CN105834735A - 一种基于激光跟踪仪的零部件自动装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光跟踪仪的零部件自动装配方法，包括建立装配系统，设定装配坐标系，测量并计算零部件的始末位姿，计算中间节点，位姿补偿获得零部件精确位置。本发明采用激光跟踪仪作为测量工具，测量精度高；采用六自由度工业机器人作为装配工具，可对多种形态的零部件进行自动装配，装配方式灵活可靠，装配方法精度较高。

Description

一种基于激光跟踪仪的零部件自动装配方法

技术领域

本发明涉及工业机器人的装配领域，具体来说，是一种利用激光跟踪仪测量，采用六自由度工业机器人进行零部件自动装配的方法。

背景技术

装配是按照规定的技术要求，将若干个零件接合成部件或将若干个零件和部件接合成产品的劳动过程。它是工业生产环节非常关键的一环，装配的质量影响着产品的质量。随着航天航空等领域的快速发展，所设计的大多数零件结构复杂，如汽车发动机、航空航天发动机叶片、汽车覆盖件模具等，由于零件表面复杂，因此，相关零件在装配过程中的装配精度难以保证，对相应的装配技术要求较高。

近些年，国外航空制造业已经发展了很多先进装配技术，例如机器人装配技术、柔性装配技术等。其特点都是基于数字化的技术手段，缩短装配时间，提高装配效率和精确度，尤其突出的是是机器人装配技术；工业机器人及其自动化装配生产线己成为高端装备的重要组成部分及未来发展趋势。

国内相关领域的装配技术与国外还有一定差距，装配型架这种传统的装配手段依旧被广泛应用，型架装配方式要求装配过程中大量采用具有定位夹紧功能的设备，存在制造精度极低、周期时间较长、工作效率被严重制约的缺点。

因此针对国内各领域中常见的装配要求高的零部件，有必要提出一种采用先进装配技术进行高精度装配的方法。

发明内容

鉴于以上内容，本发明针对各领域零部件装配精度要求高的困难，提供一种基于激光跟踪仪的零部件自动装配方法，对装配要求高的零部件进行精确装配。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

步骤1，调整装配系统；所述装配方法采用的装配系统包括工业六自由度机器人(1)，激光跟踪仪(2)、末端器(3)、上位机(4)、装配目标(5)、零部件(6)及其适配器(7)。

步骤2，建立装配系统坐标系；{Base}表示机器人基坐标系，其位姿固定；{Ground}为地面坐标系，由所述工业六自由度机器人(1)底座平面上三个靶球确定；{Flange}为机器人末端法兰坐标系，位姿由所述工业六自由度机器人(1)内部定义；{End}为末端器坐标系，由所述末端器(3)上三个靶球位置确定；{Fixture}为适配器坐标系，由所述适配器(7)上三个靶球确定；{Target}为目标位置坐标系，由所述装配目标(5)上三个靶球确定；{Laser}为激光跟踪仪坐标系。

步骤3，使用所述激光跟踪仪(2)测量所述零部件(6)的始末位姿，即机器人末端法兰初始及终止位 置在基坐标系下的位姿矩阵。

步骤4，计算机器人路径节点，并控制所述工业六自由度机器人(1)沿各路径节点依次运动。

步骤5，在抓取接近点P₃与装配接近点P₇位置对所述工业六自由度机器人(1)末端进行位姿补偿。

本发明的有益效果在于：

本发明所述零部件装配方法可根据激光跟踪仪(2)反馈数据，协助所述工业六自由度机器人(1)进行所述零部件(6)的定位及路径规划，有效提高所述零部件(6)装配精度；且该装配方法适用于多种不同形态的所述零部件(6)的装配。

附图说明

图1是本发明采用的激光跟踪仪示意图

图2是本发明的装配系统示意图

图3是本发明的装配系统坐标系示意图

图4是本发明的装配方法路径节点示意图

图5是本发明的装配方法位姿补偿示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明，该说明是根据本发明所述装配方法目前的一种实施例的描述，不代表本发明可以构成或使用的仅有形式。

激光跟踪仪(2)如图1所示，所述装配方法采用的装配系统包括工业六自由度机器人(1)，激光跟踪仪(2)、末端器(3)、上位机(4)、装配目标(5)、零部件(6)及其适配器(7)。图2为装配系统示意图。

调整装配系统；将所述工业六自由度机器人调整至零位，所述末端器安装在所述工业六自由度机器人末端；将所述零部件放置并固定在所述适配器上，所述激光跟踪仪放置在一固定位置；所述末端器，所述工业六自由度机器人底座平面，所述适配器以及所述装配目标均放置三个靶标座，靶标放置于相应靶标座上。

图3所示为装配系统坐标系示意图，装配过程需设定装配系统各部分坐标系及位姿状态，其中{Base}表示机器人基坐标系，其位姿固定，图3中以坐标系{X₁，Y₁，Z₁}表示；{Ground}为地面坐标系，由所述工业六自由度机器人底座平面上三个靶球确定，图3中以坐标系{X₂，Y₂，Z₂}表示；{Flange}为机器人末端法兰坐标系，位姿由所述工业六自由度机器人内部定义，图3中以坐标系{X₃，Y₃，Z₃}表示；{End}为末端器坐标系，由所述末端器上三个靶球位置确定，图3中以坐标系{X₄，Y₄，Z₄}表示；{Fixture}为适配器坐标系，由所述适配器上三个靶球确定，图3中以坐标系{X₅，Y₅，Z₅}表示；{Target}为目标位置坐标系，由所述装配目标上三个靶球确定，图3中以坐标系{X₆，Y₆，Z₆}表示；{Laser}为激光跟踪仪坐标系，图3中以坐标系{X₇，Y₇，Z₇}表示。

使用激光跟踪仪测量零部件的始末位姿，即机器人末端法兰初始及终止位置在基坐标系下的位姿矩阵。实际装配过程中，由所述激光跟踪仪(2)测量地面坐标系、夹具坐标系、目标位置坐标系中各靶球，根据三点确定坐标系原理得到上述坐标系相对于激光跟踪仪坐标系的位姿矩阵，即为 同时，地面相对基坐标末端相对法兰盘位姿矩阵以及抓取点末端器相对夹具位姿矩阵和装配点末端器相对于目标坐标系均由测量或在设计过程得到；因此根据矩阵变换原理得到末端法兰初始抓取及终止装配位置在基坐标系下的位姿矩阵，如下所示；

其中

即为零部件的始末位姿。

通过初始以及目标位置的位姿信息计算出路径结点，并控制所述工业六自由度机器人依次运动，图4所示为装配方法路径节点示意图；定义系统在装配过程中各节点意义，P₁为初始点，P₂为抓取过渡点，P₃为抓取接近点，P₄为抓取位置点，P₅为抓取抬起点，P₆为装配过渡点，P₇为装配接近点，P₈为目标位置点，P₉为装配抬起点。

将路径中各结点设为(i＝1,2,...,9)

路径中其它结点均由P₁、P₄和P₈计算得到，其中初始点P₁给定，末端法兰初始位置即为P₄点位姿，末端法兰终止位置即为P₈点位姿，即

为防止装配过程末端器与夹具或装配目标干涉，抓取接近点P3、抓取抬起点P5、装配接近点P7以及装配抬起点P9均沿曲面零部件或目标位置法向抬起相应距离，其中P₃、P₅分别位于P₄的Z轴负方向H₃、H₅处，姿态与P₄相同；P₉在P₈的Z轴负方向H₉处，姿态与P₈相同；装配方向随装配要求不同而变化，因此P₇在P₈的X，Y，Z轴三个方向均有分量，设分量为X₇、Y₇、Z₇，因此得到上述四点表达式：

其中，i＝3,5时,j＝4；i＝9时,j＝8

其中Z_i＞0

为保证零部件在装配过程中不与障碍物发生碰撞，且路径平滑过渡，需在抓取接近点P₃与装配接近点P₇前设定抓取过渡点P₂与装配过渡点P₆。

所述抓取过渡点P₂与所述装配过渡点P₆的旋转矩阵分别由P₁到P₃的旋转矩阵的变化值和P₅到P₇的旋转矩阵的变化值所确定。

设P₁相对于P₃的旋转矩阵为

P₁到P₃旋转矩阵的变化值由绕某固定转轴K₁转动某一固定角度来表征，过渡点P₂的旋转矩阵以上一点为起始姿态，绕转轴K₁转动

因此上述矩阵的等效转轴K₁的分量k_1x，k_1y，k_1z与转角可由以下公式得到

过渡点P₂的旋转矩阵表示为；

其中，

同理，可得过渡点P₆的旋转矩阵表达式。

所述抓取过渡点P₂与所述装配过渡点P₆平移向量中的X坐标与Y坐标分别由P₁到P₃以及P₅到P₇过程中工业机器人腰关节转动角度α所确定，设坐标系{Flange}从P₁到P₃和从P₅到P₇的过程中机器人腰关节转动角度分别为α₁,α₂，则

抓取过渡点P₂与所述装配过渡点P₆平移向量中的X坐标与Y坐标求取方法为，以P₁或P₅为起始点，绕{Base}的Z转轴分别转动α₁/2,α₂/2，由此可得P₂表达式

其中

同理可得P₆平移向量中的X坐标与Y坐标表达方式。

Z坐标分别由P₁到P₃的Z坐标变化值以及P₅到P₇的Z坐标变化值所确定。求取方法分别为，沿P₁到P₃的Z坐标和沿P₅到P₇的Z坐标均匀过渡，由此可得

由于装配系统存在误差，需在抓取接近点P₃与装配接近点P₇位置对所述工业六自由度机器人末端进行位姿补偿，图5所示为位姿补偿示意图。

位姿补偿过程为，所述工业六自由度机器人移动至计算得到的路径点理论位姿(P3或P7)由于机器人的系统误差，移动后的机器人位姿并未与理论位姿重合，经激光仪测量得到该点为实际路径点但此时机器人内部读数显示该点位姿为(与理论数据一致)；

理论点与实际点偏差为所述工业六自由度机器人移动至路径点理论位姿的变换矩阵为

所述工业六自由度机器人按上述变换矩阵移动，激光仪再次测量新的实际点判断实际点与理论点误差，并转换为笛卡尔坐标系参数(X_Δp1,Y_Δp1,Z_Δp1,γ_Δp1,β_Δp1,α_Δp1)，当该误差小于误差阈值(X_Δ,Y_Δ,Z_Δ,γ_Δ,β_Δ,α_Δ)，此时结束补偿过程，否则，继续进行上述补偿运动，直至满足补偿结束条件。

本发明所述零部件装配方法可根据激光跟踪仪反馈数据，协助机器人进行零部件定位，路径规划，有效提高零部件装配精度；且该装配方法适用于多种不同形态零部件的装配。

以上显示和描述了本发明所述装配方法的基本步骤，主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不限于上述示范性实例的细节，在不背离本发明基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，均应将本发明看作是示范性的。本发明范围由所附权利要求限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化涵盖在本发明内，不应将权利要求中任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。同时，上述具体实施方式仅为清楚起见，本领域技术人员应将说明书视为整体，上述 实施方法中的步骤可以适当组合改变，但不偏离本发明基本原理和特征，形成本领域技术人员可理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种基于激光跟踪仪的零部件自动装配方法，其特征在于，所述装配方法的步骤如下：

步骤1，调整装配系统；所述装配方法采用的装配系统包括工业六自由度机器人(1)，激光跟踪仪(2)、末端器(3)、上位机(4)、装配目标(5)、零部件(6)及其适配器(7)。

步骤2，建立装配系统坐标系；{Base}表示机器人基坐标系，其位姿固定；{Ground}为地面坐标系，由所述工业六自由度机器人(1)底座平面上三个靶球确定；{Flange}为机器人末端法兰坐标系，位姿由所述工业六自由度机器人(1)内部定义；{End}为末端器坐标系，由所述末端器(3)上三个靶球位置确定；{Fixture}为适配器坐标系，由所述适配器(7)上三个靶球确定；{Target}为目标位置坐标系，由所述装配目标(5)上三个靶球确定；{Laser}为激光跟踪仪坐标系。

步骤3，使用所述激光跟踪仪(2)测量所述零部件(6)的始末位姿，即机器人末端法兰初始及终止位置在基坐标系下的位姿矩阵。

步骤4，计算机器人路径节点，并控制所述工业六自由度机器人(1)沿各路径节点依次运动。

步骤5，在抓取接近点P3与装配接近点P7位置对所述工业六自由度机器人(1)末端进行位姿补偿。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光跟踪仪的零部件自动装配方法，其特征在于，所述步骤1进一步包括以下步骤：

步骤11，将所述工业六自由度机器人(1)调整至零位，所述末端器(3)安装在所述工业六自由度机器人(1)末端；

步骤12，将所述零部件(6)放置并固定在所述适配器(7)上，所述激光跟踪仪(2)放置在一固定位置；

步骤13，所述末端器(3)，所述工业六自由度机器人(1)底座平面，所述适配器(7)以及所述装配目标(5)均放置三个靶标座，靶标放置于相应靶标座上。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光跟踪仪的零部件自动装配方法，其特征在于，所述步骤3进一步包括以下步骤：

步骤31，使用所述激光跟踪仪(2)测量地面坐标系、适配器坐标系、目标位置坐标系中靶球；

步骤32，根据三点确定坐标系原理得到上述坐标系相对于激光跟踪仪坐标系的位姿矩阵，即

步骤33，根据矩阵变换原理计算得到所述零部件(6)的始末位姿，所述矩阵变换公式为

其中。

4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述矩阵变换公式中地面相对基坐标末端相对法兰盘位姿矩阵抓取点末端器相对夹具位姿矩阵和装配点末端器相对于目标坐标系均通过 测量或在设计过程得到。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光跟踪仪的零部件自动装配方法，其特征在于，所述步骤4进一步包括以下步骤：

步骤41，定义装配过程中各结点，P1为初始点，P2为抓取过渡点，P3为抓取接近点，P4为抓取位置点，P5为抓取抬起点，P6为装配过渡点，P7为装配接近点，P8为目标位置点，P9为装配抬起点；

步骤42，所述初始点P1给定，所述末端法兰初始位置为所述P4点位姿，所述末端法兰终止位置即为所述P8点位姿；

步骤43，所述抓取接近点P3、所述抓取抬起点P5、所述装配接近点P7以及所述装配抬起点P9均沿所述零部件(6)或目标位置法向抬起相应距离，其中P3、P5分别位于P4的Z轴负方向H3、H5处，姿态与P4相同；P9在P8的Z轴负方向H9处，姿态与P8相同；P7在P8的X，Y，Z轴三个方向均有分量，姿态与P8相同；

步骤44，所述抓取过渡点P2与所述装配过渡点P6分别位于所述抓取接近点P3与所述装配接近点P7前；所述抓取过渡点P2与所述装配过渡点P6的旋转矩阵分别由P1到P3的旋转矩阵的变化值和P5到P7的旋转矩阵的变化值所确定；

步骤45，所述抓取过渡点P2与所述装配过渡点P6平移向量中的X坐标与Y坐标分别由P1到P3以及P5到P7过程中工业机器人腰关节转动角度所确定，Z坐标分别由P1到P3的Z坐标变化值以及P5到P7的Z坐标变化值所确定。

6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述抓取接近点P3、所述抓取抬起点P5、所述装配接近点P7以及所述装配抬起点P9表达式为

其中i＝3,5时j＝4；i＝9时j＝8

其中i＝7,j＝8；X7、Y7、Z7为P7在P8的X，Y，Z轴三个方向的分量。

7.根据权利要求1所述的一种基于激光跟踪仪的零部件自动装配方法，其特征在于，所述步骤5进一步包括以下步骤：

步骤51，所述工业六自由度机器人(1)移动至计算得到的路径点理论位姿(P3或P7)经所述激光跟踪仪(2)测量得到该点位姿，为实际路径点所述工业六自由度机器人(1)内部读数显示该点位 姿为

步骤52，计算理论点与实际点偏差为所述工业六自由度机器人(1)移动至路径点理论位姿的变换矩阵为

步骤53，所述工业六自由度机器人(1)按上述变换矩阵移动，激光仪测量新的实际点并判断该实际点与路径点理论位姿的误差；

步骤54，所述误差小于误差阈值时，结束补偿过程，否则，继续进行上述补偿运动，直至满足补偿结束条件。