CN102218652A - 一种利用机器人的柔顺性实现轴孔装配的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用机器人的柔顺性实现轴孔装配的装置和方法，该装置包括底座、至少二套夹持机构、机器人和视觉传感器，视觉传感器将其获得的孔的中心位置发送至机器人的控制器中；机器人具有至少四个自由度，包括沿以孔的中心位置为圆心建立的三维坐标系的三个轴的方向进行平移的自由度和绕至少一个轴进行旋转的自由度，机器人的控制器能够增大沿三个轴方向运动的位置环的增益，从而使安装于机器人末端上的手爪在与轴接触时获得在轴所施加的反作用力的作用下自动调节手爪姿态的柔顺性。

Description

一种利用机器人的柔顺性实现轴孔装配的装置和方法

技术领域

本发明属于机电一体化领域，涉及一种利用机器人的柔顺性实现轴孔装配的装置和方法。

背景技术

在工业生产过程中，高精度、高可靠的自动化装配是最重要的，也是亟待解决的问题。将轴装入孔中的装配任务是装配中最基础的任务，其装配质量的高低对于产品的优劣具有重要影响。例如，发动机活塞、活塞销和连杆的装配是一个典型的轴孔装配，装配的精度将直接影响发动机的性能，若装配精度不高，甚至会大大缩短其使用寿命。

轴与孔的装配问题引起了研究者的广泛关注，提出了众多的轴孔装配方法。较早的研究工作包括文章[T.Lozano-Perez，M.T.Mason，and R.H.Taylor，“Automated Synthesis of Fine-Motion Strategies for Robots”]，其公开了一种采用逆向规划的方法，具体为：分析轴孔的接触状态，从期望的接触状态出发，规划工业机器人末端的运动。文章[M.Skubic and R.Volz.Acquiring robust，force-based assembly skills from human demonstration]则提出了另外一种方法，即基于力传感器信息，采用力控制的方法实现轴孔的精密装配，具体为：通过在工业机器人末端安装一个六维力传感器，采集轴孔在不同接触状态下的接触力情况，在装配过程中，通过力控制算法实时调节工业机器人末端的姿态，以实现高精度的轴孔装配任务公开号为CN101041220A的发明专利申请公开了一种利用低精度的机器人实现高精度轴孔装配的方法，该方法利用轴孔空间中的“碗状约束域”实现了轴孔之间的装配。公开号为CN101585137A的发明专利申请公开了一种多轴孔的装配装置，该装配装置是根据刚性轴孔装配任务的特点，针对弹性多轴孔的装配动作而设计的。

上述的方法和装置均是针对孔是可以固定的情况下的轴孔装配任务而设计的，即孔的位置和方位在装配过程中不能发生变化。因而，如果由于夹具定位精度不高，或是装配过程中孔的位置和方位发生变化，则会导致装配失败。这个缺陷限制了这些方法在实际生产中的推广应用。

目前，在一些高精度的装配环节中，由于很难精确固定孔的位置和方位，只能通过人工完成装配任务。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种在工件的位置和方位无法精确固定的情况下，将轴装入工件上的孔中的装置。

本发明采用的技术方案为：一种利用机器人的柔顺性实现轴孔装配的装置，包括底座、至少二套夹持机构、机器人和用于获得装配主体的孔的中心位置的视觉传感器，所述视觉传感器将所获得的孔的中心位置发送至机器人的控制器中；各套夹持机构安装于底座上，所述底座在被所有夹紧装置包围的位置上固定有与装配主体的孔配合的定位栓，所有夹紧装置中，具有至少一对夹紧装置的作用点在过且垂直于定位栓的中心线的直线上，形成一对基准夹紧装置；所述机器人具有至少四个自由度，包括沿以孔的中心位置为圆心建立的三维坐标系的三个轴的方向进行平移的自由度和绕至少一个轴进行旋转的自由度，所述机器人的控制器能够增大沿三个轴方向运动的位置环的增益，从而使安装于机器人末端上的手爪在与轴接触时获得在轴所施加的反作用力的作用下自动调节手爪姿态的柔顺性。

本发明的另一个目的是提供一种在工件的位置和方位无法精确固定的情况下，将轴装入工件上的孔中的方法。

本发明采用的技术方案为：一种利用机器人的柔顺性实现轴孔装配的方法，通过上述装置执行如下步骤：

步骤a1：将带孔的装配主体放置底座上，使孔对准并套于固定栓上，然后，启动夹紧装置夹紧装配主体，以至少约束装配主体在一对基准夹紧装置的作用点连线方向上的移动和绕在水平面上与该连线垂直的轴的转动；

步骤a2：置于孔上方的视觉传感器识别并获取孔的中心位置，并将该中心位置发送给机器人的控制器，作为机器人装配轴孔时放置轴的初始目标位置；

步骤a3：机器人的控制器进行粗调整，引导机器人将轴放置到孔的包括其上边缘的内壁上，保证轴和孔的内壁之间至少有一个接触点；

步骤a4：控制器调整机器人的位置环的增益，进行精调整，以调整轴的位置和方位，利用孔对轴的接触约束，以及机器人的主动力，消除轴和孔之间存在的位置和方位的不确定性。

优选地，步骤a3中的粗调整算法的具体步骤为：

步骤b1：机器人的控制器以接收到的孔的中心位置建立装配基准坐标系，所述装配基准坐标系为以孔的顶面的中心位置为圆心建立的满足右手定则的三维坐标系，其中，Z轴竖直向上，X轴平行于一对基准夹紧装置的作用点的连线；

步骤b2：机器人绕着X轴转动轴，调整轴的中心线，使轴的中心线与XZ平面平行；

步骤b3：机器人1绕着Y轴转动轴，将轴的中心线与X轴间的夹角调整为75°～85°；

步骤b4：机器人沿着X轴方向平移轴，使轴的底面中心在装配基准坐标系下的X轴坐标值小于孔的半径；

步骤b5：机器人沿着Y轴方向平移轴，使轴的底面中心在装配基准坐标系下的Y轴坐标值小于孔的半径；

步骤b6：机器人沿着Z轴向下平移轴，使轴的底部表面与孔的包括其上边缘的内壁之间至少有一个接触点。

优选地，步骤a4中的精调整过程的步骤为：

步骤c1：机器人夹持轴沿着Z轴负施加一个向下的压力，同时，沿着X轴正向施加一个作用力，使定位栓约束住孔的转动和移动，同时，确保轴的底部表面与孔的内壁间具有至少三个接触点；

步骤c2：机器人夹持轴，并保持施加沿Z轴向下的压力，控制器增大机器人沿Y轴方向移动的位置环的增益，使机器人的Y轴方向的移动在轴的反作用力的作用下自动调节，并保持其它自由度的位置环的增益不变，然后，控制器控制机器人携带轴沿X轴方向略微移动；

步骤c3：机器人夹持轴，并保持施加沿Z轴向下的压力，控制器增大机器人沿X轴方向移动的位置环的增益，使机器人的X轴方向的移动在轴的反作用力的作用下自动调节，并保持其它自由度的位置环的增益不变，然后，控制器控制机器人携带轴沿Y轴方向略微移动；

步骤c4：机器人夹持轴，并保持施加沿Z轴向下的压力，控制器增大机器人沿X轴方向转动的位置环的增益，使机器人沿X轴方向的转动在轴的反作用力的作用下自动调节，并保持其它自由度的位置环的增益不变，然后，控制器控制机器人携带轴绕Y轴方向略微转动，使中心线41与X轴间的夹角增大；

步骤c5：如果调整次数大于设定的次数，其中，调整次数的初始值为1，则执行步骤c6，并将调整次数重新设置为初始值1；否则调整次数加1，然后顺次执行步骤c2～c4；

步骤c6：判断机器人的末端的位置变化情况，如果末端沿着Z轴负向的高度的减少量大于预设值，则执行步骤c7；否则，顺次执行步骤c2～c4；

步骤c7：控制器增大机器人沿Z轴方向转动的位置环的增益，并控制机器人夹持轴绕Z轴转动，同时，继续施加沿Z轴向下的压力，直至将轴插入孔中。

本发明的有益之处在于，本发明通过利用机器人的“软伺服”能力，即增大机器人的位置环的增益，使机器人的姿态在反作用力的作用下自动调节的能力，从而利用装配过程中轴孔之间的接触约束消除轴和孔的位置不确定性，达到高精度装配的目的。本发明的特点在于：

a)通过视觉传感器粗略定位孔的中心位置，引导机器人夹持轴并与孔的包括上边缘的内壁接触，降低对视觉传感器的定位精度和机器人操作精度的要求。

b)在轴孔接触约束的被动力和机器人主动作用力的共同作用下，消除轴孔之间存在的位置不确定性，从而不采用力传感器反馈的情况下，实现将轴装入位置不固定的孔中高精度的装配。

附图说明

图1为本发明的利用机器人的柔顺性实现轴孔装配的装置的结构示意图；

图2示出了建立在孔中心上的装配坐标系；

图3示出了本发明的利用机器人的柔顺性实现轴孔装配的方法的实施步骤；

图4a至4e示出了机器人进行轴孔装配的粗调整过程；

图5示出了轴与孔间具有三个接触点的情况；

图6示出了机器人进行轴孔装配的精调整的具体步骤；

图7示出了通过视觉传感器获取孔的位置的具体步骤。

附图标记说明：

1-机器人，11-手爪，2-底座，21-定位栓，22-左夹紧栓，23-右夹紧栓，

32-左气缸，33-右气缸，4-轴，41-轴的中心线，5-装配主体，51-孔，6-视觉传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，现以将图1中所示的轴4装入圆柱形装配主体5上的孔51中为具体实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

如图1所示，底座2上安装有至少二套可向内部伸出和向外部缩回的夹紧装置，定位栓21固定在底座2的被所有夹紧装置包围的位置上，所有夹紧装置中，具有至少一对夹紧装置的作用点在过且垂直于定位栓21的中心线的直线上，在此，将满足该条件的一对夹紧装置定义为一对基准夹紧装置，定位栓21的外接圆直径略小于孔51的直径，以使定位栓21可顺利嵌入孔51中为准，在此，该定位栓21的横截面具有可限制装配主体5转动的形状，如方形或者多边形等。装配前，将圆柱形装配主体5平放在底座2上，并通过孔51将其套于定位栓21上，并使孔51的中心线沿竖直方向，孔51的中心线基本上与定位栓21的中心线重合。如图1所示，本实施例中采用了二套夹紧装置，即具有一对基准夹紧装置，分别作为左夹紧装置和右夹紧装置，左夹紧装置包括左夹紧栓22和带动其作直线运动的左气缸32，右夹紧装置包括右夹紧栓23和带动其作直线运动的右气缸33，其中，左夹紧栓22与右夹紧栓23彼此相对，当左、右气缸通气后，左、右气缸的活塞杆即分别带动左、右夹紧栓朝向装配主体5移动左夹紧栓22和右夹紧栓23，使二者分别与圆柱形装配主体的顶面和底面相抵，固定住装配主体。

本发明应用的机器人1是一个至少具有四个自由度的机器人，包括沿三维坐标系的三个坐标轴方向的平移自由度和至少绕一个坐标轴旋转的自由度。该机器人1的顶端安装有手爪11，手爪11抓持轴4的上半部分，机器人根据其控制器内存储的装配算法执行装配动作。

如图3所示，机器人1将轴4插入孔51中的步骤为：

步骤a1：将带孔的装配主体5放置底座2上，使孔51对准并套于固定栓21上，然后，启动夹紧装置夹紧装配主体5，以至少约束装配主体5在一对基准夹紧装置的作用点连线方向上的移动和绕在水平面上与该连线垂直的轴的转动。

步骤a2：置于孔51上方的视觉传感器6识别并获取孔51的中心位置，并将该中心位置发送给机器人1，作为机器人1装配轴孔时放置轴5的初始目标位置。

步骤a3：机器人的控制器根据粗调整算法，引导机器人将轴放置到孔的包括其上边缘的内壁上，保证轴和孔的内壁之间至少有一个接触点，在此，若是一个接触点，则一般是与上边缘进行接触。

步骤a4：控制器调整机器人的位置环的增益(在此指位置闭环控制)，根据精密调整算法，调整轴的位置和方位，利用孔对轴的接触约束，以及机器人的主动力，消除轴和孔之间存在的位置和方位的不确定性。

如图4a至4e所示，机器人进行轴孔装配时的粗调整过程为：

步骤b1：机器人的控制器以接收到的孔51的中心位置建立装配基准坐标系，如图2所示，该装配基准坐标系为以孔51顶面的中心O_h为圆心建立的满足右手定则的三维坐标系，其中，Z轴竖直向上，X轴平行于一对基准夹紧装置的作用点的连线。

步骤b2：如图4a所示，机器人1绕着X轴转动轴4，调整轴4的中心线41，使轴4的中心线41与XZ平面平行。

步骤b3：如图4b所示，机器人1绕着Y轴转动轴4，调整轴4的中心线41与X轴的夹角θ约为75°～85°。

步骤b4：如图4c所示，机器人1沿着X轴方向(包括X轴正向和负向，以使轴4移动最短距离的方向为准)平移轴4，使轴4的底面中心O_p在装配基准坐标系下的X轴坐标值X_p小于孔51的半径R_h，即使X_p＜R_h。

步骤b5：如图4d所示，机器人1沿着Y轴方向(包括Y轴正向和负向)平移轴4，使轴4的底面中心O_p在装配基准坐标系下的Y轴坐标值Y_p小于孔51的半径R_h，即Y_p＜R_h。

步骤b6：如图4e所示，机器人1沿着Z轴负向向下平移轴4，使轴4的底部表面与孔51的内壁(包括孔51的上边缘)之间至少有一个接触点52。

图5示出了轴4的底部表面和孔51的内壁之间具有三个接触点53、54和55的情况。

如图6所示，机器人进行轴孔装配时的精调整过程为：

步骤c1：机器人1夹持轴4沿着Z轴负向施加一个向下的压力，同时，沿着X轴正向施加一个作用力，使定位栓21约束住孔51的转动和移动，同时，确保轴4的底部表面与孔51的内壁间具有至少三个接触点53、54和55；

步骤c2：机器人1夹持轴4，并保持施加沿Z轴向下压力，控制器设置机器人1沿Y轴方向移动的控制模式为“软伺服模式”(即增大机器人沿Y轴方向移动的位置环的增益，使机器人的姿态能够在反作用力的作用下沿Y轴自动调节)，机器人的其它自由度的控制模式不变，即其它自由度能够施加主动作用力；然后，机器人1携带轴4沿X轴方向略微移动，略微移动在本发明中指mm级以下的移动，如使轴4移动(1/k)×0.1mm，其中k是调整次数；

步骤c3：机器人夹持轴4，并保持施加沿Z轴向下的压力，控制器设置机器人沿X轴方向移动的控制模式为“软伺服模式”(即增大机器人沿X轴方向移动的位置环的增益，使机器人的姿态能够在反作用力的作用下沿X轴自动调节)，机器人的其它自由度的控制模式不变，即其它自由度可根据需要施加主动作用力；然后，机器人携带移动轴4沿Y轴方向略微移动，如使轴4移动(1/k)×0.1mm，其中k是调整次数；

步骤c4：机器人夹持轴4，并保持施加沿Z轴向下的压力，控制器设置机器人绕X轴转动的控制模式为“软伺服模式”(即增大机器人沿X轴方向转动的位置环的增益，使机器人的姿态能够在反作用力的作用下绕X轴自动调节)，机器人的其它自由度的控制模式不变，即其它自由度可施加主动作用力；然后，机器人携带移动轴4绕Y轴略微转动，略微转动在本发明中指0.1度以下的转动，使中心线41与X轴间的夹角θ增大(1/k)×0.1度，其中k是调整次数；

步骤C5：如果调整次数k大于设定次数，其中，K的初始值为1，例如100次时，执行步骤c6，并将调整次数重新设置为1(即重新设置为初始值)；否则调整次数加1，然后顺次执行步骤c2～c4，即第一次调整循环中K＝1，第二次调整循环中K＝1，共循环调整设定次数；

步骤c6：判断机器人末端的位置变化情况，如果末端的沿着Z轴负向的高度的减少量大于预设值，则执行步骤c7；否则，顺次执行步骤c2～c4；

步骤c7：设置机器人绕X轴和Y轴转动的控制模式为“软伺服模式”，机器人夹持轴4绕Z轴转动，机器人的其它自由度的控制模式不变，即其它自由度可施加主动作用力；然后，继续施加沿Z轴向下的压力，直至将轴4插入孔51中。

如图7所示，在步骤b1中，视觉传感器6获取孔51的位置的方法为：

步骤d1：输入包含有孔51的原始图像；

步骤d2：将原始图像首先转换为原始灰度图，采用高斯滤波函数对原始灰度图进行滤波，去除图像中存在的噪声点，得到滤波后的灰度图；

步骤d3：采用Canny算子从滤波后的灰度图中提取出孔的边缘轮廓；

步骤d3：采用椭圆拟合的方法拟合出与边缘轮廓最相似的椭圆，椭圆的中心位置就是孔51的顶面的中心O_h。

综上所述仅为本发明较佳的实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本发明的技术范畴。

Claims (7)

1.一种利用机器人的柔顺性实现轴孔装配的装置，其特征在于，包括底座、至少二套夹持机构、机器人和用于获得装配主体的孔的中心位置的视觉传感器，所述视觉传感器将所获得的孔的中心位置发送至机器人的控制器中；各套夹持机构安装于底座上，所述底座在被所有夹紧装置包围的位置上固定有与装配主体的孔配合的定位栓，所有夹紧装置中，具有至少一对夹紧装置的作用点在过且垂直于定位栓的中心线的直线上，形成一对基准夹紧装置；所述机器人具有至少四个自由度，包括沿以孔的中心位置为圆心建立的三维坐标系的三个轴的方向进行平移的自由度和绕至少一个轴进行旋转的自由度，所述机器人的控制器能够增大沿三个轴方向运动的位置环的增益，从而使安装于机器人末端上的手爪在与轴接触时获得在轴所施加的反作用力的作用下自动调节手爪姿态的柔顺性。

2.一种利用机器人的柔顺性实现轴孔装配的方法，其特征在于，通过权利要求1所述的装置执行如下步骤：

步骤a1：将带孔的装配主体放置底座上，使孔对准并套于固定栓上，然后，启动夹紧装置夹紧装配主体，以至少约束装配主体在一对基准夹紧装置的作用点连线方向上的移动和绕在水平面上与该连线垂直的轴的转动；

步骤a2：置于孔上方的视觉传感器识别并获取孔的中心位置，并将该中心位置发送给机器人的控制器，作为机器人装配轴孔时放置轴的初始目标位置；

步骤a3：机器人的控制器进行粗调整，引导机器人将轴放置到孔的包括其上边缘的内壁上，保证轴和孔的内壁之间至少有一个接触点；

步骤a4：控制器调整机器人的位置环的增益，进行精调整，以调整轴的位置和方位，利用孔对轴的接触约束，以及机器人的主动力，消除轴和孔之间存在的位置和方位的不确定性。

3.根据权利要求1所述的利用机器人的柔顺性实现轴孔装配的方法，其特征在于，步骤a3中的粗调整算法的具体步骤为：

步骤b1：机器人的控制器以接收到的孔的中心位置建立装配基准坐标系，所述装配基准坐标系为以孔的顶面的中心位置为圆心建立的满足右手定则的三维坐标系，其中，Z轴竖直向上，X轴平行于一对基准夹紧装置的作用点的连线；

步骤b2：机器人绕着X轴转动轴，调整轴的中心线，使轴的中心线与XZ平面平行；

步骤b3：机器人1绕着Y轴转动轴，将轴的中心线与X轴间的夹角调整为75°～85°；

步骤b4：机器人沿着X轴方向平移轴，使轴的底面中心在装配基准坐标系下的X轴坐标值小于孔的半径；

步骤b5：机器人沿着Y轴方向平移轴，使轴的底面中心在装配基准坐标系下的Y轴坐标值小于孔的半径；

步骤b6：机器人沿着Z轴向下平移轴，使轴的底部表面与孔的包括其上边缘的内壁之间至少有一个接触点。

4.根据权利要求2或3所述的利用机器人的柔顺性实现轴孔装配的方法，其特征在于，步骤a4中的精调整过程的步骤为：

步骤c1：机器人夹持轴沿着Z轴负施加一个向下的压力，同时，沿着X轴正向施加一个作用力，使定位栓约束住孔的转动和移动，同时，确保轴的底部表面与孔的内壁间具有至少三个接触点；

步骤c2：机器人夹持轴，并保持施加沿Z轴向下的压力，控制器增大机器人沿Y轴方向移动的位置环的增益，使机器人的Y轴方向的移动在轴的反作用力的作用下自动调节，并保持其它自由度的位置环的增益不变，然后，控制器控制机器人携带轴沿X轴方向略微移动；

步骤c3：机器人夹持轴，并保持施加沿Z轴向下的压力，控制器增大机器人沿X轴方向移动的位置环的增益，使机器人的X轴方向的移动在轴的反作用力的作用下自动调节，并保持其它自由度的位置环的增益不变，然后，控制器控制机器人携带轴沿Y轴方向略微移动；

步骤c4：机器人夹持轴，并保持施加沿Z轴向下的压力，控制器增大机器人沿X轴方向转动的位置环的增益，使机器人沿X轴方向的转动在轴的反作用力的作用下自动调节，并保持其它自由度的位置环的增益不变，然后，控制器控制机器人携带轴绕Y轴方向略微转动，使中心线41与X轴间的夹角增大；

步骤c5：如果调整次数大于设定的次数，其中，调整次数的初始值为1，则执行步骤c6，并将调整次数重新设置为初始值1；否则调整次数加1，然后顺次执行步骤c2～c4；

步骤c6：判断机器人的末端的位置变化情况，如果末端沿着Z轴负向的高度的减少量大于预设值，则执行步骤c7；否则，顺次执行步骤c2～c4；

步骤c7：控制器增大机器人沿Z轴方向转动的位置环的增益，并控制机器人夹持轴绕Z轴转动，同时，继续施加沿Z轴向下的压力，直至将轴插入孔中。

5.根据权利要求4所述的利用机器人的柔顺性实现轴孔装配的方法，其特征在于，步骤c2中，控制器控制机器人携带轴沿X轴方向略微移动的距离为(1/k)×0.1mm，其中，K为当前的调整次数。

6.根据权利要求4所述的利用机器人的柔顺性实现轴孔装配的方法，其特征在于，步骤c3中，控制器控制机器人携带轴沿Y轴方向略微移动的距离为(1/k)×0.1mm，其中，K为当前的调整次数。

7.根据权利要求4所述的利用机器人的柔顺性实现轴孔装配的方法，其特征在于，步骤c4中，控制器控制机器人携带轴绕Y轴转动(1/k)×0.1度，其中，K为当前的调整次数。

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