CN114310912A - 机械臂装配控制方法及装置、机械臂控制设备和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种机械臂装配控制方法及装置、机械臂控制设备和存储介质，涉及机器人控制技术领域。本申请在获取到装配机械臂的机械臂末端当前的实际接触力数据，和装配机械臂的装配工具当前的实际装配位姿数据、期望接触力数据和期望装配位姿数据的情况下，会基于实际接触力数据计算装配工具的装配接触力数据，并根据实际装配位姿数据、期望接触力数据、期望装配位姿数据及装配接触力数据，调用弹簧阻尼施力模型计算待实施装配位姿数据来控制装配机械臂进行装配运动，从而利用装配工具的真实接触力数据结合弹性阻尼施力模型的柔顺控制特性及力控制特性执行装配作业，有效提升装配机械臂的装配精度及装配效率，确保装配机械臂的装配安全。
Description
技术领域
本申请涉及机器人控制技术领域，具体而言，涉及一种机械臂装配控制方法及装置、机械臂控制设备和存储介质。
背景技术
随着科学技术的不断发展，机器人技术因具有极大的研究价值及应用价值受到了各行各业的广泛重视，其中机械臂装配技术便是对工业生产行业的一项极为重要的应用技术。机械臂装配技术在实际应用过程中通常需要安装在机械臂末端位置处装配工具与外部环境接触，而在外部环境刚度较高时，传统的机械臂装配控制方案往往会因装配精度低且装配效率低的问题，致使机械臂或装配工具与外部环境发生碰撞，导致机械臂或装配工具损坏。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种机械臂装配控制方法及装置、机械臂控制设备和存储介质，能够有效提升机械臂装配作业过程中的装配精度及装配效率，确保装配机械臂的装配安全。
为了实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本申请提供一种机械臂装配控制方法，所述方法包括：
获取装配机械臂的机械臂末端当前的实际接触力数据，和所述装配机械臂的装配工具当前的实际装配位姿数据、期望接触力数据和期望装配位姿数据；
根据所述机械臂末端与所述装配工具之间的相对受力关系，基于所述实际接触力数据计算所述装配工具当前的装配接触力数据；
根据所述实际装配位姿数据、所述期望接触力数据、所述期望装配位姿数据及所述装配接触力数据，调用所述装配工具所对应的弹簧阻尼施力模型计算所述装配工具当前的待实施装配位姿数据；
按照所述待实施装配位姿数据控制所述装配机械臂进行装配运动。
在可选的实施方式中，获取所述装配机械臂的装配工具当前的期望装配位姿数据的步骤，包括：
获取装配监控设备当前拍摄到的待装配目标的装配状况图像，其中所述装配监控设备与所述装配机械臂的工作时机保持一致；
根据所述装配监控设备与所述装配机械臂的相对位置关系，在所述装配状况图像内针对所述待装配目标进行目标位姿识别，得到所述期望装配位姿数据。
在可选的实施方式中，所述相对受力关系包括装配工具质心在所述装配机械臂未执行装配作业时作用到所述机械臂末端的作用力及作用力矩，所述实际接触力数据包括所述机械臂末端在所述装配机械臂执行装配作业过程中检测到的实际接触力及实际接触力矩，则所述根据所述机械臂末端与所述装配工具之间的相对受力关系，基于所述实际接触力数据计算所述装配工具当前的装配接触力数据的步骤，包括：
根据所述作用力对所述实际接触力进行力补偿处理，得到所述装配接触力数据包括的与装配工具末端对应的装配接触力；
根据所述作用力矩、所述装配接触力、所述装配工具质心和所述装配工具末端各自与所述机械臂末端的相对位置关系，对所述实际接触力矩进行力矩补偿处理，得到所述配接触力数据包括的与所述装配工具末端对应的装配接触力矩。
在可选的实施方式中，所述根据所述实际装配位姿数据、所述期望接触力数据、所述期望装配位姿数据及所述装配接触力数据，调用所述装配工具所对应的弹簧阻尼施力模型计算所述装配工具当前的待实施装配位姿数据的步骤，包括：
计算所述装配工具当前的与所述实际装配位姿数据对应的实际位姿变化速度数据和实际位姿变化加速度数据，和所述装配工具当前的与所述期望装配位姿数据对应的期望位姿变化速度数据；
计算所述期望装配位姿数据与所述实际装配位姿数据之间的装配位姿偏差，以及所述期望位姿变化速度数据与所述实际位姿变化速度数据之间的装配速度偏差；
将所述装配位姿偏差、所述装配速度偏差、所述期望接触力数据以及所述装配接触力数据代入到所述弹簧阻尼施力模型中，针对待实施装配加速度偏差进行求解；
对所述实际位姿变化加速度数据和求解出的所述待实施装配加速度偏差进行加法运算，得到待实施装配加速度数据；
根据所述实际装配位姿数据及所述待实施装配加速度数据，基于机器人运动学原理计算所述待实施装配位姿数据。
在可选的实施方式中，所述弹簧阻尼施力模型的模型表达式如下所示：
其中，Fe用于表示所述装配工具当前的装配接触力数据，Fd用于表示所述装配工具当前的期望接触力数据，Te用于表示所述期望装配位姿数据与所述实际装配位姿数据之间的装配位姿偏差，
用于表示所述期望装配位姿数据所对应的期望位姿变化速度数据与所述实际装配位姿数据所对应的实际位姿变化速度数据之间的装配速度偏差，
用于表示与所述待实施装配位姿数据对应的待实施装配加速度偏差，M用于表示所述装配工具在所述弹簧阻尼施力模型处的惯性参数向量，B用于表示所述装配工具在所述弹簧阻尼施力模型处的阻尼参数向量，K用于表示所述装配工具在所述弹簧阻尼施力模型处的刚度参数向量。
在可选的实施方式中，所述刚度参数向量在所述装配工具末端的正面施力维度层面的参数分量为零，所述期望接触力数据在所述装配工具末端的正面施力维度层面的数据分量非零，以实现所述弹簧阻尼施力模型在所述装配工具末端的正面施力维度层面的力控制效果。
在可选的实施方式中，所述刚度参数向量在所述装配工具末端的非正面施力维度层面的参数分量非零，所述期望接触力数据在所述装配工具末端的非正面施力维度层面的数据分量为零，以实现弹簧阻尼施力模型在所述装配工具末端的非正面施力维度层面的柔顺控制效果。
第二方面，本申请提供一种机械臂装配控制装置，所述装置包括：
运动数据获取模块，用于获取装配机械臂的机械臂末端当前的实际接触力数据，和所述装配机械臂的装配工具当前的实际装配位姿数据、期望接触力数据和期望装配位姿数据；
装配接触计算模块，用于根据所述机械臂末端与所述装配工具之间的相对受力关系，基于所述实际接触力数据计算所述装配工具当前的装配接触力数据；
装配位姿计算模块，用于根据所述实际装配位姿数据、所述期望接触力数据、所述期望装配位姿数据及所述装配接触力数据，调用所述装配工具所对应的弹簧阻尼施力模型计算所述装配工具当前的待实施装配位姿数据；
装配运动控制模块，用于按照所述待实施装配位姿数据控制所述装配机械臂进行装配运动。
第三方面，本申请提供一种机械臂控制设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机程序，所述处理器可执行所述计算机程序，以实现前述实施方式中任意一项所述的机械臂装配控制方法。
第四方面，本申请提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现前述实施方式中任意一项所述的机械臂装配控制方法。
由此，本申请实施例的有益效果可以包括以下内容：
本申请在获取到装配机械臂的机械臂末端当前的实际接触力数据，和装配机械臂的装配工具当前的实际装配位姿数据、期望接触力数据和期望装配位姿数据的情况下，会根据机械臂末端与装配工具之间的相对受力关系，基于实际接触力数据计算装配工具当前的装配接触力数据，接着根据实际装配位姿数据、期望接触力数据、期望装配位姿数据及装配接触力数据，调用装配工具所对应的弹簧阻尼施力模型计算装配工具当前的待实施装配位姿数据，并按照待实施装配位姿数据控制装配机械臂进行装配运动，从而利用装配工具的真实接触力数据结合弹性阻尼施力模型的柔顺控制特性和力控制特性执行装配作业，有效提升机械臂装配作业过程中的装配精度及装配效率，确保装配机械臂的装配安全。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本申请实施例提供的机械臂控制设备的组成示意图；
图2为本申请实施例提供的装配机械臂与装配监控设备的安装示意图；
图3为本申请实施例提供的机械臂装配控制方法的流程示意图；
图4为图3中的步骤S220包括的子步骤的流程示意图；
图5为图3中的步骤S230包括的子步骤的流程示意图；
图6为本申请实施例提供的机械臂装配控制装置的组成示意图。
图标：10-机械臂控制设备；11-存储器；12-处理器；13-通信单元；20-装配机械臂；21-机械臂基座；22-机械臂法兰；23-机械臂末端；24-装配工具；25-机械臂关节；30-装配监控设备；100-机械臂装配控制装置；110-运动数据获取模块；120-装配接触计算模块；130-装配位姿计算模块；140-装配运动控制模块。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
申请人通过辛苦调研发现，现有机械臂装配控制方案存在三种实现形式：(1)工作人员基于示教或结合力矩传感器辅助装配机械臂进行装配作业；(2)基于PID控制器或阻抗控制器的力闭环控制算法控制装配机械臂进行装配作业；(3)基于机器学习的机械臂装配算法控制装配机械臂进行装配作业。这三种实现方式往往导致控制结果不理想，与装配机械臂的装配工具的实际运动状况不匹配，不具有足够的装配精度和装配效率。
为此，申请人通过研发一种机械臂装配控制方法及装置、机械臂控制设备和存储介质，提升机械臂装配作业过程中的装配精度及装配效率，确保装配机械臂的装配安全，来解决前述现有机械臂装配控制方案所存在的技术问题。
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
请参照图1，图1是本申请实施例提供的机械臂控制设备10的组成示意图。在本申请实施例中，所述机械臂控制设备10用于对装配机械臂的具体装配运动状况进行控制，其能够有效确定装配机械臂的装配工具的真实接触力数据，并结合装配工具所对应的弹性阻尼施力模型的柔顺控制特性和力控制特性来控制装配机械臂执行装配作业，以有效提高机械臂装配作业过程中的装配精度及装配效率，确保装配机械臂的装配安全。其中，所述机械臂控制设备10可以与装配机械臂远程通信连接，也可以与所述装配机械臂集成在一起，用以实现对所述装配机械臂的运动控制功能。
在本实施例中，所述机械臂控制设备10可以包括存储器11、处理器12、通信单元13及机械臂装配控制装置100。其中，所述存储器11、所述处理器12及所述通信单元13各个元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，所述存储器11、所述处理器12及所述通信单元13这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。
在本实施例中，所述存储器11可以是，但不限于，随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(ProgrammableRead-Only Memory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EEPROM)等。其中，所述存储器11用于存储计算机程序，所述处理器12在接收到执行指令后，可相应地执行所述计算机程序。
在本实施例中，所述处理器12可以是一种具有信号的处理能力的集成电路芯片。所述处理器12可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)及网络处理器(Network Processor，NP)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件中的至少一种。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。
在本实施例中，所述通信单元13用于通过网络建立所述机械臂控制设备10与其他电子设备之间的通信连接，并通过所述网络收发数据，其中所述网络包括有线通信网络及无线通信网络。例如，所述机械臂控制设备10可以通过所述通信单元13从装配轨迹规划设备处获取装配机械臂的期望装配轨迹；所述机械臂控制设备10也可通过所述通信单元13从某个监控设备处获取所述装配机械臂需要装配的待装配目标的装配状况图像，以确定该待装配目标的实际位姿状况，并将该待装配目标的实际位姿状况作为所述装配机械臂期望达成的装配位姿状况；所述机械臂控制设备10也可通过所述通信单元13向所述装配机械臂发送运动控制指令，使所述装配机械臂按照所述运动控制指令进行运动。
在本实施例中，所述机械臂装配控制装置100包括至少一个能够以软件或固件的形式存储于所述存储器11中或者固化在所述机械臂控制设备10的操作***中的软件功能模块。所述处理器12可用于执行所述存储器11存储的可执行模块，例如所述机械臂装配控制装置100所包括的软件功能模块及计算机程序等。所述机械臂控制设备10能够通过所述机械臂装配控制装置100有效提升机械臂装配作业过程中的装配精度及装配效率，确保装配机械臂的装配安全。
可以理解的是，图1所示的框图仅为所述机械臂控制设备10的一种组成示意图，所述机械臂控制设备10还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。图1中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。
而对装配机械臂来说，可以参照图2所示的装配机械臂20与装配监控设备30的安装示意图，对装配机械臂20和装配监控设备30的组成分布状况进行描述。在本申请实施例中，所述装配机械臂20可以包括机械臂基座21、机械臂法兰22、机械臂末端23、装配工具24、多个机械臂杆及多个机械臂关节25，多个机械臂杆通过多个所述机械臂关节25相互铰接，相邻两个机械臂杆通过一个机械臂关节25铰接在一起，相互铰接的多个机械臂杆中的首个机械臂杆通过一个机械臂关节25与所述机械臂基座21铰接，而相互铰接的多个机械臂杆中末尾的机械臂杆与机械臂法兰22固定连接，所述机械臂末端23与所述装配监控设备30并排地安装在所述机械臂法兰22上，所述装配工具24安装在所述机械臂末端23。其中，所述装配监控设备30用于实时监测所述装配工具24针对待装配目标的具体装配状况，所述装配工具24用于夹持待装配目标进行装配操作，所述机械臂末端23处安装有力传感器，以通过力传感器检测所述机械臂末端23受到的外力数据(包括对应外力数值及外力力矩)。
在此过程中，可在机械臂基座21处构建其匹配的机械臂基坐标系B来描述整个装配机械臂20的具体运动状况，在机械臂法兰22处构建其匹配的法兰坐标系E来描述机械臂装配部位的具体运动状况，在机械臂末端23处构建匹配的末端坐标系S来描述机械臂末端23的具体运动状况，在装配工具24的质心位置处构建匹配的质心坐标系C来描述装配工具24的质心运动状况，在装配工具24的末端位置处构建匹配的工具坐标系T来描述装配工具24的末端运动状况。此时，工具坐标系T下的Z轴正方向即为所述装配工具24末端的正面施力方向，代表所述装配工具24末端的正面施力维度，而工具坐标系T下的X轴正方向和Y轴正方向即为所述装配工具24末端的平面位置变动正方向，绕X轴、Y轴或Z轴的转动方向即为所述装配工具24末端的姿态变动方向，这五个方向代表所述装配工具24末端的非正面施力维度。
在本申请中，为确保所述装配机械臂20能够有效提升机械臂装配作业过程中的装配精度及装配效率，确保装配机械臂20的装配安全，本申请实施例提供一种机械臂装配控制方法实现前述目的。下面对本申请提供的机械臂装配控制方法进行详细描述。
请参照图3，图3是本申请实施例提供的机械臂装配控制方法的流程示意图。在本申请实施例中，所述机械臂装配控制方法可以包括步骤S210～步骤S250。
步骤S210，获取装配机械臂的机械臂末端当前的实际接触力数据，和装配机械臂的装配工具当前的实际装配位姿数据、期望接触力数据和期望装配位姿数据。
在本实施例中，所述机械臂控制设备10获取到的机械臂末端23当前的实际接触力数据包括所述机械臂末端23处的力传感器在所述装配机械臂20执行装配作业过程中直接于末端坐标系S下检测到的实际接触力值及实际接触力矩。
若所述机械臂控制设备10获取到的期望接触力数据和期望装配位姿数据均采用机械臂基坐标系B进行描述，可基于工具坐标系T与机械臂基坐标系B之间的坐标变换关系，对所述机械臂基坐标系B下的期望接触力数据及期望装配位姿数据分别进行坐标变换处理，得到所述工具坐标系T下的期望接触力数据和期望装配位姿数据。
在本实施例的一种实施方式中，所述机械臂控制设备10可通过从所述装配监控设备30处了解到所述装配机械臂20的装配工具24所针对的待装配目标当前的实际装配状况，进而确定出待装配目标当前在机械臂基坐标系B下的实际目标位姿数据，并对所述机械臂基坐标系B下的实际目标位姿数据进行坐标变换处理，得到所述装配机械臂20的装配工具24末端在所述工具坐标系T下的期望装配位姿数据。其中，获取所述装配机械臂20的装配工具24当前的期望装配位姿数据的步骤，包括：
获取装配监控设备30当前拍摄到的待装配目标的装配状况图像，其中所述装配监控设备30与所述装配机械臂20的工作时机保持一致；
根据所述装配监控设备30与所述装配机械臂20的相对位置关系，在所述装配状况图像内针对所述待装配目标进行目标位姿识别，得到所述期望装配位姿数据。
其中，所述装配监控设备30获取所述装配状况图像的工作时机与所述装配机械臂20的装配工具24的实际装配位姿数据的获取时机保持一致，所述装配监控设备30可采用2D工业相机来实现装配状况监测功能，以提升所述机械臂控制设备10的装配位姿识别精度和期望装配位姿识别效率，确保所述机械臂控制设备10能够控制所述装配机械臂20针对待装配目标进行跟踪式装配作业，从而进一步提升所述机械臂控制设备10的装配控制效率。在此过程中，所述装配监控设备30与所述装配机械臂20的相对位置关系即用于描述装配监控设备30的相机坐标系和所述装配机械臂20的机械臂基坐标系B之间的坐标变换关系，以便于所述机械臂控制设备10在确定出相机坐标系下的待装配目标当前的实际目标位姿数据后，经坐标变换处理得到所述工具坐标系T下的期望装配位姿数据。
步骤S220，根据机械臂末端与装配工具之间的相对受力关系，基于实际接触力数据计算装配工具当前的装配接触力数据。
在本实施例中，所述机械臂末端23与所述装配工具24之间的相对受力关系用于描述所述装配工具24随着所述机械臂末端23运动作用在所述机械臂末端23的具体作用力数据，其中所述相对受力关系包括所述装配工具24质心在所述装配机械臂20未执行装配作业时作用到所述机械臂末端23的作用力(包括作用力的具体方向及具体大小)及作用力矩。在此过程中，若维持所述工具坐标系T与所述机械臂基坐标系B的姿态一致，则所述作用力即为所述装配工具24质心处的装配工具24重力作用在所述机械臂末端23上的力分量，所述作用力矩即为所述装配工具24重力作用在所述机械臂末端23上的力矩分量。此时，可通过将所述相对受力关系与所述末端坐标系S下的实际接触力数据进行结合，精准计算出装配工具24末端当前在所述工具坐标系T下的装配接触力数据，从而有效提升所述机械臂控制设备10的装配精度。
可选地，请参照图4，图4是图3中的步骤S220包括的子步骤的流程示意图。在本实施例中，所述机械臂末端23当前在所述末端坐标系S下的实际接触力数据包括所述机械臂末端23在所述装配机械臂20执行装配作业过程中于所述末端坐标系S下检测到的实际接触力(包括实际接触力的具体方向及具体大小)及实际接触力矩，此时所述步骤S220可以包括子步骤S221及子步骤S222，以精准计算出所述装配工具24末端当前在所述工具坐标系T下的真实接触力数据。
子步骤S221，根据作用力对实际接触力进行力补偿处理，得到装配接触力数据包括的与装配工具末端对应的装配接触力。
在本实施例中，装配工具24末端当前在所述工具坐标系T下的装配接触力、末端坐标系S下的实际接触力、所述装配工具24质心作用到所述机械臂末端23的作用力之间的力关系可采用如下式子进行表达：
其中，
用于表示所述末端坐标系S下的实际接触力，
用于表示所述装配工具24质心作用到所述机械臂末端23的作用力，
用于表示所述工具坐标系T下的装配接触力，
用于表示所述质心坐标系C下的所述装配工具24的重力，mt用于表示所述装配工具24的质量，gC用于表示所述质心坐标系C下的重力参数矩阵，
用于表示所述工具坐标系T到所述末端坐标系S的姿态变换矩阵，
用于表示所述质心坐标系C到所述末端坐标系S的姿态变换矩阵。
由此，所述机械臂控制设备10可通过调用上述力关系，结合所述装配工具24质心作用到所述机械臂末端23的作用力，对末端坐标系S下的实际接触力进行力补偿处理，得到所述装配工具24末端当前在所述工具坐标系T下的装配接触力。
子步骤S222，根据作用力矩、装配接触力、装配工具质心和装配工具末端各自与机械臂末端的相对位置关系，对实际接触力矩进行力矩补偿处理，得到配接触力数据包括的与装配工具末端对应的装配接触力矩。
在本实施例中，所述装配工具24末端当前在所述工具坐标系T下的装配接触力和装配接触力矩、所述末端坐标系S下的实际接触力矩、装配工具24质心和装配工具24末端各自与机械臂末端23的相对位置关系之间的力矩关系可采用如下式子进行表达：
其中，
用于表示所述末端坐标系S下的实际接触力矩，
用于表示所述装配工具24质心作用到所述机械臂末端23的作用力矩，
用于表示所述工具坐标系T下的装配接触力，
用于表示所述工具坐标系T下的装配接触力矩，
用于表示所述质心坐标系C下的所述装配工具24的重力，
用于表示所述工具坐标系T到所述末端坐标系S的姿态变换矩阵，
用于表示所述质心坐标系C到所述末端坐标系S的姿态变换矩阵，
用于表示所述质心坐标系C下的所述装配工具24的重力力矩。此外，
用于表示所述质心坐标系C在所述末端坐标系S下的位置矩阵，代表装配工具24质心与机械臂末端23的相对位置关系；
用于表示所述工具坐标系T在所述末端坐标系S下的位置矩阵，代表装配工具24末端与机械臂末端23的相对位置关系。
由此，所述机械臂控制设备10可通过调用上述力矩关系，结合所述装配工具24末端与所述机械臂末端23的相对位置关系、所述装配工具24质心作用到所述机械臂末端23的作用力及作用力矩，对所述末端坐标系S下的实际接触力矩进行力补偿处理，得到所述装配工具24末端当前在所述工具坐标系T下的装配接触力矩。
在此情况下，本申请可通过执行上述子步骤S221及子步骤S222，精准计算出所述装配工具24末端当前在所述工具坐标系T下的真实接触力数据。
步骤S230，根据实际装配位姿数据、期望接触力数据、期望装配位姿数据及装配接触力数据，调用装配工具所对应的弹簧阻尼施力模型计算装配工具当前的待实施装配位姿数据。
在本实施例中，所述弹簧阻尼施力模型具有柔顺控制特性和力控制特性，以通过柔顺控制特性有效调控所述装配工具24末端在非正面施力维度层面的位姿状况，并通过力控制特性有效调控所述装配工具24末端在正面施力维度层面对外界环境施加的压力状况，从而柔性控制模式与力控制模式之间的配合有效提升机械臂装配作业过程中的装配精度及装配效率，确保装配机械臂20的装配安全。
因此，当所述机械臂控制设备10得到所述装配工具24末端在工具坐标系T下的实际装配位姿数据、期望接触力数据、期望装配位姿数据及装配接触力数据的情况下，可通过调用该弹簧阻尼施力模型对前述工具坐标系T下的实际装配位姿数据、期望接触力数据、期望装配位姿数据及装配接触力数据进行处理，得到所述装配工具24末端当前在工具坐标系T下的表征高装配精度及高装配效率的待实施装配位姿数据，以提升所述装配机械臂20在实际机械臂装配作业过程中的装配安全。
可选地，请参照图5，图5是图3中的步骤S230包括的子步骤的流程示意图。在本实施例中，所述步骤S230可以包括子步骤S231～子步骤S235，以有效调用弹簧阻尼施力模型来提升装配精度及装配效率，确保装配机械臂20的装配安全。
子步骤S231，计算装配工具当前的与实际装配位姿数据对应的实际位姿变化速度数据和实际位姿变化加速度数据，和装配工具当前的与期望装配位姿数据对应的期望位姿变化速度数据。
在本实施例中，所述机械臂控制设备10可基于机器人运动学原理对所述装配工具24末端当前在工具坐标系T下的实际装配位姿数据进行一阶积分求导处理及二阶积分求导处理，得到所述装配工具24末端当前在工具坐标系T下的实际位姿变化速度数据和实际位姿变化加速度数据，并对所述装配工具24末端当前在工具坐标系T下的期望装配位姿数据进行一阶积分求导处理及二阶积分求导处理，得到所述装配工具24末端当前在工具坐标系T下的期望位姿变化速度数据。
子步骤S232，计算期望装配位姿数据与实际装配位姿数据之间的装配位姿偏差，以及期望位姿变化速度数据与实际位姿变化速度数据之间的装配速度偏差。
在本实施例中，所述机械臂控制设备10可通过对工具坐标系T下的期望装配位姿数据与实际装配位姿数据进行矩阵减法运算，得到所述工具坐标系T下的装配位姿偏差，并通过对工具坐标系T下的期望位姿变化速度数据与实际位姿变化速度数据进行矩阵减法运算，得到所述工具坐标系T下的装配速度偏差。
子步骤S233，将装配位姿偏差、装配速度偏差、期望接触力数据以及装配接触力数据代入到弹簧阻尼施力模型中，针对待实施装配加速度偏差进行求解。
在本实施例中，所述弹簧阻尼施力模型的模型表达式如下所示：
其中，Fe用于表示所述装配工具24当前的装配接触力数据，Fd用于表示所述装配工具24当前的期望接触力数据，He用于表示所述期望装配位姿数据与所述实际装配位姿数据之间的装配位姿偏差，
用于表示所述期望装配位姿数据所对应的期望位姿变化速度数据与所述实际装配位姿数据所对应的实际位姿变化速度数据之间的装配速度偏差，
用于表示与所述待实施装配位姿数据对应的待实施装配加速度偏差，M用于表示所述装配工具24在所述弹簧阻尼施力模型处的惯性参数向量，B用于表示所述装配工具24在所述弹簧阻尼施力模型处的阻尼参数向量，K用于表示所述装配工具24在所述弹簧阻尼施力模型处的刚度参数向量。在此过程中，需要代入到所述弹簧阻尼施力模型中的各项数据需处于同一工具坐标系T下，所述惯性参数向量、所述阻尼参数向量及所述刚度参数向量需符合二阶***闭环传递函数，此时所述惯性参数向量、所述阻尼参数向量及所述刚度参数向量之间的向量数值关系为
ξ用于表示装配机械臂20的***阻尼比值。
在本实施例中，所述刚度参数向量在所述装配工具24末端的正面施力维度层面的参数分量为零，所述期望接触力数据在所述装配工具24末端的正面施力维度层面的数据分量非零，以实现所述弹簧阻尼施力模型在所述装配工具24末端的正面施力维度层面的力控制效果，即构建出所述弹簧阻尼施力模型的力控制模式。
在本实施例中，所述刚度参数向量在所述装配工具24末端的非正面施力维度层面的参数分量非零，所述期望接触力数据在所述装配工具24末端的非正面施力维度层面的数据分量为零，以实现弹簧阻尼施力模型在所述装配工具24末端的非正面施力维度层面的柔顺控制效果，即构建出所述弹簧阻尼施力模型的柔顺控制模式。
在此情况下，所述机械臂控制设备10可将所述工具坐标系T下的装配位姿偏差、装配速度偏差、期望接触力数据以及装配接触力数据代入到所述弹簧阻尼施力模型中进行参数求解，得到所述工具坐标系T下的待实施装配加速度偏差。
子步骤S234，对实际位姿变化加速度数据和求解出的待实施装配加速度偏差进行加法运算，得到待实施装配加速度数据。
在本实施例中，所述机械臂控制设备10可将所述工具坐标系T下的实际位姿变化加速度数据和求解出的待实施装配加速度偏差进行加法运算，得到所述工具坐标系T下的待实施装配加速度数据。
子步骤S235，根据实际装配位姿数据及待实施装配加速度数据，基于机器人运动学原理计算待实施装配位姿数据。
在本实施例中，所述机械臂控制设备10可在计算出所述工具坐标系T下的待实施装配加速度数据的情况下，根据工具坐标系T下的实际装配位姿数据和待实施装配加速度数据，运用机器人运动学原理进行微分处理，得到所述装配工具24末端当前在所述工具坐标系T下的待实施装配位姿数据。
由此，本申请可通过执行上述子步骤S231～子步骤S235，有效调用弹簧阻尼施力模型来提升装配精度及装配效率，确保装配机械臂20的装配安全。
步骤S240，按照待实施装配位姿数据控制装配机械臂进行装配运动。
在本实施例中，当所述机械臂控制设备10计算出所述装配工具24末端当前在所述工具坐标系T下的待实施装配位姿数据后，会根据所述机械臂基坐标系B与所述工具坐标系T之间的坐标转换关系，对所述工具坐标系T下的待实施装配位姿数据进行坐标转换处理，得到所述装配工具24末端当前在所述机械臂基坐标系B下的待实施装配位姿数据，进而得以通过所述机械臂基坐标系B下的待实施装配位姿数据确定所述装配机械臂20包括的所有机械臂关节25各自在对应关节空间下的关节驱动位置、关节驱动速度及关节驱动加速度，以按照确定出的各机械臂关节25在对应关节空间下的关节驱动位置、关节驱动速度及关节驱动加速度，控制对应机械臂关节25进行运动，从而实现对所述装配机械臂20的装配作业操控。
由此，本申请可通过执行上述步骤S210～步骤S240，利用装配工具24的真实接触力数据结合弹性阻尼施力模型的柔顺控制特性和力控制特性执行装配作业，并有效提升机械臂装配作业过程中的装配精度及装配效率，确保装配机械臂20的装配安全。
在本申请中，为确保所述机械臂控制设备10能够通过所述机械臂装配控制装置100执行上述机械臂装配控制方法，本申请通过对所述机械臂装配控制装置100进行功能模块划分的方式实现前述功能。下面对本申请提供的机械臂装配控制装置100的具体组成进行相应描述。
请参照图6，图6是本申请实施例提供的机械臂装配控制装置100的组成示意图。在本申请实施例中，所述机械臂装配控制装置100可以包括运动数据获取模块110、装配接触计算模块120、装配位姿计算模块130及装配运动控制模块140。
运动数据获取模块110，用于获取装配机械臂的机械臂末端当前的实际接触力数据，和所述装配机械臂的装配工具当前的实际装配位姿数据、期望接触力数据和期望装配位姿数据。
装配接触计算模块120，用于根据所述机械臂末端与所述装配工具之间的相对受力关系，基于所述实际接触力数据计算所述装配工具当前的装配接触力数据。
装配位姿计算模块130，用于根据所述实际装配位姿数据、所述期望接触力数据、所述期望装配位姿数据及所述装配接触力数据，调用所述装配工具所对应的弹簧阻尼施力模型计算所述装配工具当前的待实施装配位姿数据。
装配运动控制模块140，用于按照所述待实施装配位姿数据控制所述装配机械臂进行装配运动。
需要说明的是，本申请实施例所提供的机械臂装配控制装置100，其基本原理及产生的技术效果与前述的机械臂装配控制方法相同。为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考上述的针对机械臂装配控制方法的描述内容。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
综上所述，在本申请提供的机械臂装配控制方法及装置、机械臂控制设备和存储介质中，本申请在获取到装配机械臂的机械臂末端当前的实际接触力数据，和装配机械臂的装配工具当前的实际装配位姿数据、期望接触力数据和期望装配位姿数据的情况下，会根据机械臂末端与装配工具之间的相对受力关系，基于实际接触力数据计算装配工具当前的装配接触力数据，接着根据实际装配位姿数据、期望接触力数据、期望装配位姿数据及装配接触力数据，调用装配工具所对应的弹簧阻尼施力模型计算装配工具当前的待实施装配位姿数据，并按照待实施装配位姿数据控制装配机械臂进行装配运动，从而利用装配工具的真实接触力数据结合弹性阻尼施力模型的柔顺控制特性和力控制特性执行装配作业，有效提升机械臂装配作业过程中的装配精度及装配效率，确保装配机械臂的装配安全。
以上所述，仅为本申请的各种实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应当以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种机械臂装配控制方法，其特征在于，所述方法包括：
获取装配机械臂的机械臂末端当前的实际接触力数据，和所述装配机械臂的装配工具当前的实际装配位姿数据、期望接触力数据和期望装配位姿数据；
根据所述机械臂末端与所述装配工具之间的相对受力关系，基于所述实际接触力数据计算所述装配工具当前的装配接触力数据；
根据所述实际装配位姿数据、所述期望接触力数据、所述期望装配位姿数据及所述装配接触力数据，调用所述装配工具所对应的弹簧阻尼施力模型计算所述装配工具当前的待实施装配位姿数据；
按照所述待实施装配位姿数据控制所述装配机械臂进行装配运动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取所述装配机械臂的装配工具当前的期望装配位姿数据的步骤，包括：
获取装配监控设备当前拍摄到的待装配目标的装配状况图像，其中所述装配监控设备与所述装配机械臂的工作时机保持一致；
根据所述装配监控设备与所述装配机械臂的相对位置关系，在所述装配状况图像内针对所述待装配目标进行目标位姿识别，得到所述期望装配位姿数据。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相对受力关系包括装配工具质心在所述装配机械臂未执行装配作业时作用到所述机械臂末端的作用力及作用力矩，所述实际接触力数据包括所述机械臂末端在所述装配机械臂执行装配作业过程中检测到的实际接触力及实际接触力矩，则所述根据所述机械臂末端与所述装配工具之间的相对受力关系，基于所述实际接触力数据计算所述装配工具当前的装配接触力数据的步骤，包括：
根据所述作用力对所述实际接触力进行力补偿处理，得到所述装配接触力数据包括的与装配工具末端对应的装配接触力；
根据所述作用力矩、所述装配接触力、所述装配工具质心和所述装配工具末端各自与所述机械臂末端的相对位置关系，对所述实际接触力矩进行力矩补偿处理，得到所述配接触力数据包括的与所述装配工具末端对应的装配接触力矩。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述实际装配位姿数据、所述期望接触力数据、所述期望装配位姿数据及所述装配接触力数据，调用所述装配工具所对应的弹簧阻尼施力模型计算所述装配工具当前的待实施装配位姿数据的步骤，包括：
计算所述装配工具当前的与所述实际装配位姿数据对应的实际位姿变化速度数据和实际位姿变化加速度数据，和所述装配工具当前的与所述期望装配位姿数据对应的期望位姿变化速度数据；
计算所述期望装配位姿数据与所述实际装配位姿数据之间的装配位姿偏差，以及所述期望位姿变化速度数据与所述实际位姿变化速度数据之间的装配速度偏差；
将所述装配位姿偏差、所述装配速度偏差、所述期望接触力数据以及所述装配接触力数据代入到所述弹簧阻尼施力模型中，针对待实施装配加速度偏差进行求解；
对所述实际位姿变化加速度数据和求解出的所述待实施装配加速度偏差进行加法运算，得到待实施装配加速度数据；
根据所述实际装配位姿数据及所述待实施装配加速度数据，基于机器人运动学原理计算所述待实施装配位姿数据。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其特征在于，所述弹簧阻尼施力模型的模型表达式如下所示：
其中，Fe用于表示所述装配工具当前的装配接触力数据，Fd用于表示所述装配工具当前的期望接触力数据，He用于表示所述期望装配位姿数据与所述实际装配位姿数据之间的装配位姿偏差，
用于表示所述期望装配位姿数据所对应的期望位姿变化速度数据与所述实际装配位姿数据所对应的实际位姿变化速度数据之间的装配速度偏差，
用于表示与所述待实施装配位姿数据对应的待实施装配加速度偏差，M用于表示所述装配工具在所述弹簧阻尼施力模型处的惯性参数向量，B用于表示所述装配工具在所述弹簧阻尼施力模型处的阻尼参数向量，K用于表示所述装配工具在所述弹簧阻尼施力模型处的刚度参数向量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述刚度参数向量在所述装配工具末端的正面施力维度层面的参数分量为零，所述期望接触力数据在所述装配工具末端的正面施力维度层面的数据分量非零，以实现所述弹簧阻尼施力模型在所述装配工具末端的正面施力维度层面的力控制效果。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述刚度参数向量在所述装配工具末端的非正面施力维度层面的参数分量非零，所述期望接触力数据在所述装配工具末端的非正面施力维度层面的数据分量为零，以实现弹簧阻尼施力模型在所述装配工具末端的非正面施力维度层面的柔顺控制效果。
8.一种机械臂装配控制装置，其特征在于，所述装置包括：
运动数据获取模块，用于获取装配机械臂的机械臂末端当前的实际接触力数据，和所述装配机械臂的装配工具当前的实际装配位姿数据、期望接触力数据和期望装配位姿数据；
装配接触计算模块，用于根据所述机械臂末端与所述装配工具之间的相对受力关系，基于所述实际接触力数据计算所述装配工具当前的装配接触力数据；
装配位姿计算模块，用于根据所述实际装配位姿数据、所述期望接触力数据、所述期望装配位姿数据及所述装配接触力数据，调用所述装配工具所对应的弹簧阻尼施力模型计算所述装配工具当前的待实施装配位姿数据；
装配运动控制模块，用于按照所述待实施装配位姿数据控制所述装配机械臂进行装配运动。
9.一种机械臂控制设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机程序，所述处理器可执行所述计算机程序，以实现权利要求1-7中任意一项所述的机械臂装配控制方法。
10.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1-7中任意一项所述的机械臂装配控制方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Han Bing Inventor after: Niu Jianwei Inventor after: Ren Tao Inventor after: Yu Xiaolong Inventor after: Yang Fan Inventor after: Hou Renluan Inventor after: Guo Yuliang Inventor after: Ma Qun Inventor before: Han Bing Inventor before: Niu Jianwei Inventor before: Ren Tao Inventor before: Yu Xiaolong Inventor before: Yang Fan Inventor before: Hou Renluan Inventor before: Guo Yuliang Inventor before: Ma Qun |
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| CB03 | Change of inventor or designer information |