CN107186460A - 工业机器人进行轴孔装配的方法及其*** - Google Patents

工业机器人进行轴孔装配的方法及其*** Download PDF

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贺丁
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Abstract

一种工业机器人进行轴孔装配的方法，工业机器人的所有关节均设有关节力矩传感器，工业机器人进行轴孔装配的方法包括将装配轴***装配孔的步骤，在将装配轴***装配孔的步骤中，工业机器人的控制器将装配轴与装配孔之间的接触力向量与设定好的接触力向量相比较得到力误差值，并根据所述力误差值实现接触力向量的反馈控制，以使装配轴与装配孔能够按照设定好的接触力向量进行接触，其中，控制器是根据各个关节力矩传感器测量到的力矩值通过计算得到所述的装配轴与装配孔之间的接触力向量。本发明还公开了轴孔装配的工业机器人***。本发明能以较低的成本实现精确控制轴孔装配过程中装配轴与装配孔之间的接触力向量，而且接触力向量控制的响应速度快。

Description

工业机器人进行轴孔装配的方法及其***
技术领域
本发明涉及用工业机器人进行轴孔装配的方法及其***。
背景技术
当前在我国仍有大量重复而繁琐的装配工作采用人工完成，人工装配的成本高昂而工作效率低，正逐渐被自动化设备如机器人所替代。随着机器人装配***的应用深入，其面临的问题也越来越复杂，这也对机器人装配***提出了更高的要求，例如一些高精度高要求的轴孔装配作业，需时刻控制装配过程中零件的受力情况，防止装配工件及配套设施的损坏。
目前，已有对装配轴与装配孔之间的接触力向量进行控制的机器人装配***见诸于公开文献。公开号CN104625676A的专利公开了一种轴孔装配工业机器人***及其工作方法，该工业机器人为了使装配轴与装配孔能够按照设定好的接触力向量进行接触，在机器人手臂的末端与夹持装置之间设置了力觉传感器，从而增加了产品的制造成本。此外，该机器人装配***对末端接触力向量的误差是通过电机速度环输入进行补偿的，控制过程存在一定的延迟，从而会对装配工件产生一定的冲击，甚至造成装配工件的损坏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种工业机器人进行轴孔装配的方法，其能以较低的成本实现精确控制轴孔装配过程中装配轴与装配孔之间的接触力向量，而且接触力向量控制的响应速度快。
本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种轴孔装配的工业机器人***。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
本发明提供了一种工业机器人进行轴孔装配的方法，工业机器人的所有关节均设有关节力矩传感器，该工业机器人进行轴孔装配的方法包括将装配轴***装配孔的步骤，在将装配轴***装配孔的步骤中，工业机器人的控制器将装配轴与装配孔之间的接触力向量与设定好的接触力向量相比较得到力误差值，并根据力误差值实现接触力向量的反馈控制，以使装配轴与装配孔能够按照设定好的接触力向量进行接触，其中，控制器是根据各个关节力矩传感器测量到的力矩值通过计算得到装配轴与装配孔之间的接触力向量。
本发明还提供了轴孔装配的工业机器人***，包括工业机器人、控制器、末端夹持装置、装配工件以及装配轴，装配工件设有装配孔；工业机器人的所有关节均设有关节力矩传感器，各个关节力矩传感器将测量到的力矩值发送给所述控制器，其中，控制器用于根据各个关节力矩传感器测量到的力矩值通过计算得到装配轴与装配孔之间的接触力向量，将装配轴与装配孔之间的接触力向量与设定好的接触力向量相比较得到力误差值，并根据力误差值实现接触力向量的反馈控制，以使装配轴与装配孔能够按照设定好的接触力向量进行接触。
采用上述技术方案后，本发明至少具有以下优点：
1、本发明的实施例使用关节力矩传感器测量各关节的输出力矩，并用该力矩值来计算装配轴与装配孔之间的接触力向量，控制工业机器人运动，在环境变化未知、装配轴孔误差未知的情况下，使装配轴与装配孔能够按照设定好的接触力向量进行接触，完成轴孔装配任务。由于不用安装专门用于测量装配轴与装配孔之间的接触力向量的力觉传感器，因而降低了制造成本；
2、本发明的实施例直接对机器人的控制电机的伺服力矩环进行控制，从而大幅提高了接触力向量控制的响应速度，避免了控制过程中可能产生的冲击，减少了对装配工件及配套设施的损坏。
附图说明
图1示出了根据本发明的用于轴孔装配的工业机器人***的一个实施例的结构示意图。
图2示出了根据本发明一实施例的关节力矩传感器与控制器的连接示意框图。
图3示出根据本发明一实施例的工业机器人进行轴孔装配的方法中的搜孔路径的示意图。
图4示出了根据本发明一实施例的工业机器人进行轴孔装配的方法的接触力向量控制框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出进一步说明。
请参考图1和图2。根据本发明一实施例的轴孔装配的工业机器人***，包括工业机器人1、控制器21、示教器22、伺服驱动器23、末端夹持装置3、装配平台4、装配工件5以及装配轴6。
工业机器人1的底座固定在装配作业工位上。控制器21设置在控制柜7中。末端夹持装置3设置在工业机器人1的手臂末端，用于夹持装配轴6。装配工件5设置在装配平台4上，装配工件5设有装配孔50。工业机器人1的所有关节均设有关节力矩传感器11，用以测量每个关节的输出力矩。各个关节力矩传感器11的输出端分别与控制器21的输入端电连接，用以将测量到的力矩值发送给控制器21。控制器21的输出端与伺服驱动器23的输入端连接，伺服驱动器23控制器各关节伺服电机。
工业机器人1可以按示教器22示教的轨迹进行运动，操作人员可以操作示教器22控制工业机器人1在笛卡尔空间或关节空间点动，并记录示教点，再由控制器21按示教点规划得到关节位置，并通过关节伺服电机控制工业机器人1运动，伺服驱动器23通过控制其位置环、速度环和电流环控制关节电机运动到关节规划位置。根据本发明一实施例的工业机器人1可以是五轴机器人、六轴机器人等，本发明对此不作限制。
控制器21用于根据各个关节力矩传感器11测量到的力矩值通过计算得到装配轴6与装配孔50之间的接触力向量，将装配轴6与装配孔50之间的接触力向量与设定好的接触力向量相比较得到力误差值，并根据所述力误差值实现接触力向量的反馈控制，以使装配轴6与装配孔50能够按照设定好的接触力向量进行接触。本申请中所述的接触力向量是一个六维的向量，包括三维力和三维力矩。
在本实施例中，控制器21是根据以下公式计算得到装配轴6与装配孔50之间的接触力向量Fext：
Fext＝(JT(q))-1τext
式中，J(q)为机器人雅克比矩阵，τext为接触力向量Fext作用于各个关节的力矩，τext＝τ－τmodel，τ为各个关节力矩传感器测量得到的力矩值，τmodel为由机器人动力学模型得到的各个关节的力矩值，机器人的动力学模型可以采用辨识的方法得到。
在本实施例中，控制器21将上述的力误差值转化为各个关节的力矩补偿值，将力矩补偿值直接作用于电机力矩环(即上述的电流环)，实现接触力向量的反馈控制。优选地，控制器21是通过阻抗控制算法将力误差值转化为各个关节的力矩补偿值，但不限于此。
根据本发明一实施例的工业机器人进行轴孔装配的方法，包括以下步骤：
步骤a、控制末端夹持装置3夹持装配轴6运动到装配孔50的上方。
具体而言，示教工业机器人***的末端夹持装置3运动到装配孔50正上方的某一位置，记录该示教点。然后使工业机器人1按轨迹规划生成的轨迹从初始位置运动到该示教点。这里的示教为简单示教，也就是说，此时装配轴6与装配孔50存在未知的位置和姿态误差。
步骤b、将装配轴6***装配孔50。
步骤b进一步包括搜孔步骤和***步骤。
在搜孔步骤中，机器人的末端夹持装置3夹持装配轴6与装配孔平面按设定好的接触力向量进行接触，并沿着笛卡尔坐标系下的X轴和Y轴方向运动，开始在XY平面内进行搜孔。搜孔过程中始终检测Z方向的接触力，判断装配轴6是否进入了装配孔50。
搜孔路径可以按照装配工件5的情况进行设计，例如图3中所示的比较简单的折线轨迹。当Z方向的接触力突然减小时，说明装配轴6的轴线与装配孔50的中心线已经基本重合，可以继续下一步的插孔动作。
在找到正确的装配孔50后，末端夹持装置3夹持装配轴6继续向下运动，并通过机器人末端的受力情况变化及向下运动的距离判断装配轴6是否正确完成装配。
在装配轴6进入装配孔50后，控制器21对装配轴6受到的力和力矩进行控制，进一步调整装配轴6的位置和姿态实现装配轴6与装配孔50的姿态基本一致。当z方向接触力保持在设定的接触力，且其余方向接触力/力矩都在0左右时，判断装配轴6已经成功地***到装配孔的底部，轴孔装配完成。
在所述的将装配轴***装配孔的步骤中，工业机器人的控制器21将装配轴6与装配孔50之间的接触力向量与设定好的接触力向量相比较得到力误差值，并根据该力误差值实现接触力向量的反馈控制，以使装配轴6与装配孔50能够按照设定好的接触力向量进行接触。
其中，装配轴6与装配孔50之间的接触力向量的大小可以由控制器21实时计算得到。控制器21通过各个关节力矩传感器11的测量结果可计算出装配轴6与装配孔50之间的接触力向量Fext作用于各个关节的力矩τext。τext＝τ－τmodel，τ为各个关节力矩传感器测量得到的力矩值，τmodel为由机器人动力学模型得到的各个关节的力矩值，机器人的动力学模型可以采用辨识的方法得到。控制器21通过以下公示计算出装配轴6与装配孔50之间的接触力向量Fext：
Fext＝(JT(q))-1τext
式中，J(q)为机器人雅克比矩阵。
进一步地，在将装配轴***装配孔的步骤中，控制器21将上述的力误差值转化为各个关节的力矩补偿值，将力矩补偿值直接作用于电机力矩环，实现接触力向量的反馈控制，达到实时精确地控制接触力向量的目的。由于电机力矩环的响应频率比速度环、位置环都要高，因此控制的响应更快，可以有效避免控制过程中可能产生的冲击。
优选地，控制器21是通过阻抗控制算法将力误差值转化为各个关节的力矩补偿值。
阻抗控制是通过将机器人末端力和位置控制等效为弹簧-质量-阻尼模型，建立机器人末端运动与接触力向量的关系，并通过任意阻抗控制参数实现调整机器人末端位置与接触力向量的关系。阻抗控制算法的模型可选取为二阶微分方程的形式：
式中，Fd为装配轴6与装配孔50之间设定的接触力向量，Fext为装配轴6与装配孔50之间的实际接触力向量，由控制器21通过各个关节力矩传感器11的测量结果计算得到，Md、Bd、Kd为可调节的阻抗控制参数，χd为笛卡尔坐标系下机器人期望达到的位置和姿态，该位置在装配过程中实时更新，χ为笛卡尔坐标系下机器人实际的位置和姿态。为使机器人末端在装配过程中满足上述阻抗模型，各关节力矩的补偿值τcom即可通过下式获得：
式中，分别表示机器人动力学模型中的惯性力项、科氏力项和重力项，J(q)为机器人雅克比矩阵，q为机器人各关节位置向量。
图4示出了根据本发明一实施例的工业机器人进行轴孔装配的方法的接触力向量控制框图。
本发明提高了轴孔装配过程中工件与装配孔之间接触力向量控制的精度，适用于对装配精度要求较高，对装配过程中接触力向量要求严格的装配任务。

Claims (8)

1.一种工业机器人进行轴孔装配的方法，所述工业机器人的所有关节均设有关节力矩传感器，所述的工业机器人进行轴孔装配的方法包括将装配轴***装配孔的步骤，在所述的将装配轴***装配孔的步骤中，工业机器人的控制器将装配轴与装配孔之间的接触力向量与设定好的接触力向量相比较得到力误差值，并根据所述力误差值实现接触力向量的反馈控制，以使装配轴与装配孔能够按照设定好的接触力向量进行接触，其特征在于，所述控制器是根据各个关节力矩传感器测量到的力矩值通过计算得到所述的装配轴与装配孔之间的接触力向量。
2.如权利要求1所述的工业机器人进行轴孔装配的方法，其特征在于，所述控制器是根据以下公式计算得到装配轴与装配孔之间的接触力向量Fext：
Fext＝(JT(q))-1τext
式中，J(q)为机器人雅克比矩阵，τext为接触力向量Fext作用于各个关节的力矩，τext＝τ－τmodel，τ为各个关节力矩传感器测量得到的力矩值，τmodel为由机器人动力学模型得到的各个关节的力矩值。
3.如权利要求1所述的工业机器人进行轴孔装配的方法，其特征在于，所述控制器将所述力误差值转化为各个关节的力矩补偿值，将所述力矩补偿值直接作用于电机力矩环，实现接触力向量的反馈控制。
4.如权利要求3所述的工业机器人进行轴孔装配的方法，其特征在于，所述控制器通过阻抗控制算法将所述力误差值转化为各个关节的力矩补偿值。
5.轴孔装配的工业机器人***，包括工业机器人、控制器、末端夹持装置、装配工件以及装配轴，所述装配工件设有装配孔；所述工业机器人的所有关节均设有关节力矩传感器，各个关节力矩传感器将测量到的力矩值发送给所述控制器，其特征在于，所述控制器用于根据各个关节力矩传感器测量到的力矩值通过计算得到装配轴与装配孔之间的接触力向量，将装配轴与装配孔之间的接触力向量与设定好的接触力向量相比较得到力误差值，并根据所述力误差值实现接触力向量的反馈控制，以使装配轴与装配孔能够按照设定好的接触力向量进行接触。
6.如权利要求5所述的轴孔装配的工业机器人***，其特征在于，所述控制器用于根据以下公式计算得到装配轴与装配孔之间的接触力向量Fext：
Fext＝(JT(q))-1τext
式中，J(q)为机器人雅克比矩阵，τext为接触力向量Fext作用于各个关节的力矩，τext＝τ－τmodel，τ为各个关节力矩传感器测量得到的力矩值，τmodel为由机器人动力学模型得到的各个关节的力矩值。
7.如权利要求5所述的轴孔装配的工业机器人***，其特征在于，所述控制器用于将所述力误差值转化为各个关节的力矩补偿值，将所述力矩补偿值直接作用于电机力矩环，实现接触力向量的反馈控制。
8.如权利要求7所述的轴孔装配的工业机器人***，其特征在于，所述控制器用于通过阻抗控制算法将所述力误差值转化为各个关节的力矩补偿值。
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