CN105729469B - 一种基于环境吸引域的轴孔装配方法及系统 - Google Patents

一种基于环境吸引域的轴孔装配方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于环境吸引域的轴孔装配方法及系统，方法首先根据轴零件和孔零件的姿态，确定轴零件在构型空间中的约束域，然后判断约束域或约束域的邻域是否为凸，若是，则该约束域为环境吸引域，再将环境吸引域的最低点作为轴零件装配至孔零件时的目标姿态，根据该环境吸引域确定一目标函数，根据该目标函数求取轴零件从初始姿态到目标姿态的路径，最后根据该路径将轴零件装配至孔零件。本发明利用高维环境吸引域理论对轴孔零件的构型空间进行分析，自动地得到轴孔零件的装配策略，尽可能减少操作人员的工作量，提高装配效率和系统的自动化程度。

Description

一种基于环境吸引域的轴孔装配方法及系统
技术领域
本发明属于装配自动化领域，尤其涉及一种基于环境吸引域的轴孔装配方法及系统。
背景技术
随着现代制造业的快速发展，对于装配自动化程度的要求越来越高。目前，轴孔装配系统一般由夹持机构、执行机构、传感系统和控制系统组成。针对非标准形状的轴孔装配，需要根据其特殊形状设计专门的装配策略。现阶段，这一过程主要由人工完成。然而，人工设计装配策略对于操作人员的经验技术要求比较高，而且对于形状相似、或者尺寸不同的零件装配都需要重新设计策略，灵活性较差，效率低下。
“环境吸引域”是在机器人操作过程中，存在于机器人与被操作物体共同形成的构型空间(即机器人的某种状态构成的空间)中的一个概念。在研究中发现，对于机器人轴孔装配问题，其构形空间中存在凸(或局部凸)区域，通过构造一个与轴、孔状态无关的输入，即可使机器人的状态收敛至该凸(或局部凸)区域的最低点，从而达到稳态、消除误差。这种区域被称作轴孔装配问题中的“环境吸引域”。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于，提供一种基于环境吸引域的轴孔装配方法及系统，能灵活、高效地完成轴零件和孔零件的装配。
(二)技术方案
本发明提供一种基于环境吸引域的轴孔装配方法，用于对轴零件和孔零件进行装配，方法包括：
S1，根据轴零件和孔零件的姿态，确定轴零件在构型空间中的约束域，其中，约束域为构型空间中满足轴孔的物理约束的所有姿态的集合；
S2，判断约束域或约束域的邻域是否为凸，若是，则约束域为环境吸引域，并进行步骤S3；
S3，将环境吸引域的最低点作为轴零件装配至孔零件时的目标姿态，根据该环境吸引域确定一目标函数，根据目标函数求取轴零件从初始姿态到目标姿态的路径，根据路径将所述轴零件装配至所述孔零件。
本发明还提供一种基于环境吸引域的轴孔装配系统，用于对轴零件和孔零件进行装配，系统包括：
分析子系统，用于根据轴零件和所述孔零件的姿态，确定轴零件在构型空间中的约束域，其中，约束域为构型空间中满足轴孔的物理约束的所有姿态的集合；判断约束域或该约束域的邻域是否为凸，若是，则约束域为环境吸引域，则将环境吸引域的最低点作为所述轴零件装配至孔零件时的目标姿态，根据该环境吸引域确定一目标函数，根据该目标函数求取轴零件从初始姿态到目标姿态的路径；
装配子系统，用于根据轴零件从初始姿态到目标姿态的路径，将轴零件装配至所述孔零件。
(三)有益效果
本发明利用高维环境吸引域理论对轴孔零件的构型空间进行分析，自动地得到轴孔零件的装配策略，尽可能减少操作人员的工作量，提高装配效率和系统的自动化程度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于环境吸引域的轴孔装配方法的流程图。
图2是本发明实施例提供的基于环境吸引域的轴孔装配系统的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种基于环境吸引域的轴孔装配方法及系统，方法首先根据轴零件和孔零件的姿态，确定轴零件在构型空间中的约束域，然后判断约束域或约束域的邻域是否为凸，若是，则该约束域为环境吸引域，再将环境吸引域的最低点作为轴零件装配至所述孔零件时的目标姿态，根据该环境吸引域确定一目标函数，根据该目标函数求取轴零件从初始姿态到目标姿态的路径，最后根据该路径将轴零件装配至孔零件。本发明利用高维环境吸引域理论对轴孔零件的构型空间进行分析，自动地得到轴孔零件的装配策略，尽可能减少操作人员的工作量，提高装配效率和系统的自动化程度。
根据本发明的一种实施方式，基于环境吸引域的轴孔装配方法包括：
S1，根据轴零件和孔零件的姿态，确定轴零件在构型空间中的约束域，其中，轴零件P在构型空间中由于受到孔H的约束，其可行范围是构型空间中的约束域，约束域为构型空间中满足轴孔的物理约束的所有姿态的集合；在本步骤中，可以根据轴零件CAD模型P、孔零件CAD模型H，确定轴零件和孔零件的姿态。
S2，判断约束域或约束域的邻域是否为凸，若是，则约束域为环境吸引域，并进行步骤S3；
S3，将环境吸引域的最低点作为轴零件装配至所述孔零件时的目标姿态，根据环境吸引域确定一目标函数，根据目标函数求取轴零件从初始姿态到目标姿态的路径，根据路径将轴零件装配至孔零件。其中，目标函数与轴的具体姿态无关，与时间t可以相关或者无关。
根据本发明的一种实施方式，约束域Ωp的表达式为：
pP＝(x，y，z，θx，θy，θz)T∈C6
其中，pP为所述轴零件的姿态，x表示轴零件在x轴方向的坐标，y表示在y轴方向的坐标，z表示在z轴方向的坐标，θx表示绕x轴顺时针方向的转过的角度，θy表示绕y轴顺时针方向的转过的角度，θz表示绕z轴顺时针方向的转过的角度，C6表示6维空间，P∩H表示轴零件P与孔零件H的重叠区域。
根据本发明的一种实施方式，在Ωp内通过目标函数u(t)实现对轴孔的装配，操作目标函数u(t)的表达式为：
其中，t表示时间，为垂直于x0点的切平面指向约束域或其邻域外侧的方向向量，x0为约束域Ωp或其邻域的最低点，K为系数，u(t)的大小由系数R决定，该系数与待装配零件的材质、刚度有关。
根据本发明的一种实施方式，步骤S3中，实现轴零件从初始姿态P0到目标姿态Pe的路径：
Pk+1＝Pk+μ·u(t)，
其中，μ是一可调参数，该值越大所得到的装配操作序列越短，步骤越粗略，该值越小所得到的装配序列越长，步骤越精细。k为大于等于0的正整数，当k到达数值N时，PN收敛至Pe，根据求取出的轴零件姿态序列{P0，P1，...，PN},根据该序列将该轴零件的装配至孔零件。
根据本发明的一种实施方式，方法还包括：S4,若该约束域不为环境吸引域，则获取轴零件的姿态pP在m维子空间Cm下的投影
并得到m维子空间Cm下中的约束域
若存在为凸或在某邻域内为凸，则该m维子空间中的约束域为环境吸引域，在Ωp所在构形空间的子空间内存在环境吸引域的情况下，对于轴对应于投影子空间的自由度，可以实现误差的消除。此时，可向操作人员提供子空间序列辅助操作人员完成该轴零件的装配。
根据本发明的一种实施方式，基于环境吸引域的轴孔装配系统包括分析子系统及装配子系统，分析子系统用于执行上述方法求取轴零件从初始姿态到目标姿态的路径，具体的分析子系统可以是一计算机，控制装配子系统进行轴孔装配。其中：
分析子系统，用于根据轴零件和孔零件的姿态，确定轴零件在构型空间中的约束域，其中，约束域为构型空间中满足轴孔的物理约束的所有姿态的集合；判断该约束域或该约束域的邻域是否为凸，若是，则该约束域为环境吸引域，则将环境吸引域的最低点作为所述轴零件装配至孔零件时的目标姿态，根据该环境吸引域确定一目标函数，根据该目标函数求取轴零件从初始姿态到目标姿态的路径；
装配子系统，用于根据轴零件从初始姿态到目标姿态的路径，将轴零件装配至孔零件。
根据本发明的一种实施方式，装配子系统包括：
轴夹持机构，用于固定轴零件，其具体形状应由轴零件的形状决定；
孔夹持机构，用于固定孔零件，其具体形状应由孔零件的形状决定；
执行机构，用于带动轴夹持机构，根据所述路径将所述轴零件装配至所述孔零件，执行机构可以是工业机器人，或者与之等效的机电系统。该执行机构在沿空间坐标轴方向移动或者旋转的过程中，应该可以设定沿坐标轴移动或者旋转方向上的柔性，其中“柔性”指在移动或者旋转过程中，如果没有到达设定位置而发生碰撞，则在设定了柔性的方向上机器人可以允许一定的误差。
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是本发明实施例提供的基于环境吸引域的轴孔装配方法的流程图，如图1所示，方法包括：
S1，导入轴零件CAD模型P、孔零件CAD模型H，根据轴零件和孔零件的姿态，确定轴零件在构型空间中的约束域Ωp：
pP＝(x，y，z，θx，θy，θz)T∈C6，
其中，pP为所述轴零件的姿态，x表示轴零件在轴方向的坐标，y表示在y轴方向的坐标，z表示在z轴方向的坐标，θx表示绕x轴顺时针方向的转过的角度，θy表示绕y轴顺时针方向的转过的角度，θz表示绕z轴顺时针方向的转过的角度。
S2,判断约束域或约束域的邻域是否为凸，若是，则约束域为环境吸引域，并进行步骤S3，否则，执行步骤S4；
S3，将环境吸引域的最低点作为轴零件装配至孔零件时的目标姿态Pe，根据环境吸引域确定一目标函数u(t)：
其中，t表示时间，为垂直于x0点的切平面指向约束域或其邻域外侧的方向向量，x0为约束域Ωp或其邻域的最低点，K为系数，u(t)的大小由系数K决定，该系数与待装配零件的材质、刚度有关。
根据目标函数u(t)求取轴零件从初始姿态P0到目标姿态Pe的路径：
Pk+1＝Pk+μ.u(t)
其中，μ是一可调参数，k为大于等于0的正整数，当k到达数值N时，PN收敛至Pe，根据求取出的轴零件姿态序列{P0，P1，...，PN},根据该序列将该轴零件的装配至孔零件。
S4，若该约束域不为环境吸引域，则获取轴零件的姿态pP在m维子空间Cm下的投影
并得到m维子空间Cm下中的约束域
若存在为凸或在某邻域内为凸，则该m维子空间中的约束域为环境吸引域，根据该环境吸引域确定一目标函数，用于实现轴零件从初始姿态到目标姿态的路径，根据该路径将轴零件装配至孔零件。
图2是本发明实施例提供的基于环境吸引域的轴孔装配系统的示意图，如图2所示，系统包括轴夹持机构1、孔夹持机构2、执行机构3及计算机4，其中，计算机4根据轴零件和孔零件的姿态，确定轴零件在构型空间中的约束域，并判断约束域或该约束域的邻域是否为凸，若是，则约束域为环境吸引域，则将环境吸引域的最低点作为所述轴零件装配至孔零件时的目标姿态，根据该环境吸引域确定一目标函数，根据该目标函数求取轴零件从初始姿态到目标姿态的路径。轴夹持机构1固定轴零件，孔夹持机构2固定孔零件，执行机构3带动轴夹持机构1，根据计算机4求取出的路径将轴零件装配至孔零件。
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 (6)

1.一种基于环境吸引域的轴孔装配方法，用于对轴零件和孔零件进行装配，其特征在于，方法包括：
S1，根据所述轴零件和所述孔零件的姿态，确定所述轴零件在构型空间中的约束域，其中，所述约束域为构型空间中满足轴孔的物理约束的所有姿态的集合；
S2，判断该约束域或该约束域的邻域是否为凸，若是，则该约束域为环境吸引域，并进行步骤S3；
S3，将环境吸引域的最低点作为所述轴零件装配至所述孔零件时的目标姿态，根据该环境吸引域确定一目标函数，根据该目标函数求取所述轴零件从初始姿态到目标姿态的路径，根据该路径将所述轴零件装配至所述孔零件，
所述约束域Ωp的表达式为：
其中，pP为所述轴零件的姿态，x表示轴零件在x轴方向的坐标，y表示在y轴方向的坐标，z表示在z轴方向的坐标，θx表示绕x轴顺时针方向的转过的角度，θy表示绕y轴顺时针方向的转过的角度，θz表示绕z轴顺时针方向的转过的角度，表示6维空间，P∩H表示轴零件P与孔零件H的重叠区域。
2.根据权利要求1所述的基于环境吸引域的轴孔装配方法，其特征在于，所述目标函数u(t)的表达式为：
<mrow> <mi>u</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>K</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>e</mi> <msub> <mi>&amp;Omega;</mi> <mi>p</mi> </msub> </msub> <mo>,</mo> </mrow>
其中，t表示时间，为垂直于x0点的切平面指向约束域或其邻域外侧的方向向量，x0为约束域Ωp或其邻域的最低点，K为系数。
3.根据权利要求2所述的基于环境吸引域的轴孔装配方法，其特征在于，所述步骤S3中，实现所述轴零件从初始姿态P0到目标姿态Pe的路径：
Pk+1＝Pk+μ·u(t)，
其中，μ是一可调参数，k为大于等于0的正整数，当k到达数值N时，PN收敛至Pe，根据求取出的轴零件姿态序列{P0,P1,…,PN}，根据该序列将该轴零件的装配至所述孔零件。
4.根据权利要求3所述的基于环境吸引域的轴孔装配方法，其特征在于，还包括：
S4，若该约束域不为环境吸引域，则获取轴零件的姿态pP在m维子空间下的投影
并得到m维子空间下中的约束域
若存在为凸或在某邻域内为凸，则该m维子空间中的约束域为环境吸引域，根据该环境吸引域确定一目标函数，用于实现所述轴零件从初始姿态到目标姿态的路径，根据该路径将所述轴零件装配至所述孔零件。
5.一种基于环境吸引域的轴孔装配系统，用于对轴零件和孔零件进行装配，其特征在于，系统包括：
分析子系统，用于根据所述轴零件和所述孔零件的姿态，确定所述轴零件在构型空间中的约束域，其中，所述约束域为构型空间中满足轴孔的物理约束的所有姿态的集合；判断该约束域或该约束域的邻域是否为凸，若是，则该约束域为环境吸引域，则将环境吸引域的最低点作为所述轴零件装配至所述孔零件时的目标姿态，根据该环境吸引域确定一目标函数，根据该目标函数求取所述轴零件从初始姿态到目标姿态的路径；
装配子系统，用于根据所述轴零件从初始姿态到目标姿态的路径，将所述轴零件装配至所述孔零件，
所述约束域Ωp的表达式为：
其中，pP为所述轴零件的姿态，x表示轴零件在x轴方向的坐标，y表示在y轴方向的坐标，z表示在z轴方向的坐标，θx表示绕x轴顺时针方向的转过的角度，θy表示绕y轴顺时针方向的转过的角度，θz表示绕z轴顺时针方向的转过的角度，表示6维空间，P∩H表示轴零件P与孔零件H的重叠区域。
6.根据权利要求5所述的基于环境吸引域的轴孔装配系统，其特征在于，所述装配子系统包括：
轴夹持机构，用于固定轴零件；
孔夹持机构，用于固定孔零件；
执行机构，用于带动所述轴夹持机构，根据所述路径将所述轴零件装配至所述孔零件。
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