CN112720473A - 一种薄壁大螺纹件装配的九自由度机器人拧紧控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄壁大螺纹件装配的九自由度机器人拧紧控制方法，该机器人拧紧控制***包括拧紧控制器、位于底部的用于上平台拧紧机构位姿调整的六自由度Stewart平台、固定在六自由度Stewart平台上的用于执行拧紧控制的三自由度串联机构；利用激光测距模块采集壳体与待装配螺栓件距离信息，通过位姿补偿算法实现螺栓件与壳体的轴向对准及贴合阶段的位姿误差修正；使用基于位姿/扭矩/转角控制器的切换控制方法，根据多种异质传感器反馈信息执行分段切换控制策略；本发明实现了薄壁大螺纹件装配中的自动对准、误差补偿、拧紧控制操作，可减少螺纹副卡死现象的发生概率，有效提高了薄壁大螺纹件的装配效率与质量。

Description

一种薄壁大螺纹件装配的九自由度机器人拧紧控制方法

技术领域

本发明属于大螺纹件装配作业中机器人控制技术领域，具体涉及一种薄壁大螺纹件装配的九自由度机器人拧紧控制方法。

背景技术

螺纹联接件是机械装配中最常见的机械产品之一，其中拧紧控制技术是螺纹件装配的核心技术，关系到联结的可靠性与产品的整体质量。与普通的小尺寸螺纹联接件相比，薄壁大螺纹件，外径与壁厚的比值大于20的圆管形零件，由于尺寸与结构上的特点，装配工艺特殊、装配难度较大。这类零件内螺纹径向刚度较小，在受到径向载荷时可能发生形变，致使螺纹副摩擦力显著增大。当螺纹副的摩擦阻力矩大于大螺纹装配的设计扭矩时，螺纹副发生卡死现象，进而会对薄壁大螺纹件的装配质量造成影响。

由于薄壁大螺纹件装配工艺的特殊性，其装配难以利用现有拧紧控制方法完成。目前这类零件的装配多采用人工操作实现，不仅对操作人员的经验要求较高，且装配效率也较为低下。因此，急需一种针对这类特殊螺纹件的自动拧紧控制方法，以提高装配效率与合格率。

发明内容

有鉴于此，为解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种薄壁大螺纹件装配的九自由度机器人拧紧控制方法，通过使用基于九自由度装配机器人的拧紧控制***，实现了薄壁大螺纹件装配中的自动对准、误差补偿、拧紧控制操作，可减少螺纹副卡死现象的发生概率，有效提高了薄壁大螺纹件的装配效率与质量。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种薄壁大螺纹件装配的九自由度机器人拧紧控制方法，该机器人拧紧控制***包括拧紧控制器、位于底部的用于上平台拧紧机构位姿调整的六自由度Stewart平台、固定在六自由度Stewart平台上的用于执行拧紧控制的三自由度串联机构、位于末端并固定待装配螺栓件的旋转电机、位于前方的薄壁大螺纹壳体以及直线电机，所述壳体外壁沿圆周方向设有多个激光测距模块，机器人关节处均设有编码器与力矩传感器；所述拧紧控制器包括单个监督器和多个独立控制器；

该拧紧控制方法包括以下步骤：

S1：建立九自由度装配机器人运动学模型；

S2：初始化配置：包括参数配置：控制器参数、壳体属性参数；硬件配置：激光测距模块；软件配置：监督器切换规则；

S3：进行初对准，监督器切换至位姿控制器，根据激光测距模块读数输出位姿修正控制量；

S4：进入贴合阶段，监督器根据测距、转角和扭矩反馈及切换规则激活适应当前工况的适应控制器，以实现螺栓件与壳体的顺利贴合；

S5：进入拧紧阶段，通过扭矩-转角串级双闭环控制器增加螺纹联结预紧力，完成薄壁大螺纹件紧固。

进一步的，所述拧紧控制器的多个所述的独立控制器包括：位姿控制器、适应控制器、扭矩-转角串级双闭环控制器。

进一步的，所述壳体通过合金支架水平固定于机器人前方，壳体的轴线与直线电机的前进方向保持一致。

进一步的，所述步骤S2，具体包括以下子步骤：

S21：参数设置：包括对控制器参数进行整定以及对壳体相关参数进行测量；

S211：控制器均采用PID控制，根据阶跃响应分别对比例、积分、微分参数进行配置；

S212：壳体相关参数：采用蒙特卡洛法对螺纹距P、壳体内径r、非预紧和预紧阶段临界点的转角阈值α_s和扭矩阈值T_s、屈服点扭矩T_y以及装配完成时的设计扭矩T_d进行测量；其中，螺纹距P用于确定直线关节线速度与末端旋转关节角速度之间的关系，转角阈值α_s和扭矩阈值T_s用于在后续执行拧紧控制阶段判断是否需要对执行器末端进行位姿修正，扭矩T_d用于作为判断拧紧任务是否完成的终止条件；

S22：硬件设置：6个激光测距模块以间隔60度分别固定于待装配的壳体外壁且置于同一平面并平行于壳体切面；对激光测距模块的测距量程范围进行统一配置，根据量程设置转角初始点α₀和轴向对准参考测距标准差σ_s；在拧紧控制过程中，激光测距模块用于测量其与螺纹件凸出外壁距离，进而辅助位姿调整，防止因同轴一致性不高导致的螺纹件卡死；

S23：软件设置：监督器接收末端执行器扭矩、转角及测距传感器反馈T_m、α_m、d_m＝[d₁,d₂,...,d₆]，输出控制器选择指令o＝[o₁,o₂,o₃]，其中o_i(i＝1,2,3)为布尔变量，取值为1或0，依次表示是否选择使用位姿、转角和扭矩控制器，具体规则为：

If σ_m≥σ_sandα_m＝α₀，then o＝[1,0,0]

If σ_m≥σ_sandα_m＜α_sand T_m≥T_s，then o＝[1,0,0]

If σ_m＜σ_sandα_m＜α_sand T_m＜T_s，then o＝[0,1,0]

If σ_m＜σ_sandα_m≥α_sand T_m＜T_s，then o＝[0,0,1]

If α_m≥α_sand T_m≥T_s，then o＝[0,1,1]

If α_m≥α_sand T_m≥T_d，then o＝[0,0,0]

其中，σ_m是6个激光测距传感器读数的标准差：

为测距传感器读数的均值。

进一步的，所述步骤S3，具体包括以下子步骤：

S31：任务开始时，转角α_m等于初值α₀，此时若测距标准差σ_m大于等于σ_s，表明螺栓件与壳体切面没有平行，需要执行初对准操作以使它们轴向对准，直至转角α_m小于误差阈值σ_s；

S32：假设k时刻螺纹件末端圆心在下平台静坐标系中坐标与姿态角分别为x_c,k,y_c,k,z_c,k,θ_k,φ_k,

那么俯仰角修正量

偏航角修正量

滚转角无需修正；则k+1时刻修正后的上平台姿态期望值为：

θ_k+1＝θ_k+Δθ_k

S33：为了对执行器末端因姿态变化导致的位移进行补偿，还需要对x、y、z轴偏移量进行修正；假设已知k时刻所有电机控制量为u_k，那么可利用九自由度装配机器人正运动学模型f(·)计算出(x_c,k,y_c,k,z_c,k)，然后计算执行器末端在x、y、z轴相应的偏移修正量：(Δx_k,Δy_k,Δz_k)＝T_k·(x_c,k,y_c,k,z_c,k)-(x_c,k,y_c,k,z_c,k)；

其中T_k为根据解算出的相对俯仰与偏航角对应的旋转矩阵：

那么六自由度平台动坐标系原点的期望坐标为：

x_c,k+1＝x_c,k+Δx_k

y_c,k+1＝y_c,k+Δy_k

z_c,k+1＝z_c,k+Δz_k；

将x_c,k+1,y_c,k+1,z_c,k+1,θ_k+1,

带入九自由度装配机器人逆运动学方程F(·)中，计算出初对准控制量u_base,k+1，执行对准操作；

S34：最后，计算6个测距传感器读数的标准差σ_m，如果其小于标准差阈值σ_s，则完成初对准，否则再次执行S3，直至σ_m小于σ_s，从而实现壳体与螺纹件的轴向对准。

进一步的，所述步骤S4，具体包括以下子步骤：

S41：贴合过程中，监督器根据转角与扭矩反馈判断是否需要执行位姿修正：若实际转角α_m未达到预紧临界的转角阈值α_s，则执行转角控制，直至达到α_s；

S42：在接近α_s过程中，监督器将切换至位姿控制器，通过输出u_base以修正位姿误差，当测距标准差小于σ_s且扭矩反馈T_m恢复至T_s以内，则继续切换至转角控制器；

S43：相反，若α_m已超过α_s，但实际扭矩却未达到临界扭矩T_s，此时需要调用扭矩控制器输出扭矩k_tT₀，其中k_t线性递增，直至满足预紧临界扭矩阈值T_s。

进一步的，所述步骤S5，具体包括以下子步骤：

S51：若实际转角α_m与扭矩T_m均超过预紧临界的转角阈值α_s与扭矩阈值T_s，表明进入拧紧阶段；

S52：采用串级双闭环***实现对扭矩和转角的精确控制：监督器将同时激活转角与扭矩控制器；其中，外环转角PID控制器输出转角控制量，与期望转矩同时经过转矩限幅器，然后作为内环电流PID控制器输入，输出电流控制量经PWM同步调节器实现对电机转角、扭矩控制，电机扭矩传感器与编码器将实际扭矩与转角反馈至相应控制器，形成双闭环回路；

S53：拧紧扭矩与预紧力和电流的关系为T＝2k₁Fr＝k₂i_a；

可知拧紧力矩T与预紧力F和电枢电流i_a均为线性关系，其中拧紧力矩系数k₁包含对拧紧力矩和预紧力关系的影响因素，如螺纹的摩擦系数、螺栓的相关参数等；k₂为直流电动机电磁转矩系数、扭矩传动系数等，r为螺栓公称半径；

S54：同时，由上式可知，F与i_a也为线性关系，因此，扭矩控制器通过控制电流大小实现预紧力控制；类似地，转角与螺栓预紧力的关系为

可知拧紧阶段预紧力F与转角α也为线性关系，其中C_s为螺纹联结***刚度，P为螺距；转角控制器通过转角控制同样可实现螺栓预紧力控制；

S55：采用扭矩-转角串级双闭环控制***以提高控制精度，控制策略如下：由预紧力与拧紧扭矩和转角关系可知，拧紧扭矩与转角同样为线性关系，因此该阶段首先仅执行转角控制，记录连续的M个转角[α₁,α₂,...,α_M]对应的扭矩反馈值[T₁,T₂,...,T_M]，使用最小二乘法拟合扭矩-转角斜率K_α：

然后以期望转角α_d和期望扭矩K_αα_d执行转角-扭矩双闭环串级控制，使螺纹副预紧力逐渐增大；由于拧紧阶段螺栓件的位姿已修正完成，因此该阶段无需使用测距反馈信息；当扭矩反馈T_m达到设计拧紧扭矩T_d，表明当前扭矩满足设计扭矩指标，拧紧任务结束。

本发明的有益效果是：

本发明的一种薄壁大螺纹件装配的九自由度机器人拧紧控制方法，通过使用基于九自由度装配机器人的拧紧控制***，实现了薄壁大螺纹件装配中的自动对准、误差补偿、拧紧控制操作，可减少螺纹副卡死现象的发生概率，有效提高了薄壁大螺纹件的装配效率与质量；

本发明根据薄壁大螺纹件特点，设计一种薄壁大螺纹件自动拧紧控制方法，该方法具有以下优点：(1)拧紧控制通过九自由度装配机器人实现，装配效率高，无需人为干预；(2)利用激光测距阵列采集壳体与螺栓件距离信息，通过位姿补偿算法对误差进行修正，可有效减少因轴向不一致性导致螺纹件卡死现象的发生；(3)使用基于位姿/扭矩/转角控制器的切换控制方法，根据多种异质传感器反馈信息执行分段切换策略，以保证装配质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的控制流程图；

图2为激光测距模块在壳体横切面的位置分布示意图；

图3为基于九自由度机器人的薄壁大螺纹件拧紧控制原理图；

图4为螺栓件拧紧过程扭矩-转角关系示意图；

图5为拧紧阶段扭矩-转角双闭环控制算法原理图。

具体实施方式

下面给出具体实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整、详细地说明。本实施例是以本发明技术方案为前提的最佳实施例，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种薄壁大螺纹件装配的九自由度机器人拧紧控制方法，该机器人拧紧控制***包括拧紧控制器、位于底部的用于上平台拧紧机构位姿调整的六自由度Stewart平台、固定在六自由度Stewart平台上的用于执行拧紧控制的三自由度串联机构、位于末端并固定待装配螺栓件的旋转电机、位于前方的薄壁大螺纹壳体以及直线电机，上下平台通过6个直线伺服电动缸连接而成，电动缸与上下平台则通过虎克铰连接，通过控制6个电动缸伸缩可实现上动平台位置、姿态的调整；三自由度串联机构为直线关节-纵向旋转关节-末端旋转关节串联；待装配螺栓件固定在末端旋转电机卡槽，其中，直线关节用于推进待装配螺栓件，纵向旋转关节用于将待装配螺栓件从垂直放置状态翻转至水平状态，末端旋转关节配合直线关节执行拧紧控制；所述壳体外壁沿圆周方向设有多个微型的激光测距模块，激光测距模块采用激光测距传感器，用于实现同轴一致性对准及位姿补偿计算；机器人关节处均设有编码器与力矩传感器，用于感知螺纹件拧紧状态，进而辅助拧紧控制器工作；所述拧紧控制器包括单个监督器和多个独立控制器；监督器根据传感器反馈信息判断拧紧状态，然后输出控制器选择信号以适应当前工况，通过切换控制保证拧紧任务顺利完成；

该拧紧控制方法包括以下步骤：

S1：建立九自由度装配机器人运动学模型；

S2：初始化配置：包括参数配置：控制器参数、壳体属性参数；硬件配置：激光测距模块；软件配置：监督器切换规则；

S3：进行初对准，监督器切换至位姿控制器，根据激光测距模块读数输出位姿修正控制量；

S4：进入贴合阶段，监督器根据测距、转角和扭矩反馈及切换规则激活适应当前工况的适应控制器，以实现螺栓件与壳体的顺利贴合；

S5：进入拧紧阶段，通过扭矩-转角串级双闭环控制器增加螺纹联结预紧力，完成薄壁大螺纹件紧固。

进一步的，所述拧紧控制器的多个所述的独立控制器包括：位姿控制器、适应控制器、扭矩-转角串级双闭环控制器。

进一步的，所述壳体通过合金支架水平固定于机器人前方，壳体的轴线与直线电机的前进方向保持一致。

进一步的，所述步骤S1，具体包括以下子步骤：

S11：首先，建立底部六自由度平台逆运动学模型；设置下平台静坐标系(参考坐标系)与动坐标系；根据六自由度机械平台参数(上下平台半径、初始高度、铰点间距)计算上下平台铰点坐标，求得静坐标系到动坐标系的变换矩阵R；利用上、下铰支点间的距离减去相应电动缸的初始长度求得缸体伸缩量实现运动学反解，得到逆运动学模型：

其中F₁为六自由度平台逆运动学方程，表示位姿到电动缸控制量的映射关系；u_base＝[u₁,u₂,u₃,u₄,u₅,u₆]^T，u_i表示第i个电动缸的伸缩控制量，x、y、z表示下平台动坐标系坐标，θ、φ、

分别为俯仰、滚转、偏航角。进一步地，联合变换矩阵R，可得到六自由度平台的正运动模型：

其中f₁为六自由度平台正运动学方程，表示电动缸控制量到位姿的映射；

S12：设置上平台静坐标系，使用D-H法建立上方三自由度串联平台的正逆运动学模型；

[x_e,y_e,z_e,α]＝f₂(u_joint)

u_joint＝F₂(x_e,y_e,z_e,α)；

其中f₂和F₂分别为三自由度串联机构正、逆运动学方程，(x_e,y_e,z_e)表示螺纹件末端圆心在上平台静坐标系中坐标，α为末端旋转关节旋转角度，u_joint＝[u₇,u₈,u₉]^T分别为三串联关节电机控制量；

S13：将下平台动坐标系与上平台静坐标系重合，通过组合建立九自由度装配机器人正逆运动学模型：

其中

为控制向量，(x_c,y_c,z_c)表示螺纹件末端圆心在下平台静坐标系中坐标。

进一步的，所述步骤S2，具体包括以下子步骤：

S21：参数设置：包括对控制器参数进行整定以及对壳体相关参数进行测量；

S211：控制器均采用PID控制，根据阶跃响应分别对比例、积分、微分参数进行配置；

S212：壳体相关参数：采用蒙特卡洛法对螺纹距P、壳体内径r、非预紧和预紧阶段临界点的转角阈值α_s和扭矩阈值T_s、屈服点扭矩T_y以及装配完成时的设计扭矩T_d进行测量；其中，螺纹距P用于确定直线关节线速度与末端旋转关节角速度之间的关系，转角阈值α_s和扭矩阈值T_s用于在后续执行拧紧控制阶段判断是否需要对执行器末端进行位姿修正，扭矩T_d用于作为判断拧紧任务是否完成的终止条件；

S22：硬件设置：主要对激光测距模块进行配置；6个激光测距模块以间隔60度分别固定于待装配的壳体外壁且置于同一平面并平行于壳体切面；对激光测距模块的测距量程范围进行统一配置，根据量程设置转角初始点α₀和轴向对准参考测距标准差σ_s；在拧紧控制过程中，激光测距模块用于测量其与螺纹件凸出外壁距离，进而辅助位姿调整，防止因同轴一致性不高导致的螺纹件卡死；

S23：软件设置：主要对监督器的切换规则进行设置；监督器接收末端执行器扭矩、转角及测距传感器反馈T_m、α_m、d_m＝[d₁,d₂,...,d₆]，输出控制器选择指令o＝[o₁,o₂,o₃]，其中o_i(i＝1,2,3)为布尔变量，取值为1或0，依次表示是否选择使用位姿、转角和扭矩控制器，具体规则为：

If σ_m≥σ_sandα_m＝α₀，then o＝[1,0,0]

If σ_m≥σ_sandα_m＜α_sand T_m≥T_s，then o＝[1,0,0]

If σ_m＜σ_s andα_m＜α_sand T_m＜T_s，then o＝[0,1,0]

If σ_m＜σ_s andα_m≥α_sand T_m＜T_s，then o＝[0,0,1]

If α_m≥α_sand T_m≥T_s，then o＝[0,1,1]

If α_m≥α_sand T_m≥T_d，then o＝[0,0,0]

其中，σ_m是6个激光测距传感器读数的标准差：

为测距传感器读数的均值。

进一步的，所述步骤S3，具体包括以下子步骤：

S31：任务开始时，转角α_m等于初值α₀，此时若测距标准差σ_m大于等于σ_s，表明螺栓件与壳体切面没有平行，需要执行初对准操作以使它们轴向对准，直至转角α_m小于误差阈值σ_s；

S32：假设k时刻螺纹件末端圆心在下平台静坐标系中坐标与姿态角分别为x_c,k,y_c,k,z_c,k,θ_k,φ_k,

那么俯仰角修正量

偏航角修正量

滚转角无需修正；则k+1时刻修正后的上平台姿态期望值为：

θ_k+1＝θ_k+Δθ_k

S33：为了对执行器末端因姿态变化导致的位移进行补偿，还需要对x、y、z轴偏移量进行修正；假设已知k时刻所有电机控制量为u_k，那么可利用九自由度装配机器人正运动学模型f(·)计算出(x_c,k,y_c,k,z_c,k)，然后计算执行器末端在x、y、z轴相应的偏移修正量：(Δx_k,Δy_k,Δz_k)＝T_k·(x_c,k,y_c,k,z_c,k)-(x_c,k,y_c,k,z_c,k)；

其中T_k为根据解算出的相对俯仰与偏航角对应的旋转矩阵：

那么六自由度平台动坐标系原点的期望坐标为：

x_c,k+1＝x_c,k+Δx_k

y_c,k+1＝y_c,k+Δy_k

z_c,k+1＝z_c,k+Δz_k；

将x_c,k+1,y_c,k+1,z_c,k+1,θ_k+1,

带入九自由度装配机器人逆运动学方程F(·)中，计算出初对准控制量u_base,k+1，执行对准操作；

S34：最后，计算6个测距传感器读数的标准差σ_m，如果其小于标准差阈值σ_s，则完成初对准，否则再次执行S3，直至σ_m小于σ_s，从而实现壳体与螺纹件的轴向对准。

进一步的，所述步骤S4，具体包括以下子步骤：

S41：进入贴合阶段，螺栓受转角控制器控制旋入壳体，末端旋转关节转角α_m不断增加，但此时不会产生预紧力，只需控制直线关节线速度与末端旋转关节角速度以固定比P/2πr匀速转动，即转角线性增加；其中P为螺纹距，r为壳体内径；贴合过程中，监督器根据转角与扭矩反馈判断是否需要执行位姿修正：若实际转角α_m未达到预紧临界的转角阈值α_s，则执行转角控制，直至达到α_s；

S42：在接近α_s过程中，由于期望转速固定，若螺纹件与壳体轴线没有对准，螺纹间摩擦会显著增大，为了接近转角α_s，转角控制器会增大输出扭矩，扭矩反馈T_m将超过预紧临界扭矩T_s，如果进一步拧紧，可能会导致螺纹件卡死；此时，监督器将切换至位姿控制器，通过输出u_base以修正位姿误差，当测距标准差小于σ_s且扭矩反馈T_m恢复至T_s以内，则继续切换至转角控制器；

S43：相反，若α_m已超过α_s，但实际扭矩却未达到临界扭矩T_s，可能是由于螺纹件工艺误差等因素导致；此时需要调用扭矩控制器输出扭矩k_tT₀，其中k_t线性递增，直至满足预紧临界扭矩阈值T_s。

进一步的，所述步骤S5，具体包括以下子步骤：

S51：若实际转角α_m与扭矩T_m均超过预紧临界的转角阈值α_s与扭矩阈值T_s，表明进入拧紧阶段；

S52：在该阶段，需要控制预紧力使螺栓件与薄壁大螺纹壳体紧密咬合，同时还要避免预紧力过大超过屈服点导致不可逆塑性变形的发生；为此，采用串级双闭环***实现对扭矩和转角的精确控制：监督器将同时激活转角与扭矩控制器；其中，外环转角PID控制器输出转角控制量，与期望转矩同时经过转矩限幅器，然后作为内环电流PID控制器输入，输出电流控制量经PWM同步调节器实现对电机转角、扭矩控制，电机扭矩传感器与编码器将实际扭矩与转角反馈至相应控制器，形成双闭环回路；

S53：拧紧扭矩与预紧力和电流的关系为T＝2k₁Fr＝k₂i_a；

可知拧紧力矩T与预紧力F和电枢电流i_a均为线性关系，其中拧紧力矩系数k₁包含对拧紧力矩和预紧力关系的影响因素，如螺纹的摩擦系数、螺栓的相关参数等；k₂为直流电动机电磁转矩系数、扭矩传动系数等，r为螺栓公称半径；

S54：同时，由上式可知，F与i_a也为线性关系，因此，扭矩控制器通过控制电流大小实现预紧力控制；类似地，转角与螺栓预紧力的关系为

可知拧紧阶段预紧力F与转角α也为线性关系，其中C_s为螺纹联结***刚度，P为螺距；转角控制器通过转角控制同样可实现螺栓预紧力控制；

S55：为了保证预紧力大小满足装配要求，同时又要避免螺纹件的塑性变形，采用扭矩-转角串级双闭环控制***以提高控制精度，控制策略如下：由预紧力与拧紧扭矩和转角关系可知，拧紧扭矩与转角同样为线性关系，因此该阶段首先仅执行转角控制，记录连续的M个转角[α₁,α₂,...,α_M]对应的扭矩反馈值[T₁,T₂,...,T_M]，使用最小二乘法拟合扭矩-转角斜率K_α：

然后以期望转角α_d和期望扭矩K_αα_d执行转角-扭矩双闭环串级控制，使螺纹副预紧力逐渐增大；由于拧紧阶段螺栓件的位姿已修正完成，因此该阶段无需使用测距反馈信息；当扭矩反馈T_m达到设计拧紧扭矩T_d，表明当前扭矩满足设计扭矩指标，拧紧任务结束。

综上所述，本发明的一种薄壁大螺纹件装配的九自由度机器人拧紧控制方法，通过使用基于九自由度装配机器人的拧紧控制***，实现了薄壁大螺纹件装配中的自动对准、误差补偿、拧紧控制操作，可减少螺纹副卡死现象的发生概率，有效提高了薄壁大螺纹件的装配效率与质量。

以上显示和描述了本发明的主要特征、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，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，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。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 (7)

1.一种薄壁大螺纹件装配的九自由度机器人拧紧控制方法，其特征在于：该机器人拧紧控制***包括拧紧控制器、位于底部的用于上平台拧紧机构位姿调整的六自由度Stewart平台、固定在六自由度Stewart平台上的用于执行拧紧控制的三自由度串联机构、位于末端并固定待装配螺栓件的旋转电机、位于前方的薄壁大螺纹壳体以及直线电机，所述壳体外壁沿圆周方向设有多个激光测距模块，机器人关节处均设有编码器与力矩传感器；所述拧紧控制器包括单个监督器和多个独立控制器；

该拧紧控制方法包括以下步骤：

S1：建立九自由度装配机器人运动学模型；

S2：初始化配置：包括参数配置：控制器参数、壳体属性参数；硬件配置：激光测距模块；软件配置：监督器切换规则；

S3：进行初对准，监督器切换至位姿控制器，根据激光测距模块读数输出位姿修正控制量；

S4：进入贴合阶段，监督器根据测距、转角和扭矩反馈及切换规则激活适应当前工况的适应控制器，以实现螺栓件与壳体的顺利贴合；

S5：进入拧紧阶段，通过扭矩-转角串级双闭环控制器增加螺纹联结预紧力，完成薄壁大螺纹件紧固。

2.根据权利要求1所述的一种薄壁大螺纹件装配的九自由度机器人拧紧控制方法，其特征在于：所述拧紧控制器的多个所述的独立控制器包括：位姿控制器、适应控制器、扭矩-转角串级双闭环控制器。

3.根据权利要求1所述的一种薄壁大螺纹件装配的九自由度机器人拧紧控制方法，其特征在于：所述壳体通过合金支架水平固定于机器人前方，壳体的轴线与直线电机的前进方向保持一致。

4.根据权利要求1所述的一种薄壁大螺纹件装配的九自由度机器人拧紧控制方法，其特征在于：所述步骤S2，具体包括以下子步骤：

S21：参数设置：包括对控制器参数进行整定以及对壳体相关参数进行测量；

S211：控制器均采用PID控制，根据阶跃响应分别对比例、积分、微分参数进行配置；

S212：壳体相关参数：采用蒙特卡洛法对螺纹距P、壳体内径r、非预紧和预紧阶段临界点的转角阈值α_s和扭矩阈值T_s、屈服点扭矩T_y以及装配完成时的设计扭矩T_d进行测量；其中，螺纹距P用于确定直线关节线速度与末端旋转关节角速度之间的关系，转角阈值α_s和扭矩阈值T_s用于在后续执行拧紧控制阶段判断是否需要对执行器末端进行位姿修正，扭矩T_d用于作为判断拧紧任务是否完成的终止条件；

S22：硬件设置：6个激光测距模块以间隔60度分别固定于待装配的壳体外壁且置于同一平面并平行于壳体切面；对激光测距模块的测距量程范围进行统一配置，根据量程设置转角初始点α₀和轴向对准参考测距标准差σ_s；在拧紧控制过程中，激光测距模块用于测量其与螺纹件凸出外壁距离，进而辅助位姿调整，防止因同轴一致性不高导致的螺纹件卡死；

S23：软件设置：监督器接收末端执行器扭矩、转角及测距传感器反馈T_m、α_m、d_m＝[d₁,d₂,...,d₆]，输出控制器选择指令o＝[o₁,o₂,o₃]，其中o_i(i＝1,2,3)为布尔变量，取值为1或0，依次表示是否选择使用位姿、转角和扭矩控制器，具体规则为：

Ifσ_m≥σ_sand α_m＝α₀，then o＝[1,0,0]

Ifσ_m≥σ_sand α_m＜α_sand T_m≥T_s，then o＝[1,0,0]

Ifσ_m＜σ_sand α_m＜α_sand T_m＜T_s，then o＝[0,1,0]

Ifσ_m＜σ_sand α_m≥α_sand T_m＜T_s，then o＝[0,0,1]

Ifα_m≥α_sand T_m≥T_s，then o＝[0,1,1]

Ifα_m≥α_sand T_m≥T_d，then o＝[0,0,0]

其中，σ_m是6个激光测距传感器读数的标准差：

为测距传感器读数的均值。

5.根据权利要求1所述的一种薄壁大螺纹件装配的九自由度机器人拧紧控制方法，其特征在于：所述步骤S3，具体包括以下子步骤：

S31：任务开始时，转角α_m等于初值α₀，此时若测距标准差σ_m大于等于σ_s，表明螺栓件与壳体切面没有平行，需要执行初对准操作以使它们轴向对准，直至转角α_m小于误差阈值σ_s；

S32：假设k时刻螺纹件末端圆心在下平台静坐标系中坐标与姿态角分别为x_c,k,y_c,k,z_c,k,θ_k,φ_k,

那么俯仰角修正量

偏航角修正量

滚转角无需修正；则k+1时刻修正后的上平台姿态期望值为：

θ_k+1＝θ_k+Δθ_k

S33：为了对执行器末端因姿态变化导致的位移进行补偿，还需要对x、y、z轴偏移量进行修正；假设已知k时刻所有电机控制量为u_k，那么可利用九自由度装配机器人正运动学模型f(·)计算出(x_c,k,y_c,k,z_c,k)，然后计算执行器末端在x、y、z轴相应的偏移修正量：(Δx_k,Δy_k,Δz_k)＝T_k·(x_c,k,y_c,k,z_c,k)-(x_c,k,y_c,k,z_c,k)；

其中T_k为根据解算出的相对俯仰与偏航角对应的旋转矩阵：

那么六自由度平台动坐标系原点的期望坐标为：

x_c,k+1＝x_c,k+Δx_k

y_c,k+1＝y_c,k+Δy_k

z_c,k+1＝z_c,k+Δz_k；

将x_c,k+1,y_c,k+1,z_c,k+1,θ_k+1,

带入九自由度装配机器人逆运动学方程F(·)中，计算出初对准控制量u_base,k+1，执行对准操作；

S34：最后，计算6个测距传感器读数的标准差σ_m，如果其小于标准差阈值σ_s，则完成初对准，否则再次执行S3，直至σ_m小于σ_s，从而实现壳体与螺纹件的轴向对准。

6.根据权利要求1所述的一种薄壁大螺纹件装配的九自由度机器人拧紧控制方法，其特征在于：所述步骤S4，具体包括以下子步骤：

S41：贴合过程中，监督器根据转角与扭矩反馈判断是否需要执行位姿修正：若实际转角α_m未达到预紧临界的转角阈值α_s，则执行转角控制，直至达到α_s；

S42：在接近α_s过程中，监督器将切换至位姿控制器，通过输出u_base以修正位姿误差，当测距标准差小于σ_s且扭矩反馈T_m恢复至T_s以内，则继续切换至转角控制器；

S43：相反，若α_m已超过α_s，但实际扭矩却未达到临界扭矩T_s，此时需要调用扭矩控制器输出扭矩k_tT₀，其中k_t线性递增，直至满足预紧临界扭矩阈值T_s。

7.根据权利要求1所述的一种薄壁大螺纹件装配的九自由度机器人拧紧控制方法，其特征在于：所述步骤S5，具体包括以下子步骤：

S51：若实际转角α_m与扭矩T_m均超过预紧临界的转角阈值α_s与扭矩阈值T_s，表明进入拧紧阶段；

S52：采用串级双闭环***实现对扭矩和转角的精确控制：监督器将同时激活转角与扭矩控制器；其中，外环转角PID控制器输出转角控制量，与期望转矩同时经过转矩限幅器，然后作为内环电流PID控制器输入，输出电流控制量经PWM同步调节器实现对电机转角、扭矩控制，电机扭矩传感器与编码器将实际扭矩与转角反馈至相应控制器，形成双闭环回路；

S53：拧紧扭矩与预紧力和电流的关系为T＝2k₁Fr＝k₂i_a；

可知拧紧力矩T与预紧力F和电枢电流i_a均为线性关系，其中拧紧力矩系数k₁包含对拧紧力矩和预紧力关系的影响因素，如螺纹的摩擦系数、螺栓的相关参数等；k₂为直流电动机电磁转矩系数、扭矩传动系数等，r为螺栓公称半径；

S54：同时，由上式可知，F与i_a也为线性关系，因此，扭矩控制器通过控制电流大小实现预紧力控制；类似地，转角与螺栓预紧力的关系为

可知拧紧阶段预紧力F与转角α也为线性关系，其中C_s为螺纹联结***刚度，P为螺距；转角控制器通过转角控制同样可实现螺栓预紧力控制；

S55：采用扭矩-转角串级双闭环控制***以提高控制精度，控制策略如下：由预紧力与拧紧扭矩和转角关系可知，拧紧扭矩与转角同样为线性关系，因此该阶段首先仅执行转角控制，记录连续的M个转角[α₁,α₂,...,α_M]对应的扭矩反馈值[T₁,T₂,...,T_M]，使用最小二乘法拟合扭矩-转角斜率K_α：

然后以期望转角α_d和期望扭矩K_αα_d执行转角-扭矩双闭环串级控制，使螺纹副预紧力逐渐增大；由于拧紧阶段螺栓件的位姿已修正完成，因此该阶段无需使用测距反馈信息；当扭矩反馈T_m达到设计拧紧扭矩T_d，表明当前扭矩满足设计扭矩指标，拧紧任务结束。

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