且該過程繼續到參數優化查詢304。如果對309的答覆為否，則起始位置保持不變，並且系統直接繼續到參數優化查詢304。如果對參數優化查詢304的答覆為是，則在305中進行參數優化。當完成參數優化運行時，系統返回到正常生產運行並且只有當參數驗證查詢306的切換為否而更新參數查詢308的切換為是時才使用優化的參數。否則，在優化運行之後使用生產參數。處理優化數據並且在文件中存儲結果。如果對參數優化問題304的答覆為否，則略過參數優化。當對參數驗證306的答覆為是時進行驗證運行307。在驗證運行結束時，系統切換回到正常生產運行。存儲和處理驗證數據，並且該過程繼續到下一問題308 應當更新生產參數嗎？如果對306的答覆為否，則略過驗證過程307，並且該過程從查詢306直接繼續到查詢308。如果對更新參數的查詢308的答覆為是，則將生產參數更新成優化的參數。如果對308的答覆為否，則生產運行用現有參數繼續。可以在批次和其它生產環境改變時重複優化/學習過程。如上文所述，在驗證參數優化結果時使用的方法也與用於驗證學習結果的方法相同。如圖3中所示，所有問題切換302、304、306、308和309具有三個狀態是、否和保持。保持狀態用來提供操作者監控特徵。如果將切換設置為保持狀態，則系統返回到生產運行並且要求操作者就設置為保持狀態的問題切換輸入是或者否，以便繼續優化過程。作為默認，無論何時完成當前實驗運行，除非設置了學習、優化或者驗證過程的下一步驟，系統都返回到正常生產運行。應當理解，在本發明中，如圖3的流程圖所示，如果為問題切換302、304、306、308 和309之一設置有保持狀態，則該過程繼續到下一啟用的任務，而如果未啟用其它任務，則機器人110用生產參數運行。例如，如果問題切換302為是，則該過程進行複製參數/姿態數據310以及用該數據運行以及驗證學習結果303這些學習模式的功能，而如果問題切換 309為保持，則該過程轉向問題切換304，304如果為保持則轉向問題切換306，306如果為保持則轉向問題切換308，308如果為保持則造成該過程用生產參數運行。因此如可以理解的那樣，保持狀態是由操作者實行的否狀態。也應當理解，本發明的技術在生產過程期間運行並且用戶可以通過使用切換來指引過程流程。當所有問題切換302、304、306、308和309設置成否或者保持時，系統用默認生產參數運行。下文將描述用於設置參數邊界和約束的方法。在PCT申請中公開的離線組裝參數優化與本發明的生產中組裝參數優化之間的主要差異之一在於在本發明中參數邊界和其它約束比在現有技術的離線優化中更重要。因此，應當控制組裝參數的變化以使對正常生產吞吐量和組裝質量的影響最小。然而，如果組裝參數的變化太小，則可能並未將它們區別於製造系統噪聲。因此優化結果可能並未反映實際系統的性質。如果那些參數的變化太大，則可能在相當程度上中斷正常生產從而引起不可接受的故障率和/或長循環時間。也需要向一些參數(例如最大搜索力、機器人力控制阻尼因子的最小值)施加約束。那些約束對於系統讓組裝質量落在預定邊界內而言是必要的。僅能從現實製造過程獲得這些參數邊界和變量約束。圖4示出了用於確定參數邊界和變量約束的方法400的框圖。用戶通過在405施加初始參數邊界和變量約束，通過示教器101或者另一顯示設備(比如與連接到控制器102 的PC關聯的顯示設備)上的圖形用戶界面401設置參數和過程變量。在設置之後，參數通過使用實驗設計方法如DOE方法或者其它優化技術在參數的邊界值內變化參數。進行實際情況測試403並且收集和記錄所得數據。然後向估計器404中饋送數據以獲得新的一組參數邊界和變量約束。估計器404確定數據是否滿足在上述段落中描述的標準，而如果不滿足則估計器404提供可以滿足該標準的新的一組參數邊界和變量約束。 可以重複這一過程直至獲得一組依賴於過程的參數邊界和約束。用戶可以通過使用圖形用戶界面401來否決估計器的參數邊界值。下文將描述用於優化力控制組裝的方法。可以在這一生產中參數優化中使用任何優化技術。在PCT申請中具體描述的公知DOE(實驗設計)方法是一種這樣的優化技術的示例。下文描述用於優化一般過程參數如起始位置的方法。除了基本機器人力控制組裝參數(用於搜索和插入)之外還有可以在生產期間優化(改進或者學習)其它組裝過程參數、比如起始位置。在圖5中使用起始位置作為示例以舉例說明學習過程。圖5 (a)示出了在插入零件501與插入的零件502之間的關係；圖5(b)示出了在組裝零件501和502時的該關係；圖5(c)圖示了零件501和502在組裝開始時相對位置的變化，而插入零件501的起始位置固定(示教)，但是插入的零件502的位置變化，這是由於攜帶插入的零件502的棘爪(在圖5中未示出)在進入圖1中的工作單元100時具有變化的X-Y位置。當完成組裝過程時，參照圖5(b)，插入零件501由於力控制的機器人的柔性行為而在X-Y坐標上與插入的零件502匹配。因此可以記錄最終位置。使用統計方法可以計算X-Y位置在插入的零件502的插入結束時的實際平均和偏差。這一數據用來修改插入零件501的起始位置以獲得對「正確I-Y位置的更佳估計以求快速和在統計上較高的成功率以及較短的組裝循環時間。圖5(d)圖示了插入的零件502的X位置分布。加號503圖示了記錄的零件502在多次不同組裝操作中的結束位置，而曲線504示出了針對X坐標根據那些結束位置導出的分布。示教並且在空間上相對固定組裝起始位置。該位置由實線508表示。在起始位置 508的X坐標與如虛線507所示平均結束位置的X坐標之間的距離為Dx 509。因此，插入的零件502的起始位置的X坐標可以左移Dx以獲得更準確的組裝起始位置。對於Y坐標的位置，可以應用類似分析以針對Y坐標導出移位距離Dy (在圖5(d)中未示出)。現在參照圖6，在流程圖600中示出了本發明的方法和系統的概括。如上文所述， 過程參數具有起始值601。設計的生產中優化/學習運行602在它們的執行中使用這一過程參數集。在603測量運行的輸出並且向數據處理和糾正模塊604饋送該輸出。使用糾正的參數值作為用於第二輪優化/學習操作的起始值。可以重複這一過程直至獲得所需參數值。如本領域普通技術人員可以理解的那樣，本發明可以採用計算機可用或者計算機可讀有形介質上的電腦程式產品這一形式，該介質具有嵌入於介質中的計算機可用程序代碼。計算機可用或者計算機可讀介質可以是任何可以包含、存儲、傳達、傳播或者傳送用於由指令執行系統、裝置或者設備使用或者與指令執行系統、裝置或者設備結合使用的程序的有形介質並且可以例如但不限於程序印刷於其上的電子、磁、光學、電磁、紅外線或者半導體系統、裝置、設備或者甚至紙張或者其它適當介質。計算機可讀介質的更多具體示例 (非窮舉列表)將包括便攜計算機盤、閃速驅動、硬碟、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器 (ROM)、可擦除可編程只讀存儲器(EPR0M或者快閃記憶體)、光纖、便攜光碟只讀存儲器(CD-ROM)、 光學存儲設備或者磁存儲設備。可以用諸如Java、Smalltalk、C++等面向對象程式語言編寫或者也可以用常規過程程式語言(比如「C」程式語言)和機器人程序語言(比如「RAPID」——ABB專有機器人程序語言)編寫用於實現本發明的操作的電腦程式代碼。程序代碼可以完全在用戶的計算機上、部分在用戶的計算機上作為獨立軟體包、部分在用戶的計算機上而部分在遠程計算機上或者完全在遠程計算機或者伺服器上執行。在後一種場景中，遠程計算機可以通過區域網(LAN)或者廣域網(WAN)連接到用戶的計算機，或者可以連接到外部計算機(例如通過使用網際網路服務提供商的網際網路)。將理解對前述一個或多個示例實施例的描述旨在於僅舉例說明而不是窮舉本發明。本領域技術人員將能夠對公開的主題內容的一個或多個實施例進行某些添加、刪除和 /或修改而不脫離如所附權利要求書限定的本發明的精神實質或者它的範圍。
權利要求
1.一種用於在待組裝的零件的連續生產運行期間反覆組裝零件的系統，包括用於組裝所述零件的機器人，所述機器人具有與所述零件的組裝關聯的參數，所述機器人使用所述參數以在待組裝的所述零件的所述連續生產運行期間反覆組裝所述零件；以及控制器，連接到所述機器人以在所述機器人對所述零件的所述反覆組裝期間控制所述機器人，所述控制器適於在所述機器人，在所述控制器的控制之下，使用與所述零件的組裝關聯的所述機器人參數來反覆組裝所述零件之時，同時優化與所述零件的組裝關聯的所述機器人參數。
2.根據權利要求1所述的系統，其中待組裝的所述零件具有用於所述組裝的起始位置，並且所述控制器還被配置成進行預定義次數的運行以學習所述起始位置。
3.根據權利要求2所述的系統，其中所述控制器還被配置成在完成所述預定義次數的學習運行之後使顯示設備顯示與所述學習的起始位置有關的信息。
4.根據權利要求2所述的系統，其中所述控制器還被配置成以預定義方式變化所述關聯的組裝參數。
5.根據權利要求2所述的系統，其中所述控制器還被配置成以預定義方式變化所述機器人組裝參數。
6.根據權利要求5所述的系統，其中所述控制器還被配置成驗證用於在所述零件組裝中使用的所述優化的機器人組裝參數和所述學習的起始位置。
7.根據權利要求6所述的系統，其中所述控制器還被配置成使用所述驗證的優化的機器人組裝參數而不是待優化的所述參數以及所述學習的起始位置以組裝所述零件。
8.根據權利要求5所述的系統，其中所述用於變化待優化的所述機器人組裝參數的預定義方式具有取決於所述預定義方式並且依賴於待優化的所述參數的次數的預定義優化運行次數。
9.根據權利要求6所述的系統，其中配置成驗證用於在所述零件組裝中使用的所述優化的機器人組裝參數和所述學習的起始位置的所述控制器將預定義標準用於所述驗證。
10.一種在用於在待組裝的零件的連續生產運行期間使用機器人來反覆組裝零件的系統中，優化參數的方法，所述機器人具有與所述零件組裝關聯的所述參數，所述方法包括所述機器人使用待優化的所述機器人參數以在待組裝的所述零件的所述連續生產運行期間反覆組裝所述零件；並且在所述機器人對所述零件的所述反覆組裝期間，同時優化待優化的所述機器人參數。
全文摘要
一種機器人用來在待組裝的零件的連續生產運行期間反覆組裝零件。存在與組裝關聯的機器人參數。這些參數用來組裝零件。與該反覆組裝同時優化機器人參數。待組裝的零件具有組裝的起始位置，並且機器人組裝參數的同時優化也包括學習起始位置。可以用預定義方式優化機器人組裝參數。然後可以驗證優化的參數，並且然後可以使用優化和驗證的機器人組裝參數而不是與零件組裝關聯的機器人參數以及學習的起始位置。
文檔編號B25J9/16GK102245356SQ200980149565
公開日2011年11月16日 申請日期2009年12月8日 優先權日2008年12月10日
發明者A·貝爾, C·馬蒂內茨, G·張, 何建民, 汪建軍 申請人:Abb研究有限公司