CN101041220B - 利用低精度机器人实现高精度轴孔装配的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种利用低精度机器人实现高精度轴孔装配的方法，其包括步骤：(1)在轴、孔的六维空间的高维子空间内，找到“碗状约束域”；(2)利用这个“碗状约束域”和机器人不基于任何反馈的主动输入信号，使轴孔系统到达对应的“碗状约束域”某一预先给定的特殊点所对应的状态，以减少位置和角度误差；(3)以这个特定点在新的子空间形成的区域为原始域，寻找新的“碗状约束”，以此进一步消除位置和角度误差，直到把轴插入孔中。

Description

利用低精度机器人实现高精度轴孔装配的方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体地说是怎样用低精度的机器人利用约束实现高精度、高可靠性和低成本的二高一低装配操作方法。

背景技术

我国是一个制造大国，但由于自动化程度不高，还不是制造强国。要保持我国制造大国的地位和国民经济发展的势头，就必须大大提高制造业的自动化，而机器人是首选。

机器人在制造业的应用被研究了三十年。但是，机器人并未广泛地应用于制造业中。现有工业机器人的重复精度为0.1mm左右。高精度的装配要求0.01-0.02mm.现有的技术利用力传感器或柔性手腕又不能保证可靠性(力传感器或柔性手腕易破坏)和通用性(柔性手腕需要为特定系统特别设计)。带有力传感器或柔性手腕的机器人系统不适合于重型机械的装配。总之，现有的机器人技术还未达到高精度，高可靠性和低成本的要求。

同时，现有的绝大多数产品都需要装配过程，所以，装配是制造业中重要的步骤。而机器人装配由于其对高精度的要求成为机器人在制造业的应用中的最大难点，也吸引了大量的研究。

近20年来，用机器人装配研究的主要方法，包括：

1)利用六维力学传感器得到轴与孔的几何关系，以调整轴、孔的位置和角度(共六维)关系，以实现高精度的装配[Whitney，1982；Mantripragada，and Whitney，1999；Yanxi Liu，1997；邹敏伟1990；何发昌，罗志增，邵远，毛希祥1991]。这种方法的主要问题是a)力学传感器的易破坏性，降低了装配的可靠性，b)力学传感器不能完全表达轴孔关系。

2)利用专门设计的倒角和柔性手腕进行装配[Simunovic，，1979；Shuklaand Whitney，2005；Bang etc.2005；谌桂生1987，CN 86102562A；阮健，许耀铭1988 CN87214574U；张春生1988 CN 872116690U]。该方法的主要问题是a)柔性手腕需要针对手腕并针对不同的轴孔系统而专门设计，b)柔性手腕的易破坏性也降低了可靠性，c)柔性手腕的柔性增加了轴和孔的初始误差，d)机器人装配研究的目的是用附加硬件和软件技术使机器人实现高于机器人精度的装配。现在的机器人的定位精度为0.10mm，很难实现0.01～0.02mm这样的高精度装配。

在现有的技术中，实际上是利用1)基于力传感器对机器人输入和孔的被动力，或2)由于柔性手腕的柔性，机器人的主动力和孔的被动力，形成一个引导区域，以实现高精度的装配。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术存在的问题，提供一种利用低精度机器人实现高精度轴孔装配的方法。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种利用低精度机器人实现高精度轴孔装配的方法，使用的基本装配系统包括：六维机器人系统、手爪、轴、孔和固定孔的平台；其包括下列步骤：

(1)在轴、孔的六维空间的高维子空间内，找到“碗状约束域”。“碗状约束域”是指在状态空间的约束域的形状像“碗”，更广义地说，在这样一个区域里，存在一个与状态无关的时不变输入使系统从这个区域的任意一点都可收敛到一个稳定点。

(2)利用这个“碗状约束域”和机器人不基于任何反馈的主动输入信号，使轴孔系统到达对应的“碗状约束域”某一预先给定的特殊点所对应的状态，以减少位置和角度误差。(例如，这个特殊点可以是“碗状约束域”的最低点，则所对应的轴孔是三点接触状态；这个特殊点也可以是“碗状约束域”的最左点，则所对应的轴孔是两点接触状态)

(3)以这个特定点在新的子空间形成的区域为原始域，寻找新的“碗状约束”，以此进一步消除位置和角度误差，直到把轴插入孔中。

所述的方法，其具体步骤如下：

a、六维机器人的手爪握持轴，孔被固定在平台；

b、六维机器人把轴移到孔的开口附近并保证：

1)|(O_hO_p)₍₁₎|＜R_p

其中，O_h是孔表面的中心点，O_p是轴底面的中心点，O_hO_p是从O_h到O_p的向量，R_p是轴的半径，(1)表示是第一步；

2)

$\left|{\left({\mathrm{\&theta;}}_z\right)}_{\left(1\right)}\right|<\frac{\mathrm{\&pi;}}{n}$

其中，θ_x，θ_y，θ_z是轴孔夹角在x，y，z轴上的投影，n是多边形的维数；

3)让机器人在θ_x方向上增加

使θ_xy接近X轴的方向；

c、保持轴、孔夹角不变，轴孔处于“碗状约束域”，机器人向孔的方向压轴；

d、进一步保持θ_xy不变，在完成c步的前提下，轴孔处于新的“碗状约束域”，机器人向孔的方向再压轴；

e、保持θ_x不变，在完成d步的前提下，轴孔又处于新的“碗状约束域”，机器人向孔的方向再压轴，达到三点接触状态，且θ_y＝0；

f、慢慢减少θ_x，并向孔的方向压轴，把轴插入孔内。

所述的方法，其实现了高精度的轴孔装配；其中，轴的外径与孔的内径相适配，轴的横截面外周沿是圆或多边形，孔的横截面内周沿是相应的圆或多边形。

所述的方法，其所述孔被固定在平台，是孔件通过夹具固定在平台上。

所述的方法，其所述轴的外径与孔的内径相适配，轴、孔间隙在0.02-0.03毫米之间。

本发明方法实现了用普通工业机器人进行高精度的圆轴、圆孔和同形状的多面轴和多面孔的装配。

本发明的有益效果在与：

不用力传感器、柔性手腕和倒角，而利用孔对轴在装配空间的约束，避免了由力传感器和柔性手腕带来的所有问题，所以，实现过程更稳定(避免了力传感器和柔性手腕带来的易破坏性)，更通用(不需要为特定的系统设计特定的手腕)。其次，不使用传感器等外加设备也提高了本发明方法的使用范围，如重型机械的装配。

附图说明

图1本发明的基本装配系统示意图；

图2孔件以夹具固定在平台上的示意图；

图3、图4为本发明实施例装配过程示意图；其中：图3(a)和图4(a)为轴、孔初始状态；图3(b)和图4(b)为三维空间的轴、孔两点接触状态；图3(c)和图4(c)为三维空间的轴、孔三点接触状态；图3(d)和图4(d)为轴、孔插入状态；

图5、本发明方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的基本装配系统包括六维机器人系统1、手爪2、轴3、孔4和固定孔的平台5。轴3、孔4可以是圆轴、圆孔；五角轴、五角孔；三角轴、三角孔，  但要求a)轴3、孔4形状一致，b)且轴3的横截面是凸的，孔4的横截面是凹的。

基本要求：

为了说明问题方便，X-Y-Z笛卡尔坐标系建立如下：

X轴从机器人的底座出发指向孔的底座；

Z轴从机器人底座出发，向上。

Y轴根据X轴Z轴右手定则决定。

θ是轴、孔的夹角向量。θ_x、θ_y和θ_z分别是θ在X、Y和Z轴上的投影。且

${\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{xy}}=\sqrt{{\mathrm{\&theta;}}_x^2+{\mathrm{\&theta;}}_y^2}---\left(1\right)$

是θ在X-Y平面上的投影。

系统选择：

(1)机器人可以是任何六自由度的机器人手臂并带有手爪2。如：

RM501，ABB等。只要机器人的终端精度满足下列公式1)和2)：

1)|(O_hO_p)₍₁₎|＜R_p

其中，O_h是孔表面的中心点，O_p是轴底面的中心点，O_hO_p是从O_h到O_p的向量，R_p是轴的半径，(1)表示是第一步；

2)

$\left|{\left({\mathrm{\&theta;}}_z\right)}_{\left(1\right)}\right|<\frac{\mathrm{\&pi;}}{n}$

其中，θ_x，θ_y，θ_z是轴孔夹角在x，y，z轴上的投影，n是多边形的维数。

(2)机器人系统应满足系统条件：即包括六维机器人系统1、手爪2、轴3、孔4和固定孔的平台5。

(3)要求a)轴3、孔4形状一致，b)且轴的横截面是圆的或多边形，孔的横截面是圆的或与轴形状一致的多边形。

(4)轴3、孔4是动配合，间隙应是0.02-0.03毫米，轴3、孔4可以有人装配。轴3的重量在机器人可抓取的重量范围内。

(5)孔4可以被固定在平台5上。

(6)机器人可以把轴3移动到下列公式1)和2)：

1)|(O_hO_p)₍₁₎|＜R_p

2)

$\left|{\left({\mathrm{\&theta;}}_z\right)}_{\left(1\right)}\right|<\frac{\mathrm{\&pi;}}{n}$

所给出的范围内。

如图5所示，为本发明方法的流程图，包括下列步骤：

1、孔4被固定在一个平台5上。如图2所示，孔4被夹具固定平台5上，夹具至少有3个均匀分布的固定点6。

2.六自由度的机器人把轴3移到孔4的开口附近并保证：

1)|(O_hO_p)₍₁₎|＜R_p    (2)

其中，O_h是孔4表面的中心点，O_p是轴3底面的中心点，O_hO_p是从O_h到O_p的向量，R_p是轴4的半径。(1)表示是第一步。

2)

$\left|{\left({\mathrm{\&theta;}}_z\right)}_{\left(1\right)}\right|<\frac{\mathrm{\&pi;}}{n}---\left(4\right)$

其中，θ_x，θ_y，θ_z是轴孔夹角在x，y，z轴上的投影，n是多边形的维数(圆轴、圆孔装配情况下，n＝1)。

3)让机器人在θ_x方向上增加

因为

$\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&theta;}}_x=\frac{\mathrm{\&pi;}}{6}$

(θ_xy)₂＝(θ_xy(1)+Δθ_y)＝θ_x(1)+θ_y(1)+Δθ_x

$\left|{\mathrm{\&theta;}}_{x\left(2\right)}\right|=|{\mathrm{\&theta;}}_{x\left(1\right)}+\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&theta;}}_x|\&ap;\frac{\mathrm{\&pi;}}{6}$

所以，θ_xy应接近X轴的方向。

3.保持轴3、孔4夹角不变，在保证第2步的前提下，轴孔处于“碗状约束域”，机器人向孔4的方向压轴3。

4.进一步保持θ_xy不变，在完成第3步的前提下，轴孔处于新的“碗状约束域”，机器人向孔4的方向压轴3。

5.  保持θ_x不变，在完成第3步的前提下，轴孔处于新的“碗状约束域”，机器人向孔4的方向压轴3，可以达到三点接触状态，且

θ_y＝0

6.  慢慢减少θ_x，并向孔4的方向压轴3，可以把轴3插入孔4内。

具体实施例1

以RTX(重复精度为0.2mm)机器人为例，利用本发明方法可实现下述圆轴3、圆孔4的装配：孔4的半径为R_n＝20.01mm，轴3的半径为R_P＝19.98mm，轴3的长度为50mm，装配过程如图3所示。

具体实施例2

以RTX(重复精度为0.2mm)机器人为例，利用本发明方法可实现下述三角轴3、三角孔4的装配：孔4的半径为R_n＝20.01mm，轴3的半径为R_P＝19.98mm，轴3的长度为50mm，装配过程如图4所示。

Claims (4)

1.一种利用低精度机器人实现高精度轴孔装配的方法，使用的基本装配系统包括：六维机器人系统、手爪、轴、孔和固定孔的平台；其特征在于，包括下列步骤：

(1)在轴、孔的六维空间的高维子空间内，找到“碗状约束域”；

(2)利用这个“碗状约束域”和机器人不基于任何反馈的主动输入信号，使轴孔系统到达对应的“碗状约束域”某一预先给定的特殊点所对应的状态，以减少位置和角度误差；

(3)以这个特定点在新的子空间形成的区域为原始域，寻找新的“碗状约束”，以此进一步消除位置和角度误差，直到把轴插入孔中；

具体步骤如下：

a、六维机器人的手爪握持轴，孔被固定在平台；

b、六维机器人把轴移到孔的开口附近并保证：

1)|(O_hO_p)₍₁₎|＜R_p

其中，O_h是孔表面的中心点，O_p是轴底面的中心点，O_hO_p是从O_h到O_p的向量，R_p是轴的半径，(1)表示是第一步；

其中，θ_x，θ_y，θ_z是轴孔夹角在x，y，z轴上的投影，n是多边形的维数；

3)让机器人在θ_x方向上增加 

使θ_xy接近X轴的方向；

c、保持轴、孔夹角不变，轴孔处于“碗状约束域”，机器人向孔的方向压轴；

d、进一步保持θ_xy不变，在完成c步的前提下，轴孔处于新的“碗状约束域”，机器人向孔的方向再压轴；

e、保持θ_x不变，在完成d步的前提下，轴孔又处于新的“碗状约束域”，机器人向孔的方向再压轴，达到三点接触状态，且θ_y＝0；

f、慢慢减少θ_x，并向孔的方向压轴，把轴插入孔内。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，实现了高精度的轴孔装配； 其中，轴的外径与孔的内径相适配，轴的横截面外周沿是圆或多边形，孔的横截面内周沿是相应的圆或多边形。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述孔被固定在平台，是孔件通过夹具固定在平台上。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述轴的外径与孔的内径相适配，轴、孔间隙在0.02-0.03毫米之间。 

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