CN104690551B - 一种机器人自动化装配系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人自动化装配系统，包括：上位机系统、数据采集系统、机器人控制器、工业机器人、夹持系统、多传感器系统和待装配对象，其中：所述工业机器人用于执行上位机系统所发出的控制指令；多传感器系统用于获得装配对象或装配位置的位姿测量数据；夹持系统用于实现对装配对象的夹持及其控制；上位机系统用于获取多传感器系统的测量数据并进行计算，根据计算结果对机器人的运动进行规划，并反馈给工业机器人。本发明机器人自动化装配系统能够根据检测到的装配对象或装配位置的位姿参数数据，对装配过程进行规划，能够实现对复杂对象的高精度自动化装配。

Description

一种机器人自动化装配系统

技术领域

本发明属于自动化装配技术领域，是一种用于自动化装配的机器人装配系统。

背景技术

机器人装配系统以其自动化程度高、装配精度高、稳定性好、能适应极端环境等特点而广泛应用于汽车制造、航空、电子产品制造等各个领域。机器人装配系统已经有了较成熟的发展，小到微米级的电子元件制造，大到大型工业设备的生产，无不体现着机器人装配系统在现代工业生产中的重要地位。近年来，机器人装配系统也越来越多地开始应用到军事、航天、核能等特殊领域，但其面临的问题也越来越复杂，包括环境的复杂性、高可靠性、高精度、高洁净要求等问题。

在装配机器人中，视觉、激光等检测与定位传感器的引入使机器人自主作业成为了可能。机器人装配系统往往既要实现从抓取位置到安装位置的大范围检测与定位，又要保证在近距离时具有较高的定位精度，以保证最后装配的高精度要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有装配系统自动化程度低、检测与定位信息不完备或精度低等问题，提供一种用于自动化装配的机器人装配系统。

根据本发明的一方面，提供一种面向自动化装配的机器人装配系统，该系统包括：上位机系统、数据采集系统、机器人控制器、工业机器人、夹持系统、多传感器系统和待装配对象，其中：

所述上位机系统与所述数据采集系统、机器人控制器和夹持系统连接，用于控制夹持系统对于待装配对象进行夹持，通过所述数据采集系统接收所述多传感器系统采集得到的数据，对数据进行处理，得到待装配对象的位置和姿态信息，并根据待装配对象的位置和姿态信息向机器人控制器发出运动指令，以控制所述工业机器人按照设定路径运动，进而带动所述夹持系统运动；

所述夹持系统用于根据所述上位机系统的控制实现对于待装配对象的夹持和装配；

所述多传感器系统与所述数据采集系统连接，用于采集所述待装配对象的视觉和位置数据，并将采集到的数据通过所述数据采集系统发送给上位机系统；

所述机器人控制器与工业机器人连接，用于根据所述上位机系统发出的运动指令驱动所述工业机器人实现相应的运动，并与所述夹持系统相配合完成待装配对象的装配。

根据本发明的另一方面，还提供一种机器人自动化装配方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，利用第一视觉传感器检测第一待装配对象的位姿信息，并将第一待装配对象的位姿信息反馈给上位机系统，在上位机系统的控制下，工业机器人与夹持系统完成对于第一待装配对象的自动夹持；

步骤2，在上位机系统的控制下，所述工业机器人将第一待装配对象转运到一预定范围，所述上位机系统通过第一视觉传感器对于第二待装配对象进行图像采集，并根据所述第一视觉传感器采集到的图像信息，计算得到所述第二待装配对象的三维位姿，所述上位机系统根据得到的第二待装配对象的三维位姿结果对于工业机器人的路径进行规划，并向机器人控制器发送控制命令，所述机器人控制器根据所述控制命令驱动工业机器人执行相应的运动，将所述第一待装配对象引导到第二待装配对象的附近；

步骤3，当第一待装配对象与第二待装配对象的距离小于第一设定阈值时，利用第二视觉传感器对所述第二待装配对象进行近距离观测，并将观测信息反馈给所述上位机系统，所述上位机系统根据所述观测信息计算得到所述第二待装配对象的部分位姿信息；

步骤4，多个激光传感器采集第二待装配对象相对于多个激光传感器的距离信息，并将采集到的信息反馈给所述上位机系统，所述上位机系统根据激光传感器反馈的信息对步骤3得到的第二待装配对象的部分位姿信息进行补充，得到第二待装配对象的三维位姿信息，所述上位机系统根据第二待装配对象的三维位姿信息，对于所述工业机器人的路径再次进行规划，并向机器人控制器发送控制指令，控制工业机器人进行调整，直到第二视觉传感器检测到的第二待装配对象的三维位置与期望位姿之间的偏差，以及所述多个激光传感器的测量值与期望值之间的偏差小于第二设定阈值；

步骤5，所述机器人控制器驱动工业机器人实现装配操作，所述上位机系统实时判断多个激光传感器测量值的平均值是否达到第三设定阈值，若达到则标志装配操作完成。

实践证明，本发明能够实现装配过程对装配对象和装配位置的自动检测和定位，能够实现自动抓取、自动引导、自动对准和自动插入等过程，能够有效提高装配的效率和精度。通过两个视觉传感器和三个激光测距传感器的配合，本发明能够实现对目标大范围的检测和定位，又能实现近距离时精确位姿估计，在保证装配精度的同时，提高了装配效率。

附图说明

图1为本发明机器人自动化装配系统的结构模块示意图；

图2为根据本发明一实施例的机器人自动化装配系统的结构示意图；

图3为根据本发明一实施例的机器人自动化装配系统的装配流程图。

附图标记说明：

1-上位机系统

2-数据采集系统

3-机器人控制器

4-工业机器人

5-夹持系统

5.1-夹持机构

5.2-第一气缸

5.3-第二气缸

5.4-第三气缸

5.5-第四气缸

6-多传感器系统

6.1-第一视觉传感器

6.2-第二视觉传感器

6.3-第一激光传感器

6.4-第二激光传感器

6.5-第三激光传感器

7-待装配对象

7.1-第一待装配对象

7.2-第二待装配对象

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，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明机器人自动化装配系统的结构模块示意图，如图1所示，根据本发明的一方面，提出一种机器人自动化装配系统，所述系统包括上位机系统1、数据采集系统2、机器人控制器3、工业机器人4、夹持系统5、多传感器系统6和待装配对象7，其中：

所述上位机系统1与所述数据采集系统2、机器人控制器3和夹持系统5连接，用于控制夹持系统5对于待装配对象7进行夹持，通过所述数据采集系统2接收所述多传感器系统6采集得到的数据，对数据进行处理，得到待装配对象7的位置和姿态信息，并根据待装配对象7的位置和姿态信息向机器人控制器3发出运动指令，以控制所述工业机器人4按照设定路径运动，进而带动所述夹持系统5运动；

所述夹持系统5用于根据所述上位机系统1的控制实现对于待装配对象7的夹持和装配；

所述多传感器系统6与所述数据采集系统2连接，用于采集所述待装配对象7的视觉和位置数据，并将采集到的数据通过所述数据采集系统2发送给上位机系统1；

所述机器人控制器3与工业机器人4连接，用于根据所述上位机系统1发出的运动指令驱动所述工业机器人4实现相应的运动，并与所述夹持系统5相配合完成待装配对象7的装配。

在本发明一实施例中，所述待装配对象7包括两个或多个待装配对象，比如第二待装配对象7.2和对准之后插入到所述第二待装配对象7.2中的第一待装配对象7.1，在这种情况下，夹持系统5夹持住第一待装配对象7.1，多传感器系统6采集第二待装配对象7.2的测量数据，经上位机系统1处理之后，得到第二待装配对象7.2的位置和姿态信息，上位机系统1根据第二待装配对象7.2的位置和姿态信息通过机器人控制器3控制工业机器人4带动夹持系统5运动，以将夹持系统5所夹持的第一待装配对象7.1装配到第二待装配对象7.2中去。

图2为根据本发明一实施例的机器人自动化装配系统的结构示意图，如图2所示，所述多传感器系统6包括多个视觉传感器和多个激光传感器，其中：

所述视觉传感器装设在所述夹持系统5上，用于采集待装配对象7的视觉数据；

所述激光传感器用于采集待装配对象7的距离数据。

在本发明一实施例中，所述视觉传感器包括第一视觉传感器6.1和第二视觉传感器6.2，所述激光传感器包括第一激光传感器6.3、第二激光传感器6.4和第三激光传感器6.5，其中：

所述第一视觉传感器6.1装设在所述夹持系统5的夹持机构5.1上侧边的中间部分，用于对于待装配对象7.1或7.2进行三维位姿的远距离测量；

所述第二视觉传感器6.2布置在所述夹持系统5的夹持机构5.1上侧边的一角，比如右上角，用于对于待装配对象7.1或7.2进行三维位姿的近距离测量；

所述第一激光传感器6.3、第二激光传感器6.4和第三激光传感器6.5安装在所述夹持机构5.1的三侧边上，在本发明一实施例中，所述第一激光传感器6.3、第二激光传感器6.4和第三激光传感器6.5分别安装在所述夹持机构5.1下侧边的中间部分、左侧边的中间部分和右侧边的中间部分，用于测量待装配对象7.1或7.2的位置信息；

结合所述视觉传感器和激光传感器的测量结果可以实现对于待装配对象7三维位姿的精确测量，从而为工业机器人4的自动抓取、自动插入等动作提供反馈信息。

所述夹持系统5包括夹持机构5.1和装设于所述夹持机构5.1上的气动控制部件，其中：

所述夹持机构5.1安装在所述工业机器人4的末端上，用于与气动控制部件配合共同完成对于第一待装配对象7.1的夹持或放开。

在本发明一实施例中，所述气动控制部件为气缸，更进一步地，所述气缸为多个，比如可以为4个：第一气缸5.2、第二气缸5.3、第三气缸5.4和第四气缸5.5，所述多个气缸5.2到5.5布置在所述夹持机构5.1的四个角上，其中，所述多个气缸5.2到5.5通过同一气泵供气，并由所述上位机系统1实现同时松开或锁紧控制。

其中，所述工业机器人4为六自由度机器人。

其中，所述上位机系统1进一步包括控制模块、装配策略模块、人机交互界面和传感器信息处理模块，其中：

所述传感器信息处理模块用于对于多传感器系统6采集到的数据进行处理，得到待装配对象7的位置和姿态信息；

所述装配策略模块用于根据待装配对象7的位置和姿态信息规划所述工业机器人4的运动路径；

所述控制模块用于控制夹持系统5对于待装配对象7进行夹持，并根据所述装配策略模块设置的运动路径向机器人控制器3发出运动指令；

所述人机交互界面用于提供人机交互接口。

根据本发明的另一方面，还提出一种机器人自动化装配方法，如图3所示，所述方法包括以下步骤：

步骤1，利用第一视觉传感器6.1检测第一待装配对象7.1的位姿信息，并将第一待装配对象7.1的位姿信息反馈给上位机系统1，在上位机系统1的控制下，工业机器人4与夹持系统5完成对于第一待装配对象7.1的自动夹持；

步骤2，在上位机系统1的控制下，所述工业机器人4将第一待装配对象7.1转运到一个预定范围，在该预定范围内第一视觉传感器6.1能够观测到第二待装配对象7.2，所述上位机系统1通过第一视觉传感器6.1对于第二待装配对象7.2进行图像采集，并根据所述第一视觉传感器6.1采集到的图像信息，计算得到所述第二待装配对象7.2的三维位姿，所述上位机系统1根据得到的第二待装配对象7.2的三维位姿结果对于工业机器人4的路径进行规划，并向机器人控制器3发送控制命令，所述机器人控制器3根据所述控制命令驱动工业机器人4执行相应的运动，将所述第一待装配对象7.1引导到第二待装配对象7.2的附近；

步骤3，当第一待装配对象7.1与第二待装配对象7.2的距离小于第一设定阈值时，利用第二视觉传感器6.2对所述第二待装配对象7.2进行近距离观测，并将观测信息反馈给所述上位机系统1，所述上位机系统1根据所述观测信息计算得到所述第二待装配对象7.2的部分位姿信息；

在本发明一实施例中，所述步骤3得到的第二待装配对象7.2的部分位姿信息为所述第二待装配对象7.2在X，Y，θ_Z三个自由度上的位姿信息，这里的坐标系指的是以夹持机构5.1所构成的平面中心为坐标原点，沿夹持机构5.1所构成的平面指向第三激光传感器6.5所安装一侧的方向为X方向，沿夹持机构5.1所构成的平面指向第一激光传感器6.3所安装一侧的方向为Y方向，垂直于夹持机构5.1所构成的平面且指向第二待装配对象7.2的方向为Z方向，而θ_X，θ_Y、θ_Z分别指绕X，Y，Z方向旋转的角度。

步骤4，多个激光传感器6.3到6.5采集第二待装配对象7.2相对于第一激光传感器6.3到第三激光传感器6.5的距离信息，并将采集到的信息反馈给所述上位机系统1，所述上位机系统1根据激光传感器反馈的信息计算得到所述第二待装配对象7.2在Z，θ_X，θ_Y三个自由度上的位姿信息，如此结合步骤3得到的第二待装配对象的部分位姿信息，即可得到所述第二待装配对象7.2的三维位姿信息，所述上位机系统1根据第二待装配对象7.2的三维位姿信息，对于所述工业机器人4的路径再次进行规划，并向机器人控制器3发送控制指令，控制工业机器人4进行调整，直到第二视觉传感器6.2检测到的第二待装配对象7.2的三维位置与期望位姿之间的偏差，以及所述多个激光传感器6.3到6.5的测量值与期望值之间的偏差小于第二设定阈值；

步骤5，所述机器人控制器3驱动工业机器人4实现装配操作，所述上位机系统1实时判断多个激光传感器6.3到6.5测量值的平均值是否达到第三设定阈值，若达到则标志装配操作完成。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种机器人自动化装配系统，其特征在于，该系统包括：上位机系统、数据采集系统、机器人控制器、工业机器人、夹持系统、多传感器系统和待装配对象，其中：

所述上位机系统与所述数据采集系统、机器人控制器和夹持系统连接，用于控制夹持系统对于待装配对象进行夹持，通过所述数据采集系统接收所述多传感器系统采集得到的数据，对数据进行处理，得到待装配对象的位置和姿态信息，并根据待装配对象的位置和姿态信息向机器人控制器发出运动指令，以控制所述工业机器人按照设定路径运动，进而带动所述夹持系统运动；

所述夹持系统用于根据所述上位机系统的控制实现对于待装配对象的夹持和装配；

所述多传感器系统与所述数据采集系统连接，用于采集所述待装配对象的视觉和位置数据，并将采集到的数据通过所述数据采集系统发送给上位机系统；

所述机器人控制器与工业机器人连接，用于根据所述上位机系统发出的运动指令驱动所述工业机器人实现相应的运动，并与所述夹持系统相配合完成待装配对象的装配；

所述多传感器系统包括多个视觉传感器和多个激光传感器，其中：

所述视觉传感器装设在所述夹持系统上，用于采集待装配对象的视觉数据；

所述激光传感器用于采集待装配对象的距离数据；

所述视觉传感器包括第一视觉传感器和第二视觉传感器，所述激光传感器包括第一激光传感器、第二激光传感器和第三激光传感器，其中：

所述第一视觉传感器装设在所述夹持系统的夹持机构上侧边的中间部分，用于对于待装配对象进行三维位姿的远距离测量；

所述第二视觉传感器布置在所述夹持系统的夹持机构上侧边的一角，用于对于待装配对象进行三维位姿的近距离测量；

所述第一激光传感器、第二激光传感器和第三激光传感器安装在所述夹持机构的三侧边上。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述待装配对象包括两个或多个待装配对象。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述待装配对象包括第二待装配对象和对准之后插入到所述第二待装配对象中的第一待装配对象。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述夹持系统包括夹持机构和装设于所述夹持机构上的气动控制部件，其中：

所述夹持机构安装在所述工业机器人的末端上，用于与气动控制部件配合共同完成对于第一待装配对象的夹持或放开。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述气动控制部件为多个气缸，且所述多个气缸通过同一气泵供气。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述工业机器人为六自由度机器人。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上位机系统进一步包括控制模块、装配策略模块、人机交互界面和传感器信息处理模块，其中：

所述传感器信息处理模块用于对于多传感器系统采集到的数据进行处理，得到待装配对象的位置和姿态信息；

所述装配策略模块用于根据待装配对象的位置和姿态信息规划所述工业机器人的运动路径；

所述控制模块用于控制夹持系统对于待装配对象进行夹持，并根据所述装配策略模块设置的运动路径向机器人控制器发出运动指令；

所述人机交互界面用于提供人机交互接口。

8.一种机器人自动化装配方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，利用第一视觉传感器检测第一待装配对象的位姿信息，并将第一待装配对象的位姿信息反馈给上位机系统，在上位机系统的控制下，工业机器人与夹持系统完成对于第一待装配对象的自动夹持；

步骤2，在上位机系统的控制下，所述工业机器人将第一待装配对象转运到一预定范围，所述上位机系统通过第一视觉传感器对于第二待装配对象进行图像采集，并根据所述第一视觉传感器采集到的图像信息，计算得到所述第二待装配对象的三维位姿，所述上位机系统根据得到的第二待装配对象的三维位姿结果对于工业机器人的路径进行规划，并向机器人控制器发送控制命令，所述机器人控制器根据所述控制命令驱动工业机器人执行相应的运动，将所述第一待装配对象引导到第二待装配对象的附近；

步骤3，当第一待装配对象与第二待装配对象的距离小于第一设定阈值时，利用第二视觉传感器对所述第二待装配对象进行近距离观测，并将观测信息反馈给所述上位机系统，所述上位机系统根据所述观测信息计算得到所述第二待装配对象的部分位姿信息；

步骤4，多个激光传感器采集第二待装配对象相对于多个激光传感器的距离信息，并将采集到的信息反馈给所述上位机系统，所述上位机系统根据激光传感器反馈的信息对步骤3得到的第二待装配对象的部分位姿信息进行补充，得到第二待装配对象的三维位姿信息，所述上位机系统根据第二待装配对象的三维位姿信息，对于所述工业机器人的路径再次进行规划，并向机器人控制器发送控制指令，控制工业机器人进行调整，直到第二视觉传感器检测到的第二待装配对象的三维位置与期望位姿之间的偏差，以及所述多个激光传感器的测量值与期望值之间的偏差小于第二设定阈值；

步骤5，所述机器人控制器驱动工业机器人实现装配操作，所述上位机系统实时判断多个激光传感器测量值的平均值是否达到第三设定阈值，若达到则标志装配操作完成。