CN106584093A - 工业机器人自我装配***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业机器人生产制造及智能应用领域，尤其涉及一种工业机器人自我装配***，包括机械部分和控制部分；机械部分包括装配机器人、拧螺钉机器人、夹持机构、拧钉装置和装配平台，所述装配机器人、拧螺钉机器人与装配平台固定在同一基准面上，所述装配机器人末端安装有夹持机构，所述拧螺钉机器人末端安装有拧钉装置；控制部分包括机器人控制器、视觉控制器、视觉相机、驱动器、电机、码盘和力传感器；可以自动识别装配件在进料过程中的位姿偏差，并且在装配过程中能够根据力反馈信息自动调整位姿，从而实现了复杂工件的智能抓取与柔性装配，能够胜任于更多结构多样性的高精度装配场合。

Description

工业机器人自我装配***及方法

技术领域

本发明涉及工业机器人生产制造及智能应用领域，尤其涉及一种工业机器人自我装配***。

背景技术

工业机器人和数控机床已经广泛应用于装配制造业，然而，一些高精度、重质量、结构复杂的零部件的装配过程依然采用人工装配，原因在于，传统的工业机器人与数控机床仅能进行编程重复性工作，无法应对环境中不确定性因素和突发事件。例如工业机器人主要零部件(底座、腰座、大臂、小臂、三轴、腕部)的装配作业，由于各种部件的结构多样性和复杂性、部件进料位姿的随机性等因素，导致了很难利用传统的工业机器人(位置控制型)和数控机床完成装配工作，而采用人工装配既费时费力又无法保证装配的一致性。

针对这类复杂工件的自动装配，研究人员进行了深入研究，其中201510142501号专利公开了一种用于工业机器***簧平衡缸的装配工装，该方法为人工装配机器人平衡缸提供了一种简易工装，但其不能够完成机器人的自动装配；CN101585137A专利中公开了一种多轴孔装配装置，该装配装置是根据刚性轴孔装配任务的特点，针对弹性多轴孔装配动作而设计的，但是他们都是采用单一的位置控制模式设计的，而对接触力不能够进行控制，不适用于对接触力要求较为严格的装配作业；CN102218652B号专利中提到柔顺性实现轴孔装配，但其是利用增大位置环增益完成的，可以实现对孔运动的情况下的轴孔装配作业，但其仍然是靠位置控制来实现轴孔装配，不能够对接触力进行控制，在对装配精度要求较高或刚度较低的工件进行装配作业时，其接触力的不可控性容易造成装配失败或者工件的损伤。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种能够利用工业机器人视觉与力觉技术，实现机器人自我装配的***。

本发明的技术方案为：

工业机器人自我装配***，包括机械部分和控制部分；

机械部分包括装配机器人、拧螺钉机器人、夹持机构、拧钉装置和装配平台，所述装配机器人、拧螺钉机器人与装配平台固定在同一基准面上，所述装配机器人末端安装有夹持机构，所述拧螺钉机器人末端安装有拧钉装置；

控制部分包括机器人控制器、视觉控制器、视觉相机、驱动器、电机、码盘和力传感器，视觉相机与力传感器被固定安装在装配机器人末端，视觉相机与视觉控制器电性连接，力传感器与机器人控制器电性连接，机器人控制器与视觉控制器电性连接，所述机器人控制器、驱动器和电机依次电性连接，电机通过传动装置连接装配机器人和拧螺钉机器人，电机上设***盘，所述码盘分别与机器人控制器和驱动器电性连接；

机器人控制器内设有轨迹规划模块、机器人学计算模块、装配调度模块、以太网通信模块、力控制计算模块、力传感器采集模块和其他基础模块；视觉控制器内设有图像计算模块、以太网通信模块和数据采集模块，机器人控制器内的以太网通信模块和视觉控制器内的以太网通信模块通过TCP协议连接。

轨迹规划模块，用于规划出机器人运动轨迹；机器人学计算模块，用于进行机器人运动学与动力学相关计算，即根据运动轨迹计算出每周期机器人各关节的旋转角度，或根据各关节旋转角度计算出机器人末端位置；装配调度模块，根据机器人当前状态与装配阶段调度机器人后续装配工作；机器人控制器内的以太网通信模块，用以完成以太网通信工作，包括与视觉控制器、力觉传感器的通信工作；力控制计算模块，用来实时计算力/位混合控制算法，从而实现柔性装配；力传感器采集模块，用于将力觉传感器反馈信息采集处理，获得可靠的装配件接触力值；其他基础模块，用于支持机器人常规功能及操作，包含菜单及按键、线程调度、模式切换及状态监控等功能；图像计算模块，用于将视觉相机拍摄出来的图片进行识别计算；视觉控制器内的以太网通信模块，用于完成以太网通信相关工作；数据采集模块，用于采集来自相机的图像信息。

优选的，所述装配机器人和拧螺钉机器人均为至少四个自由度机械臂机器人。

优选的，所述装配机器人和拧螺钉机器人均为六个自由度机械臂机器人。

优选的，所述视觉相机采用工业相机或者智能相机。

优选的，所述力传感器为六维力传感器，能够检测笛卡尔坐标系下三个轴向的力和绕三个坐标轴的力矩。

所述工业机器人自我装配方法包括以下步骤：

步骤1，使装有视觉相机的装配机器人末端运动至装配件上方，装配机器人通过示教及轨迹规划生产一系列运动轨迹点；

步骤2，视觉相机对装配件进行拍照，通过图像计算模块计算出装配件的位置与姿态，并将计算结果传输至装配机器人控制器；

步骤3，装配机器人通过运动计算模块将所述装配件位置与姿势进行计算，解析成对应时间点的关节空间下各关节角度，并传至装配机器人驱动器；

步骤4，装配机器人驱动器以驱动电机的方式促使机器人完成上述位姿运动，到达所述装配件抓取处；

步骤5，所述装配机器人通过装配调度模块抓起装配件，运动至被装配件拍照处；

步骤6，所述视觉相机对被装配件进行拍照，通过图像计算模块计算出被装配件的位姿以及螺钉孔位置，并将计算结果传输至所述装配机器人控制器；

步骤7，所述装配机器人通过运动计算模块将上述被装配件位姿进行计算，解析成对应时间点的关节空间下各关节角度，并传至所述装配机器人驱动器；

步骤8，所述装配机器人驱动器以驱动电机的方式促使机器人完成上述位姿运动，夹持着装配件运动至被装配件上方；

步骤9，所述装配机器人利用力控制计算模块，对装配件进行柔性装配，直至装配件完全嵌入被装配件；

步骤10，所述拧螺钉机器人带着拧钉装置运动至事先示教好的位置，夹取螺钉；

步骤11，所述视觉计算模块将螺钉孔位置传输至所述拧螺钉机器人控制器中，拧螺钉机器人通过运动计算模块将上述螺钉孔位置进行计算，解析成对应时间点的关节空间下各关节角度，并传至所述拧螺钉机器人驱动器；

步骤12，所述拧螺钉机器人驱动器以驱动电机的方式促使机器人完成上述运动，直至拧钉装置与螺钉到达螺钉孔位置；

步骤13，所述拧钉装置自动将螺钉拧入螺钉孔，至此完成整个装配工作。

所述步骤1包含示教部分和轨迹规划部分，示教部分通过轨迹规划模块控制所述装配机器人在笛卡尔空间和关节空间下进行点动，直至所述装配机器人手臂末端所夹持的装配轴达到装配工件上的装配孔正上方微小距离(该距离根据需求设定)后记录下关键的示教点，轨迹规划部分通过轨迹规划模块将示教点解析成平滑的样条曲线，再将样条曲线按照时间点离散化成运动轨迹点。

所述步骤9所述力控制计算模块分为接触阶段、搜索阶段、嵌入阶段：

接触阶段，所述装配机器人夹着装配件通过力/位混合控制方式向被装配件运动，直至装配件与被装配件发生接触，产生接触力，该接触力由安装在机器人末端的力传感器测量出，当接触力达到事先设定好的阈值时，表示装配件与被装配件接触完成；

搜索阶段，使装配件沿装配平面进行搜索运动，搜索的同时采用力/位混合控制技术，直至力传感器测量值达到事先设定好的阈值内，表示装配件已经搜索到装配孔；

嵌入阶段，嵌入过程中对装配件进行姿态力控制，三个方向的位置进行位置控制、三个方向的姿态进行力控制的力/位混合控制，从而使装配件嵌入到装配孔中，完成装配工作。

本发明的有益效果为：本发明可以自动识别装配件在进料过程中的位姿偏差，并且在装配过程中能够根据力反馈信息自动调整位姿，从而实现了复杂工件的智能抓取与柔性装配，能够胜任于更多结构多样性的高精度装配场合。

附图说明

图1为本发明提供的机器人自我装配***组成示意图；

图2为本发明提供的机器人自我装配***控制结构框图；

图3为本发明提供的机器人自我装配***控制器模块化图；

图4为本发明提供的机器人自我装配***简易流程图。

图中，1、装配机器人控制器；2、拧螺钉机器人控制器；3、装配机器人；4、拧螺钉机器人；5、夹持机构；6、装配件；7、被装配件；8、视觉相机；9、力传感器；10、拧钉装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1、2、3所示，工业机器人自我装配***，包括机械部分和控制部分；

机械部分包括装配机器人3、拧螺钉机器人4、夹持机构5、拧钉装置10和装配平台，所述装配机器人3、拧螺钉机器人4与装配平台固定在同一基准面上，所述装配机器人3末端安装有夹持机构5，所述拧螺钉机器人4末端安装有拧钉装置10；***工作时，装配件6被夹持机构5所夹持在装配机器人3上，随着机器人运动；被装配件7所固定位置处于装配机器人3和拧螺钉机器人4的工作空间内；

控制部分包括机器人控制器、视觉控制器、视觉相机、驱动器、电机、码盘和力传感器，所述机器人控制器包括装配机器人控制器1和拧螺钉机器人控制器2，视觉相机8与力传感器9被固定安装在装配机器人3末端，视觉相机8与视觉控制器电性连接，力传感器9与机器人控制器电性连接，机器人控制器与视觉控制器电性连接，所述机器人控制器、驱动器和电机依次电性连接，电机通过传动装置连接装配机器人3和拧螺钉机器人4，电机上设***盘，所述码盘分别与机器人控制器和驱动器电性连接；

机器人控制器内设有轨迹规划模块、机器人学计算模块、装配调度模块、以太网通信模块、力控制计算模块、力传感器采集模块和其他基础模块；视觉控制器内设有图像计算模块、以太网通信模块和数据采集模块，机器人控制器内的以太网通信模块和视觉控制器内的以太网通信模块通过TCP协议连接。

所述装配机器人3和拧螺钉机器人4均为至少四个自由度机械臂机器人。

所述装配机器人3和拧螺钉机器人4均为六个自由度机械臂机器人。

所述视觉相机8采用工业相机或者智能相机。

所述力传感器9为六维力传感器，能够检测笛卡尔坐标系下三个轴向的力和绕三个坐标轴的力矩。

如图4所示，为本发明机器人自我装配***装配方法的基本流程：

(1)***根据来自外部的生产调度任务；

(2)控制机器人运动至装配件上方进行拍照；

(3)视觉控制器对图片信息进行处理，检测出装配件位姿信息；

(4)调度***根据检测结果判断是否检测成功，若检测不成功则返回第(3)步，否则继续；

(5)机器人抓起装配件，利用力控制技术进行柔性装配；

(6)调度***根据装配状态信息判断是否装配成功；

(7)若装配成功则反馈成功状态，然后返回第(1)步；否则进入第(8)步；

(8)调度***根据***当前装配判断是否重新试装，若重新试装则返回至第(5)步；否则进入第(9)步；

(9)反馈失败状态，等待操作员处理。

具体地，工业机器人自我装配方法包括以下步骤：

步骤1，使装有视觉相机的装配机器人末端运动至装配件上方，装配机器人通过示教及轨迹规划生产一系列运动轨迹点；

步骤2，视觉相机对装配件进行拍照，通过图像计算模块计算出装配件的位置与姿态，并将计算结果传输至装配机器人控制器；

步骤3，装配机器人通过运动计算模块将所述装配件位置与姿势进行计算，解析成对应时间点的关节空间下各关节角度，并传至装配机器人驱动器；

步骤4，装配机器人驱动器以驱动电机的方式促使机器人完成上述位姿运动，到达所述装配件抓取处；

步骤5，所述装配机器人通过装配调度模块抓起装配件，运动至被装配件拍照处；

步骤6，所述视觉相机对被装配件进行拍照，通过图像计算模块计算出被装配件的位姿以及螺钉孔位置，并将计算结果传输至所述装配机器人控制器；

步骤7，所述装配机器人通过运动计算模块将上述被装配件位姿进行计算，解析成对应时间点的关节空间下各关节角度，并传至所述装配机器人驱动器；

步骤8，所述装配机器人驱动器以驱动电机的方式促使机器人完成上述位姿运动，夹持着装配件运动至被装配件上方；

步骤9，所述装配机器人利用力控制计算模块，对装配件进行柔性装配，直至装配件完全嵌入被装配件；

步骤10，所述拧螺钉机器人带着拧钉装置运动至事先示教好的位置，夹取螺钉；

步骤11，所述视觉计算模块将螺钉孔位置传输至所述拧螺钉机器人控制器中，拧螺钉机器人通过运动计算模块将上述螺钉孔位置进行计算，解析成对应时间点的关节空间下各关节角度，并传至所述拧螺钉机器人驱动器；

步骤12，所述拧螺钉机器人驱动器以驱动电机的方式促使机器人完成上述运动，直至拧钉装置与螺钉到达螺钉孔位置；

步骤13，所述拧钉装置自动将螺钉拧入螺钉孔，至此完成整个装配工作。

所述步骤1包含示教部分和轨迹规划部分，示教部分通过轨迹规划模块控制所述装配机器人在笛卡尔空间和关节空间下进行点动，直至所述装配机器人手臂末端所夹持的装配轴达到装配工件上的装配孔正上方微小距离(该距离根据需求设定)后记录下关键的示教点，轨迹规划部分通过轨迹规划模块将示教点解析成平滑的样条曲线，再将样条曲线按照时间点离散化成运动轨迹点。

所述步骤9所述力控制计算模块分为接触阶段、搜索阶段、嵌入阶段：

接触阶段，所述装配机器人夹着装配件通过力/位混合控制方式向被装配件运动，直至装配件与被装配件发生接触，产生接触力，该接触力由安装在机器人末端的力传感器测量出，当接触力达到事先设定好的阈值时，表示装配件与被装配件接触完成；

搜索阶段，使装配件沿装配平面进行搜索运动，搜索的同时采用力/位混合控制技术，直至力传感器测量值达到事先设定好的阈值内，表示装配件已经搜索到装配孔；

嵌入阶段，嵌入过程中对装配件进行姿态力控制，三个方向的位置进行位置控制、三个方向的姿态进行力控制的力/位混合控制，从而使装配件嵌入到装配孔中，完成装配工作

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (8)

1.工业机器人自我装配***，包括机械部分和控制部分，其特征在于：

机械部分包括装配机器人、拧螺钉机器人、夹持机构、拧钉装置和装配平台，所述装配机器人、拧螺钉机器人与装配平台固定在同一基准面上，所述装配机器人末端安装有夹持机构，所述拧螺钉机器人末端安装有拧钉装置；

控制部分包括机器人控制器、视觉控制器、视觉相机、驱动器、电机、码盘和力传感器，视觉相机与力传感器被固定安装在装配机器人末端，视觉相机与视觉控制器电性连接，力传感器与机器人控制器电性连接，机器人控制器与视觉控制器电性连接，所述机器人控制器、驱动器和电机依次电性连接，电机通过传动装置连接装配机器人和拧螺钉机器人，电机上设***盘，所述码盘分别与机器人控制器和驱动器电性连接；

机器人控制器内设有轨迹规划模块、机器人学计算模块、装配调度模块、以太网通信模块、力控制计算模块、力传感器采集模块和其他基础模块；视觉控制器内设有图像计算模块、以太网通信模块和数据采集模块，机器人控制器内的以太网通信模块和视觉控制器内的以太网通信模块通过TCP协议连接。

2.根据权利要求1所述的工业机器人自我装配***，其特征在于：所述装配机器人和拧螺钉机器人均为至少四个自由度机械臂机器人。

3.根据权利要求2所述的工业机器人自我装配***，其特征在于：所述装配机器人和拧螺钉机器人均为六个自由度机械臂机器人。

4.根据权利要求1所述的工业机器人自我装配***，其特征在于：所述视觉相机采用工业相机或者智能相机。

5.根据权利要求1所述的工业机器人自我装配***，其特征在于：所述力传感器为六维力传感器。

6.工业机器人自我装配方法，其特征在于：

步骤1，使装有视觉相机的装配机器人末端运动至装配件上方，装配机器人通过示教及轨迹规划生产一系列运动轨迹点；

步骤2，视觉相机对装配件进行拍照，通过图像计算模块计算出装配件的位置与姿态，并将计算结果传输至装配机器人控制器；

步骤3，装配机器人通过运动计算模块将所述装配件位置与姿势进行计算，解析成对应时间点的关节空间下各关节角度，并传至装配机器人驱动器；

步骤4，装配机器人驱动器以驱动电机的方式促使机器人完成上述位姿运动，到达所述装配件抓取处；

步骤5，所述装配机器人通过装配调度模块抓起装配件，运动至被装配件拍照处；

步骤6，所述视觉相机对被装配件进行拍照，通过图像计算模块计算出被装配件的位姿以及螺钉孔位置，并将计算结果传输至所述装配机器人控制器；

步骤7，所述装配机器人通过运动计算模块将上述被装配件位姿进行计算，解析成对应时间点的关节空间下各关节角度，并传至所述装配机器人驱动器；

步骤8，所述装配机器人驱动器以驱动电机的方式促使机器人完成上述位姿运动，夹持着装配件运动至被装配件上方；

步骤9，所述装配机器人利用力控制计算模块，对装配件进行柔性装配，直至装配件完全嵌入被装配件；

步骤10，所述拧螺钉机器人带着拧钉装置运动至事先示教好的位置，夹取螺钉；

步骤11，所述视觉计算模块将螺钉孔位置传输至所述拧螺钉机器人控制器中，拧螺钉机器人通过运动计算模块将上述螺钉孔位置进行计算，解析成对应时间点的关节空间下各关节角度，并传至所述拧螺钉机器人驱动器；

步骤12，所述拧螺钉机器人驱动器以驱动电机的方式促使机器人完成上述运动，直至拧钉装置与螺钉到达螺钉孔位置；

步骤13，所述拧钉装置自动将螺钉拧入螺钉孔，至此完成整个装配工作。

7.根据权利要求6所述的工业机器人自我方法，其特征在于：所述步骤1包含示教部分和轨迹规划部分，示教部分通过轨迹规划模块控制所述装配机器人在笛卡尔空间和关节空间下进行点动，直至所述装配机器人手臂末端所夹持的装配轴达到装配工件上的装配孔正上方微小距离(该距离根据需求设定)后记录下关键的示教点，轨迹规划部分通过轨迹规划模块将示教点解析成平滑的样条曲线，再将样条曲线按照时间点离散化成运动轨迹点。

8.根据权利要求6所述的工业机器人自我装配方法，其特征在于：所述步骤9所述力控制计算模块分为接触阶段、搜索阶段、嵌入阶段：

接触阶段，所述装配机器人夹着装配件通过力/位混合控制方式向被装配件运动，直至装配件与被装配件发生接触，产生接触力，该接触力由安装在机器人末端的力传感器测量出，当接触力达到事先设定好的阈值时，表示装配件与被装配件接触完成；

搜索阶段，使装配件沿装配平面进行搜索运动，搜索的同时采用力/位混合控制技术，直至力传感器测量值达到事先设定好的阈值内，表示装配件已经搜索到装配孔；

嵌入阶段，嵌入过程中对装配件进行姿态力控制，三个方向的位置进行位置控制、三个方向的姿态进行力控制的力/位混合控制，从而使装配件嵌入到装配孔中，完成装配工作。