CN111086028B - 一种工业机器人末端运动感知装置及辨识方法 - Google Patents

一种工业机器人末端运动感知装置及辨识方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种工业机器人末端运动感知装置及辨识方法，包括球形感知单元、壳体、圆周压板、侧压板、末端压板、刚性轴、柔性PCB板。通过覆盖在刚性轴末端的末端压板、圆周阵列布置的圆周压板、两两镜像对称布置的侧压板，其上的球形感知单元能实现对六轴微位移的精确测量和全方位感知。针对轨迹规划难度大的区域，通过直接牵引和引导机器人运动的方式进行路径规划过程。直接引导的方式可直接省去了复杂的工件造型步骤以及复杂算法的作业任务分片等步骤，显著简化了轨迹规划流程。

Description

一种工业机器人末端运动感知装置及辨识方法
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种工业机器人末端运动感知装置及辨识方法。
背景技术
随着智能制造为主导的第四次工业革命的到来，机器人在汽车整车及其零件、3C行业等领域有着十分广泛的应用。但在特种设备的制造工艺中，如火箭贮箱的喷涂，工业机器人(如喷涂机器人)的发展受到了严重限制。与普通喷涂对象不同，火箭贮箱是一种典型的大尺寸复杂结构件，喷涂路径的规划难度大；喷涂过程中贮箱与工业机器人都处于运动状态，机器人易与贮箱发生碰撞；为满足喷涂工艺需求机器人配置有多型复杂的末端执行器，机器人始终工作在大负载工况下，现有运动感知传感器难以满足需求。机器人易发生碰撞、轨迹规划难度大以及大负载情况下末端运动感知器承载性差成了制约喷涂机器人在特种设备制造行业应用的主要原因。
中国实用新型专利CN201721686680.2公布了一种具有力感知功能的协作机器人关节，包括了，输出法兰、力矩传感器、谐波传感器、无框直驱力矩电机、输入法兰及穿线管。其组成的协作机器人能够在半结构环境下与人协同作业，具有高精度力感知功能、刚度高的特点，但该关节力感知功能不具备方向性，无法在复杂的特种环境作业在工作。
发明内容
本发明的目的是以实现工业机器人在特种设备制造领域中的可靠应用而提供一种工业机器人末端运动感知装置及辨识方法。针对轨迹规划难度大的区域，通过直接牵引和引导机器人运动的方式进行路径规划过程。直接引导的方式可直接省去了复杂的工件造型步骤以及复杂算法的作业任务分片等步骤，显著简化了轨迹规划流程。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
一种工业机器人末端运动感知装置，包括壳体、上连接法兰、刚性轴、下连接法兰和柔性PCB板，壳体为中空壳体，壳体套于刚性轴的外部，壳体与刚性轴同轴，刚性轴的两端分别穿出壳体的两个底面，上连接法兰和下连接法兰分别与刚性轴的上下两端刚性连接；刚性轴上在位于壳体中的部分固定连接有压板，压板与壳体之间设有能够感知壳体相对于刚性轴发生的六轴位移的多个球形感知单元，柔性PCB板安装在刚性轴上，球形感知单元与柔性PCB板连接。
压板上开设有通孔，柔性PCB板位于压板与刚性轴之间，柔性PCB板延伸至所述通孔处；
球形感知单元包括传力钢球、微型薄膜敏感元件和硅胶绝缘缓冲层；微型薄膜敏感元件设置在所述通孔底部并与柔性PCB板连接；传力钢球设置于所述通孔中，传力钢球能在所述通孔中自沿通孔的轴向移动并挤压微型薄膜敏感元件上；壳体能够将外部交互力传递到传力钢球上；柔性PCB板在与微型薄膜敏感元件相对的一侧设置硅胶绝缘缓冲层。
一种工业机器人末端运动感知辨识方法，通过所述的工业机器人末端运动感知装置进行，包括如下过程：
S1，将上连接法兰与工业机器人末端法兰连接，牵引壳体沿目标轨迹进行移动；移动过程中，壳体发生六轴位移；壳体发生六轴位移时对球形感知单元产生作用力并使球形感知单元产生位移；
S2，柔性PCB板将球形感知单元的位移量转变为球形感知单元的导通状态；
S3，根据球形感知单元的导通状态，进行模糊融合得到球形感知单元的响应信号；
S4，将球形感知单元的响应信号映射到壳体的六轴位移数据；
S5，将得到的壳体的六轴位移数据对应的轨迹作为机器人末端执行器的运动轨迹。
S3包括如下步骤：
S3.1，定义球形感知单元占空比DR为观测时间段内球形感知单元通断触发的次数与球形感知单元采样次数的比值；定义球形感知单元的周边球形感知单元响应系数ZB为：
Figure BDA0002318383020000031
式中：n为同一感知层内的周边相邻球形感知单元的数量，对于圆周布局层，取n＝4；对于切向布局层，取n＝3；对于轴向布局层，取n＝2；DRi为相邻球形感知单元的占空比值，i为正整数；
S3.2，通过将球形感知单元占空比DR和周边单元响应系数ZB作为模糊变量进行模糊信息融合，实现对球形感知单元微位移的综合描述，得到球形感知单元响应信号。
S3.2包括如下步骤：
S3.2.1，根据Mamdani推理方法对输入模糊变量DR和ZB进行推理得到输出模糊变量；
S3.2.2，采用重心法去除输出模糊变量；
S2.2.3，经过去模糊处理后得到球形感知单元响应信号。
S4中，球形感知单元的响应信号与壳体的六轴位移数据的映射关系为Si→Δl，其中，Si为第i个球形感知单元响应信号，ΔL为壳体六轴位移。
S1中，在外部环境或者人手的牵引作用下，牵引壳体沿目标轨迹进行移动；人手牵引作用力或外部环境交互力的方向与壳体的位移一致。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的工业机器人末端运动感知装置通过在刚性轴上固定安装压板，在压板与壳体之间设置能够感知壳体相对于刚性轴发生的六轴位移的多个球形感知单元，壳体在移动过程中能够作用于球形感知单元上，因此球形感知单元能实现对壳体六轴位移的精确测量和全方位感知。利用上连接法兰能够与工业机器人末端法兰连接，利用下连接法兰能够与工业机器人末端执行器连接，针对轨迹规划难度大的区域，通过直接牵引和引导壳体的方式对工业机器人末端进行路径规划，能够直接省去复杂的工件造型步骤以及复杂算法的作业任务分片等步骤，能够显著简化轨迹规划流程。
进一步的，设置缓冲层能够保护柔性PCB板和微型薄膜敏感元件在多次按压后防止疲劳损坏。
由上述本发明工业机器人末端运动感知装置的有益效果可以看出，本发明末端运动感知方法在对工业机器人末端进行路径规划时，能够直接省去复杂的工件造型步骤以及复杂算法的作业任务分片，能够显著简化轨迹规划流程，具有易操作性和简便性，在特种设备制造领域有着重大意义。
附图说明
图1为本发明工业机器人末端运动感知装置的剖视图；
图2为本发明工业机器人末端运动感知装置的主视图(去除其中一块壳体分片)；
图3为本发明工业机器人末端运动感知装置的***视图；
图4为本发明一实施例中工业机器人末端运动感知装置球形感知单元结构图；
图5为本发明工业机器人末端运动感知辨识方法流程图；
图6为本发明工业机器人末端运动感知辨识方法球形感知单元模糊信息融合器构建流程图；
图中：1为末端压板，2为壳体，2-1-挡块，3为上连接法兰，4为圆周压板，5为刚性轴，6为下连接法兰，7为柔性PCB板，8为侧压板，9为球形感知单元，901为传力钢球，902为微型薄膜敏感元件，903为硅胶绝缘缓冲层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。
参见图1～图3，本发明工业机器人末端运动感知装置包括壳体2、上连接法兰3、刚性轴5、下连接法兰6和柔性PCB板7，壳体2为中空壳体，壳体2套于刚性轴5的外部，壳体2与刚性轴5同轴，刚性轴5的两端分别穿出壳体2的两个底面，上连接法兰3和下连接法兰6分别与刚性轴5的上下两端刚性连接；刚性轴5上在位于壳体2中的部分固定连接有压板，压板与壳体2之间设有能够感知壳体2相对于刚性轴5发生的六轴位移的多个球形感知单元9，柔性PCB板7安装在刚性轴5上，球形感知单元9与柔性PCB板7连接。
作为本发明优选的实施方案，参见图4，本发明的压板上开设有通孔，柔性PCB板7位于压板与刚性轴5之间，柔性PCB板7延伸至所述通孔处；球形感知单元9包括传力钢球901、微型薄膜敏感元件902和硅胶绝缘缓冲层903；微型薄膜敏感元件902设置在所述通孔底部并与柔性PCB板7连接；传力钢球901设置于所述通孔中，传力钢球901能在所述通孔中自沿通孔的轴向移动并挤压微型薄膜敏感元件902上；壳体2能够将外部交互力传递到传力钢球901上；柔性PCB板7在与微型薄膜敏感元件902相对的一侧设置硅胶绝缘缓冲层903。
作为本发明优选的实施方案，参见图1～图3，本实施例的工业机器人末端运动感知装置中，为实现运动交互感知，压板包括末端压板1、圆周压板4和侧压板8，壳体2为中空的圆柱形壳体，壳体2套于刚性轴5的外部，壳体2与刚性轴5同轴，刚性轴5的上端和下端分别穿出壳体2的上底和下底，上连接法兰3和下连接法兰6分别与刚性轴5的上下两端刚性连接(可通过螺栓等方式固定连接，使得连接后的结构刚性要好)，上连接法兰3能够与工业机器人末端法兰连接，下连接法兰6能够与工业机器人末端执行器连接；刚性轴5的中部沿刚性轴5的轴线呈圆周阵列分布有若干组两两一组且镜像对称分布的侧压板8；侧压板8上安装有球形感知单元9，每组的两个侧压板8之间设有挡块2-1，挡块2-1延伸至同一组两个侧压板8上的球形感知单元9之间，挡块2-1固定在壳体2上，当壳体2相对于刚性轴5转动时，挡块2-1能够从刚性轴5的周向接触球形感知单元9；刚性轴5在侧压板8的上下两侧均套接有圆周压板4，圆周压板4沿周向均匀安装有若干球形感知单元9，圆周压板4上安装的若干球形感知单元9能够与壳体2两端的内侧壁接触；上侧的圆周压板4上端面和下侧的圆周压板4下端面均连接有末端压板1，末端压板1为圆环状并套在刚性轴5上，末端压板1沿其周向均匀安装有若干球形感知单元9，上侧的末端压板1安装的若干球形感知单元9能够与壳体2的上底接触，下侧的末端压板1安装的若干球形感知单元9能够与壳体2的下底接触；球形感知单元9用于感知壳体2相对于刚性轴5发生的六轴位移；柔性PCB板7固定安装于刚性轴5上，球形感知单元9与柔性PCB板7连接。
作为本发明优选的实施方案，壳体2沿其周向均分为至少四个壳体分片，所有壳体分片之间通过螺钉连接在一起，每个壳体分片上设有至少一个挡块2-1。所有壳体分片位于工业机器人末端运动感知装置的最外侧且关于刚性轴5的轴线呈圆周阵列分布。壳体沿其周向均分为至少四个壳体分片，所有壳体分片之间通过螺钉连接在一起，该结构设计便于装配。圆周压板4沿其周向均分为至少四个圆周压板分片，四个圆周压板分片通过螺钉连接在刚性轴5上，每个圆周压板分片上设置至少一组侧压板8。圆周压板沿其周向均分为至少四个圆周压板分片，四个圆周压板分片通过螺钉连接在刚性轴上，该结构设计便于装配。
作为本发明优选的实施方案，上连接法兰3、下连接法兰6和刚性轴5之间连接后的刚性要高，这样才能使得整个工业机器人末端运动感知装置的刚度，不影响机器人自身末端的负载能力。
作为本发明优选的实施方案，末端压板1、圆周压板4以及侧压板8上均开设有圆形通孔，柔性PCB板7延伸至圆形通孔的底部；球形感知单元9包括传力钢球901、微型薄膜敏感元件902和硅胶绝缘缓冲层903；微型薄膜敏感元件902设置在圆形通孔中并与柔性PCB板7连接，传力钢球901设置于圆形通孔中并能以360度自由滚动旋转，传力钢球901还能够在所述圆形通孔中沿圆形通孔的轴线移动，传力钢球901与圆形通孔之间稍有间隙即可；壳体2能够将外部交互力传递到传力钢球901上，传力钢球901能够在圆形通孔的约束下产生沿主矢方向的位移并将产生的沿主矢方向的位移作用到微型薄膜敏感元件902上，微型薄膜敏感元件902在传力钢球901的作用下能够改变导通状态，柔性PCB板的电路能够根据微型薄膜敏感元件902的导通状态进行处理并输出球形感知单元响应信号；柔性PCB板7在与微型薄膜敏感元件902相对的一侧设置硅胶绝缘缓冲层903。硅胶绝缘缓冲层903起到缓冲作用。参见图3，位于刚性轴5的上下端部的位置各布置一块末端压板1；刚性轴5的两端沿周向各均布四块结构相同的圆周压板4；侧压板8两两一组且镜像对称，布置于刚性轴5的中部，进而形成轴向布局层、径向布局层、圆周布局层的三层结构，实现末端运动感知装置的六轴微位移感知。
参见图2，作为本发明优选的实施方案，本发明提供的工业机器人末端运动感知装置，柔性PCB板7设置四块，四块柔性PCB板7均紧密安装在刚性轴5上，位于刚性轴5表面且关于刚性轴5的轴线呈圆周阵列分布。
参见图5，本发明的工业机器人末端运动感知辨识方法，通过所述的工业机器人末端运动感知装置进行，所述的工业机器人末端运动感知装置采用了分布小球微动传力结构实现对外部交互力的准确采集，作用于末端运动感知装置上的交互力通过球形感知单元9传递到柔性PCB板，包括如下步骤：
步骤一、人手或环境对机工业器人末端运动感知装置施加预定轨迹
在外部环境或者人手的牵引作用下，使机器人末端运动感知装置按预定轨迹运动。运动过程中，近似认为人手牵引作用力或外部交互力的方向与末端运动感知器壳体的位移一致。
步骤二、壳体发生六轴位移
壳体在外部交互力或人手的作用下是刚性体，不发生变形，进而外部交互力或人手使机器人末端运动感知器装置的壳体发生六轴位移。
步骤三、球形感知单元发生微位移
壳体将外部交互力或人手牵引力传递到球形感知单元上，进而传递到球形感知单元的传力钢球上，传力钢球在圆周压板、侧压板、末端压板内无自由间隙、摩擦非常小，故主要只产生沿主矢方向的位移，位移作用到微型薄膜敏感元件上，经过微型薄膜敏感元件上搭载的柔性PCB板电路处理，将位移量转变为导通状态。
步骤四、模糊融合得到球形感知单元响应信号
球形感知单元响应信号预处理原因
由微型薄膜敏感元件的导通状态得到了每个球形感知单元响应信号。但由于微型薄膜敏感元件本质上是一种直接将位移量转化为简单二值量的装置。即当位移量大于响应阈值时，微型薄膜敏感元件输出为高电平；当位移量小于响应阈值时，微型薄膜敏感元件输出为低电平。
由于各球形感知单元的二值辨识输出量严重模糊了球形感知单元微位移量，该过程中引入了极大的误差进而严重影响了整个末端运动感知装置的辨识精度。
因此，为了保证整个末端运动感知装置的辨识精度，必须对球形感知单元的输出二值量信息进行合理的预处理，以尽可能小的误差表征球形感知单元的实际微位移。
球形感知单元响应信号预处理手段：模糊融合，包括如下步骤：
(1)、球形感知单元状态参数选择
定义球形感知单元占空比DR为观测时间段内球形感知单元通断触发的次数与球形感知单元采样次数的比值；定义球形感知单元的周边球形感知单元响应系数ZB为：
Figure BDA0002318383020000081
式中：n为同一感知层内的周边相邻球形感知单元的数量，对于圆周布局层，取n＝4；对于切向布局层，取n＝3；对于轴向布局层，取n＝2；DRi为相邻球形感知单元的占空比值，i为正整数，为球形感知单元的数量。
(2)、模糊信息融合器设计
通过将球形感知单元占空比和周边单元响应系数作为模糊变量进行模糊信息融合，实现对球形感知单元微位移的综合描述，如图6所示，包括如下步骤：
(2.1)根据Mamdani(最大-最小)推理方法对输入模糊变量(DR和ZB)进行推理得到输出模糊变量。
(2.2)采用重心法去除输出模糊变量。
(2.3)经过去模糊处理后得到球形感知单元响应信号。
步骤五，得到壳体六轴位移
将经过预处理的球形感知单元响应信号映射到壳体六轴位移，映射关系为Si→Δl；其中Si为第i个球形感知单元响应信号，ΔL为壳体六轴位移。通过模糊推理的方法进行球形感知单元9状态的预处理，解决球形感知单元9信号与球形感知单元9微位移不匹配问题，从而完成辨识过程。
步骤六，复现机器人末端运动感知装置预定轨迹
根据得到的壳体六轴位移数据，控制机器人按照位移数据运动，实现轨迹的复现。
综上所述，本发明的优点体现在：
本发明提供的一种工业机器人末端运动感知装置及辨识方法，通过覆盖在刚性轴5末端的末端压板1、圆周阵列布置的圆周压板4、两两镜像对称布置的侧压板8，其上的球形感知单元9能实现对六轴微位移的精确测量和全方位感知。
引入模糊信息融合，提高了球形感知单元9与六轴微位移的匹配度。
通过利用本发明末端运动感知装置可以不降低工业机器人末端负载能力和刚性。
本发明提供的一种工业机器人末端运动感知辨识方法，可以实现轨迹规划的易操作性和简便性，在特种设备制造领域有着重大意义。
以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，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本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种工业机器人末端运动感知装置，其特征在于，包括壳体(2)、上连接法兰(3)、刚性轴(5)、下连接法兰(6)和柔性PCB板(7)，壳体(2)为中空壳体，壳体(2)套于刚性轴(5)的外部，壳体(2)与刚性轴(5)同轴，刚性轴(5)的两端分别穿出壳体(2)的两个底面，上连接法兰(3)和下连接法兰(6)分别与刚性轴(5)的上下两端刚性连接；刚性轴(5)上在位于壳体(2)中的部分固定连接有压板，压板与壳体(2)之间设有能够感知壳体(2)相对于刚性轴(5)发生的六轴位移的多个球形感知单元(9)，柔性PCB板(7)安装在刚性轴(5)上，球形感知单元(9)与柔性PCB板(7)连接；
压板上开设有通孔，柔性PCB板(7)位于压板与刚性轴(5)之间，柔性PCB板(7)延伸至所述通孔处；
球形感知单元(9)包括传力钢球(901)、微型薄膜敏感元件(902)和硅胶绝缘缓冲层(903)；微型薄膜敏感元件(902)设置在所述通孔底部并与柔性PCB板(7)连接；传力钢球(901)设置于所述通孔中，传力钢球(901)能在所述通孔中自沿通孔的轴向移动并挤压微型薄膜敏感元件(902)上；壳体(2)能够将外部交互力传递到传力钢球(901)上；柔性PCB板(7)在与微型薄膜敏感元件(902)相对的一侧设置硅胶绝缘缓冲层(903)。
2.一种工业机器人末端运动感知辨识方法，其特征在于，通过权利要求1所述的工业机器人末端运动感知装置进行，包括如下过程：
S1，将上连接法兰(3)与工业机器人末端法兰连接，牵引壳体(2)沿目标轨迹进行移动；移动过程中，壳体(2)发生六轴位移；壳体(2)发生六轴位移时对球形感知单元(9)产生作用力并使球形感知单元(9)产生位移；
S2，柔性PCB板(7)将球形感知单元(9)的位移量转变为球形感知单元(9)的导通状态；
S3，根据球形感知单元(9)的导通状态，进行模糊融合得到球形感知单元(9)的响应信号；
S4，将球形感知单元(9)的响应信号映射到壳体(2)的六轴位移数据；
S5，将得到的壳体(2)的六轴位移数据对应的轨迹作为机器人末端执行器的运动轨迹。
3.根据权利要求2所述的一种工业机器人末端运动感知辨识方法，其特征在于，S3包括如下步骤：
S3.1，定义球形感知单元占空比DR为观测时间段内球形感知单元通断触发的次数与球形感知单元采样次数的比值；定义球形感知单元的周边球形感知单元响应系数ZB为：
Figure FDA0002742863570000021
式中：n为同一感知层内的周边相邻球形感知单元的数量，对于圆周布局层，取n＝4；对于切向布局层，取n＝3；对于轴向布局层，取n＝2；DRi为相邻球形感知单元的占空比值，i为正整数；
S3.2，通过将球形感知单元占空比和周边单元响应系数作为模糊变量进行模糊信息融合，实现对球形感知单元微位移的综合描述，得到球形感知单元响应信号。
4.根据权利要求3所述的一种工业机器人末端运动感知辨识方法，其特征在于，S3.2包括如下步骤：
S3.2.1，根据Mamdani推理方法对输入模糊变量DR和ZB进行推理得到输出模糊变量；
S3.2.2，采用重心法去除输出模糊变量；
S2.2.3，经过去模糊处理后得到球形感知单元响应信号。
5.根据权利要求2所述的一种工业机器人末端运动感知辨识方法，其特征在于，S4中，球形感知单元(9)的响应信号与壳体(2)的六轴位移数据的映射关系为Si→Δl，其中，Si为第i个球形感知单元响应信号，ΔL为壳体六轴位移。
6.根据权利要求2-5任意一项所述的一种工业机器人末端运动感知辨识方法，其特征在于，S1中，在外部环境或者人手的牵引作用下，牵引壳体(2)沿目标轨迹进行移动；人手牵引作用力或外部环境交互力的方向与壳体(2)的位移一致。
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