CN106584463A - 基于惯性测量的装配系统及装配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及测量装置技术领域,具体涉及一种基于惯性测量的装配系统及装配方法。本发明旨在解决在位姿测量装置放置空间不足或无法固定的情况下,人工装配精度差、效率低的问题。本发明的基于惯性测量的装配系统包括采集部、数据处理单元以及执行机构。采集部用于按照设定顺序采集待装配件的第一位姿信息、对接件的第二位姿信息以及执行机构的第三位姿信息,数据处理单元用于基于第一位姿信息、第二位姿信息以及第三位姿信息计算出结果位姿信息,执行机构用于基于结果位姿信息,将待装配件匹配安装至对接件。通过数据处理单元对采集部获得的信息进行处理,执行机构基于处理结果将待装配件安装至对接件,可以完成待装配件与对接件的高精度装配。

Description

基于惯性测量的装配系统及装配方法
技术领域
[0001] 本发明涉及测量装置技术领域,具体涉及一种基于惯性测量的装配系统及装配方 法。
背景技术
[0002] 现代化生产过程中,借助机器人进行辅助装配作业已非常普遍。通常的机器人辅 助装配,以机械臂辅助装配为例,首先测量机械臂在初始状态下的初始位姿以及机械臂在 完成装配时的装配位姿,并且根据初始位姿与装配位姿设定机械臂的运动轨迹,然后机械 臂带动放置在其末端的待装配件按照设定好的运动轨迹运动,最终实现待装配件与对接件 的准确连接。可见,准确测量初始位姿与装配位姿是设定机械臂运动轨迹的重要前提,装配 位姿测量的准确性直接影响装配成功率与装配精度。
[0003] 目前,多数生产线采用固定位姿的方式进行装配。仍以机械臂装配为例,在这种方 式下,待装配件与对接件均被约束在固定位置,机械臂的初始位姿和装配位姿都是相对固 定的,此时机械臂能以固定的运动轨迹完成装配。当待装配件或对接件其中一方的位置或 姿势不确定时,也就是说机械臂的初始位姿或装配位姿不确定时,通常先采用位姿测量装 置测量不确定的位姿,在这种情况下,将位姿测量装置(如双目视觉相机等)固定在位姿相 对确定的一方,获取位姿不确定一方的图像,并通过图像特征识别等方式计算出待装配件 与对接件的确定位姿关系,最终生成运动轨迹引导机械臂完成装配作业。
[0004] 但是上述情况只适用于装配空间足够,而且位姿测量装置容易固定的情况。当出 现待装配件与对接件之间初始的相对位姿无法确定,并且两者之间间空间狭小,除装配点 以外的表面不能接触或添加标记的情况下,通常只能采用人工操作机械臂的方式进行装 配。在此种情况下,操作员需要时刻观察待装配件或对接件的位姿,通过不断调整机械臂的 运动方向和运动角度,来实现最终装配。这种装配方式不仅对操作员的操作要求高,而且装 配精度差、效率低。
[0005] 相应地,本领域需要一种新的装配系统及装配方法来解决上述问题。
发明内容
[0006] 为了解决现有技术中的上述问题,即为了解决在位姿测量装置放置空间不足或无 法固定的情况下,采用人工装配,装配精度差、效率低的问题,本发明提供了一种基于惯性 测量的装配系统,用于将待装配件匹配安装至对接件,该装配系统包括采集部、数据处理单 元以及执行机构。其中,所述采集部用于按照设定的顺序采集所述待装配件的第一位姿信 息、所述对接件的第二位姿信息以及所述执行机构的第三位姿信息;其中,所述数据处理单 元用于基于所述第一位姿信息、所述第二位姿信息以及所述第三位姿信息计算出结果位姿 信息;其中,所述执行机构用于基于所述结果位姿信息,将所述待装配件匹配安装至所述对 接件。
[0007] 在上述基于惯性测量的装配系统的优选技术方案中,所述采集部包括壳体以及设 置于所述壳体上的至少一个安装结构,所述采集部能够通过所述至少一个安装结构与所述 待装配件、所述对接件以及所述执行机构分别连接,进而按照设定的顺序依次采集所述第 一位姿信息、所述第二位姿信息以及所述第三位姿信息。
[0008] 在上述基于惯性测量的装配系统的优选技术方案中,所述壳体上还设置有测量芯 片,所述测量芯片上至少具有陀螺仪和加速度计,其中,所述陀螺仪至少能够获取所述采集 部的角度信息;其中,所述加速度计至少能够获取所述采集部的速度信息;采集的所述角度 信息和速度信息形成所述第一位姿信息、所述第二位姿信息和所述第三位姿信息。
[0009] 在上述基于惯性测量的装配系统的优选技术方案中,所述执行机构上设置有底 座,所述采集部能够通过所述至少一个安装结构与所述底座匹配连接。
[0010] 在上述基于惯性测量的装配系统的优选技术方案中,所述待装配件上设置有若干 个第一装配特征,所述对接件上设置有与所述若干个第一装配特征对应的第二装配特征, 并且所述壳体上至少设置有与所述第一装配特征对应的第一安装结构以及与所述第二装 配特征对应的第二安装结构,其中,所述采集部能够通过所述第一安装结构固定于所述第 一装配特征;其中,所述采集部能够通过所述第二安装结构固定于所述第二装配特征。
[0011] 在上述基于惯性测量的装配系统的优选技术方案中,所述壳体包括第一壳体和第 二壳体,其中,所述第一壳体上设置有与所述第一装配特征对应的第一安装结构;其中,所 述第二壳体上设置有与所述第二装配特征对应的第二安装结构。
[0012] 在上述基于惯性测量的装配系统的优选技术方案中,所述壳体上还设置有第三安 装结构,所述采集部能够通过所述第三安装结构与所述底座匹配。
[0013] 在上述基于惯性测量的装配系统的优选技术方案中,所述第三安装结构上设置有 红外接近开关发送端,所述底座上设置有与所述红外接近开关发送端对应的红外接近开关 接收端,并且在所述采集部通过所述第三安装结构与所述底座匹配连接的情形下,所述红 外接近开关接收端能够以接触的方式接收所述红外接近开关发送端发送的信号。
[0014] 本发明还提供了一种基于惯性测量的装配方法,用于将待装配件匹配安装至对接 件,该装配方法包括如下步骤:
[0015] 按照设定的顺序采集所述待装配件的第一位姿信息、所述对接件的第二位姿信息 以及所述执行机构的第三位姿信息;
[0016] 基于所述第一位姿信息、所述第二位姿信息以及所述第三位姿信息,实时计算结 果位姿信息;
[0017] 基于所述结果位姿信息,将所述待装配件匹配安装至所述对接件。
[0018] 在上述基于惯性测量的装配方法的优选技术方案中,所述的"基于所述第一位姿 信息、第二位姿信息以及第三位姿信息,实时计算结果位姿信息"进一步包括:
[0019] 基于所述第一位姿信息、所述第二位姿信息以及所述第三位姿信息实时计算所述 待装配件与所述对接件分别相对于所述执行机构的相对位姿关系;
[0020] 基于所述相对位姿关系,计算结果位姿信息。
[0021] 本领域技术人员能够理解的是,在本发明的优选技术方案中,基于惯性测量的装 配系统包括采集部、数据处理单元以及执行机构。其中,采集部。其中,采集部包括壳体以及 设置于壳体上的至少一个安装结构,采集部能够通过至少一个安装结构与待装配件、对接 件以及执行机构分别连接,进而按照设定的顺序分别采集待安装件的第一位姿信息、对接 件的第二位姿信息以及执行机构的第三位姿信息。此外,一种基于惯性测量的装配方法,通 过采集部按照设定的顺序采集待安装件的第一位姿信息、对接件的第二位姿信息以及执行 机构的第三位姿信息,并计算出结果位姿信息的方式,可以辅助执行机构快速准确的将待 装配件匹配安装至对接件。通过基于惯性测量的装配系统及装配方法,不仅可以大幅提高 位姿测量装置放置空间不足或无法固定的情况下进行装配的装配效率和装配精度,而且采 集部结构小巧,使用简单,稳定性高。此外,可以根基实际的应用场景,灵活地设置不同的壳 体,从而提高了采集部相对待安装件与对接件的适用性。
附图说明
[0022] 图1是本发明的基于惯性测量的装配系统的装配过程示意图;
[0023] 图2是本发明的基于惯性测量的装配系统的采集部的结构示意图;
[0024] 图3A是本发明的基于惯性测量的装配系统的采集部的主视方位结构示意图;
[0025] 图3B是本发明的基于惯性测量的装配系统的采集部的俯视方位结构示意图;
[0026] 图4是本发明的基于惯性测量的装配系统的底座的结构示意图;
[0027] 图5是本发明的基于惯性测量的装配系统的I/O设备的结构示意图;
[0028] 图6是本发明的基于惯性测量的装配方法的一种流程示意图;
[0029]图7是本发明的基于惯性测量的装配方法的数据处理系统的处理流程示意图。
具体实施方式
[0030] 下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是,这 些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理,并非旨在限制本发明的保护范围。例如,虽然 附图中的第一装配特征是轮廓大致为矩形的凸起,但是这种结构非一成不变,本领域技术 人员可以根据需要对其作出调整,以便适应具体的应用场合。
[0031] 需要说明的是,在本发明的描述中,术语"中心"、"上"、"下"、"左"、"右"、"竖直"、 "水平"、"内"、"外"等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系,这 仅仅是为了便于描述,而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的 方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语"第一"、"第二"、"第三"仅用 于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0032] 此外,还需要说明的是,在本发明的描述中,除非另有明确的规定和限定,术语"安 装"、"相连"、"连接"应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地 连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连, 可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言,可根据具体情况理解上述术语在 本发明中的具体含义。
[0033] 本发明的目的在于,克服装配时由于位姿测量装置放置空间不足或无法固定的情 况下,采用人工装配,装配精度差、效率低等问题。
[0034] 如图1和图2所示,为解决上述问题,本发明在一种可能的实施方式中,提供了一种 基于惯性测量的装配系统,该系统主要包括采集部1、数据处理单元(图中未标出)以及执行 机构2,该系统可以通过数据处理单元对采集部1获得的信息进行分析和处理,执行机构2基 于分析和处理的结果即可将待装配件3匹配安装至对接件4。其中,采集部1主要用于按照设 定的顺序采集待装配件3的第一位姿信息、对接件4的第二位姿信息以及执行机构2的第三 位姿信息;数据处理单元主要用于基于第一位姿信息、第二位姿信息和第三位姿信息,计算 出结果位姿信息;执行机构2则主要用于基于结果位姿信息,如数据处理单元根据结果位姿 信息向执行机构2发送相应的指令,执行机构2将待装配件3匹配安装至对接件4。
[0035]需要说明的是,数据处理单元可以是接收、储存并处理采集部1输出数据的运算设 备,如可以是上位机、工控机,也可以是PC机等。执行机构2可以是机械臂等可以实现自动装 配的装置。
[0036]如图2所示,采集部1主要包括壳体以及设置于壳体上的至少一个安装结构,并且 采集部1能够通过至少一个安装结构与待装配件3、对接件4以及执行机构2分别连接,进而 按照设定的顺序分别采集第一位姿信息、第二位姿信息以及第三位姿信息。优选地,壳体可 以分为第一壳体11与第二壳体12。继续参照图2,采集部1还包括设置于所述壳体内部的测 量芯片13,采集部1能够通过测量芯片13分别采集第一位姿信息、第二位姿信息以及第三位 姿信息。测量芯片13上至少具有陀螺仪(图中未标出)和加速度计(图中未标出)。其中,陀螺 仪至少可以获取采集部1的角度信息(如角度和角速率等参数),加速度计至少可以获取采 集部1的速度信息(如加速度等参数)。优选地,陀螺仪可以是能够测量三个轴方向的角度信 息的三轴陀螺仪,加速度计可以是能够测量三个方向的速度信息的三轴加速度计。本领域 技术人员可以想到的是,陀螺仪与加速度计的型号并非一成不变,也可以采用其他型号或 形式的陀螺仪与加速度计,只要该陀螺仪与加速度计能够准确获得待装配件3和对接件4的 位姿信息即可。
[0037]需要说明的是,在本优选的实施方式中,设定地顺序可以是采集部1采集位姿信息 的顺序,如首先采集第一位姿信息,其次采集第二位姿信息,最后采集第三位姿信息,当然, 也可以按照其他顺序米集,如首先米集第二位姿ί目息,然后米集第二位姿ί目息,最后米集第 一位姿信息等。此外,第一位姿信息、第二位姿信息以及第三位姿信息可以是陀螺仪采集的 如角度和角速率等参数和加速度计采集的加速度等参数。结果位姿信息可以是基于对上述 采集的参数进行分析处理后得到的可以直接将待装配件3安装至对接件4的执行机构2的参 数,如机械臂的各连杆角度或运动轨迹等。
[0038] 继续参照图1,执行机构2上还设置有底座21,采集部1可以通过至少一个安装结构 与底座21匹配连接。待装配件3上设置有若干个第一装配特征31 (如轮廓大致为矩形的凸 起),对接件4上设置有可以与第一装配特征31对应的若干个第二装配特征41 (如与前述的 凸起对应的凹槽),待装配件3与对接件4可以通过第一装配特征31与第二装配特征41的配 合连接(如插合连接)实现装配。优选地,参照图1所示,第一装配特征31可以是设置在待装 配件3上的两个矩形凸起,第二装配特征41可以是设置在对接件4上的两个与矩形凸起对应 的矩形凹槽。当然,第一装配特征31与第二装配特征41的结构与个数并不唯一,本领域技术 人员可以根据实际情况进行调整。
[0039] 进一步参照图2,壳体上可以设置有与第一装配特征31对应的的第一安装结构 111、与第二装配特征41对应的第二安装结构121以及与底座21对应的第三安装结构。其中, 采集部1能够通过第一安装结构111固定于第一装配特征31、通过第二安装结构121固定于 第二装配特征41、以及通过第三安装结构固定于底座21。优选地,第一安装结构111设置在 第一壳体11上,第二安装结构121设置在第二壳体12上,第三安装结构可以是第一安装结构 Ill或第二安装结构121,也就是说第三安装结构可以与第一安装结构111或第二安装结构 121共用,如本实施方式中,第三安装结构与第一安装结构111共用,并且此时底座21上设置 有与第一安装结构111对应的凸起特征211,如可以为与第一装配特征31相同的结构等。则 采集部1可以通过第一安装结构111固定在底座21上。当然本领域技术人员可以想到的是, 第三安装结构并非一成不变,也可以采用单独设置在壳体上等方式。
[0040] 为得到更好的适用性,第一壳体11与第二壳体12可以设置为可拆卸方式连接,通 过更换第一壳体11与第二壳体12的方式,采集部1可以适用于装配特征不同的待装配件3与 对接件4的装配。
[0041] 如图3A、图3B和图4所示,为了更好的检测采集部1与底座21的连接状态,第一安装 结构111上还可以设置有红外接近开关发送端112,对应的底座21上可以设置有与红外接近 开关发送端112对应的红外接近开关接收端212。优选地,红外接近开关发送端112可以是设 置在第一安装结构111内部的圆形凹槽,红外接近开关接收端212可以设置在底座21顶部的 圆形凸起。在采集部1通过第一安装结构111与底座21配合连接的状态下,通过圆形凸起与 圆形凹槽的接触,红外接近开关接收端212可以接收到红外接近开关发送端112信号。当然, 红外接近开关发送端112与红外接近开关接收端212的设置位置并非一成不变,本领域技术 人员可以根据具体情况进行调整,只要保证采集部1与底座21配合连接后,红外接近开关接 收端212可以接收到红外接近开关发送端112信号即可。
[0042] 继续参照图2,测量芯片13上还可以设置有处理器(图中未标出)和通信模块(图中 未标出)。其中,处理器可以将陀螺仪采集的角度信息和加速度计采集的速度信息通过通信 模块输出给数据处理单元,如将陀螺仪采集到的各角度变化值经通信模块传输给数据处理 单元等。优选地,通信模块可以是蓝牙、串口转USB通信接口和CAN总线通信接口,这样的设 置方式可以使采集部1与数据处理单元的通信多样化,可以应用于不同使用环境。当然,本 领域技术人员可以想到的是,通信模块的设置并非上述一种形式,只要能将陀螺仪与加速 度计采集的位姿信息传输给数据处理单元的方式均可。
[0043] 进一步参照图2,为了在采集过程中更好的控制和观测采集部1的状态,采集部1还 可以进一步设置有指示模块,指示模块又进一步包括若干个第一指示灯14和第一确认按钮 15, 并且在第一壳体11上开设有与若干个第一指不灯14和第一确认按钮15相应的孔结构 16, 第一指示灯14与第一确认按钮15可以穿过该孔结构16暴露于采集部1外。其中,第一指 示灯14用于指示采集部1的工作步骤和状态,如第一指示灯14亮起时可以表示第一位姿信 息采集完成等。第一确认按钮15用于确认操作步骤完成,如可以用于确认采集部1通过第一 安装结构111固定于第一装配特征31的操作步骤完成等。优选地,第一指示灯14可以包括一 个故障指示灯(颜色可以为红色)和三个运行指示灯(颜色可以为绿色)。其中,故障指示灯 可以用于在程序运行出错或操作失误时亮起,运行指示灯可以用于指示操作步骤或运算状 态,如按图2所示方位,从上至下第一个运行指示灯亮起时可以表示第一步操作完成,第二 个运行指示灯亮起可以表示第二步操作完成等。
[0044] 如图1和图5所示,此外,为了更便捷的操作采集部1,数据处理单元还可以外接一 个I/O设备6,至少提供与指示模块对应的、功能相同的操作按钮以及显示采集部1状态的指 示灯。数据处理单元可以外接显示屏5显示更多状态信息,也可以不外接显示屏5,只根据1/ 〇设备6的指示灯提示完成操作。优选地,如图5所示,I/O设备6可以设置有与第一指示灯14 对应的、包括一个故障指示灯和三个运行指示灯的第二指示灯61,与第一确认按钮15对应 的第二确认按钮62,用于配合故障指示灯的蜂鸣器63,用于紧急情况下的急停按钮64以及 用于重新启动测量系统软硬件、清空系统运行过程数据信息的复位按钮65。当然,本领域技 术人员可以想到的是,I/O设备6并非一成不变,本领域技术人员可以根据具体使用环境对 其进行调整。
[0045]如前所述,本发明的基于惯性测量的装配系统主要包括采集部1、数据处理单元以 及执行机构2,采集部1主要包括壳体与测量芯片13,测量芯片13上设置有陀螺仪和加速度 计。壳体又包括第一壳体11与第二壳体12,第一壳体11上设置有第一安装结构111,第二壳 体12上设置有第二安装结构121。采集部1能够通过第一安装结构111与待装配件3的第一装 配特征31以及与底座21分别固定,通过第二安装结构121与对接件4的第二装配特征41固 定,并且采集部1可以通过陀螺仪与加速度计采集待装配件3的第一位姿信息、对接件4的第 二位姿信息以及执行机构2的第三位姿信息。采集部1的结构小巧、便于携带、操作简单,更 适用于狭小空间和传统采集装置无法固定的场景。此外,可以根基实际的应用场景,灵活地 更换采集部1的第一壳体11与第二壳体12,从而提高了采集部1适用性。并且,采集部1上还 设置有多样化的通信模块和指示模块,为测量过程提供了更便捷的操作和更直观的观测。
[0046] 如图6所示,本发明在一中可能的实施方式中,还提供了一种基于惯性测量的装配 系统的装配方法,主要是基于前述的采集部1采集位姿信息,通过数据处理系统对位姿信息 进行计算,最终由执行机构2完成待装配件3与对接件4的装配过程。该方法主要包括以下步 骤:
[0047] S100、将采集部1置于底座21,并对采集部1进行初始化操作。如初始化可以完成数 据处理单元的重启与采集部1初始位姿的复位等。
[0048] S200、将采集部1固定于待装配件3的第一装配特征31的过程中,采集待装配件3的 第一位姿信息。将采集部1固定于对接件4的第二装配特征41的过程中,采集对接件4的第二 位姿信息。将采集部1固定于底座21的凸起特征211的过程中,采集执行机构2的第三位姿信 息。
[0049] S300、基于该第一位姿信息、第二位姿信息和第三位姿信息,数据处理单元实时计 算结果位姿信息。如计算出可以直接将待装配件3安装至对接件4的执行机构2的信息,如计 算出机械臂将待装配件3安装至对接件4时的各连杆角度或运动轨迹等。
[0050] S400、基于结果位姿信息,执行机构2将待装配件3安装至对接件4。也就是说,在执 行机构2、待装配件3以及对接件4之间的位置关系可以确定的情形下,数据处理单元通过向 执行机构2发送相应的指令,进而使执行机构2将待装配件3的第一装配特征31可靠地匹配 至对接件4的第二装配特征41。
[0051] 需要说明的是,为方面描述,可定义如下坐标系:
[0052] 采集部1中陀螺仪与加速度计所在的惯性坐标系、底座21所在的世界坐标系以及 执行机构2所在的基坐标系。
[0053] 在步骤S100中,将采集部1通过第一安装结构111固定于底座21上,此时红外接近 开关发送端112的圆形凸起与红外接近开关接收端212的圆形凹槽配合连接,红外接近开关 接收端212检测并接收到红外接近开关发送端112信号,完成数据处理单元的重启与采集部 1初始位姿的复位。
[0054] 复位时,采集部1不断向数据处理单元发送采集部1的当前姿态信息,待复位完成 后,三个运行指示灯中的第一个运行指示灯单独亮起,表示复位完成。
[0055] 在采集部1复位完成后,优选地,步骤S200可以进一步包括:
[0056] S210、采集部1采集从底座21移动至待装配件3的第一位姿信息。
[0057] 将采集部1从底座21移动至待装配件3,并通过第一安装结构111固定于第一装配 特征31。按动采集部1上的第一确认按钮15 (或按动I/0设备6上的第二确认按钮62),采集惯 性坐标系下采集部1从底座21移动并固定到第一装配特征31的运动过程中的第一位姿信 息,并实时传输给数据处理单元进行数据处理。采集结束后重启陀螺仪与加速度计,清除累 积误差。此时,三个运行指示灯中的第二个运行指示灯单独亮起,表示第一位姿信息采集完 成。
[0058] S220、采集部1采集从待装配件3移动至对接件4的第二位姿信息。
[0059] 将采集部1从待装配件3移动至对接件4,并通过第二安装结构121固定于第二装配 特征41。按动采集部1上的第一确认按钮15 (或按动I/0设备6上的第二确认按钮62),采集惯 性坐标系下采集部1从第一装配特征31移动并固定到第二装配特征41的运动过程中的第二 位姿信息,并实时传输给数据处理单元进行数据处理。采集结束后重启陀螺仪与加速度计, 清除累积误差。此时,三个运行指示灯中的第三个运行指示灯单独亮起,表示第二位姿信息 米集完成。
[0060] S230、采集部1采集从对接件4移动回底座21的第三位姿信息。
[0061] 将采集部1从对接件4移动回底座21,并通过第一安装结构111固定于底座21的凸 起特征211。此时红外接近开关发送端112的圆形凸起与红外接近开关接收端212的圆形凹 槽的配合连接,红外接近开关接收端212检测并接收到红外接近开关发送端112信号,即检 测到采集部1回到底座21,开始采集在惯性坐标系下采集部1从第二装配特征41移动并固定 到凸起特征211的运动过程中的第三位姿信息,并实时传输给数据处理单元进行数据处理。 采集结束后关闭陀螺仪与加速度计,停止位姿信息的采集。
[0062] 当然,本领域技术人员可以想到的是,采集部1采集位姿信息的顺序并非一成不 变,可以根据实际情况进行调整,只要保证采集的顺序构成一条闭合的路径即可。如采集顺 序还可以为:采集部1在底座21完成初始化后,先通过第二安装结构121固定于第二装配特 征41,并采集位姿信息,然后通过第一安装结构111固定于第一装配特征31,并采集位姿信 息,最后通过第一安装结构111固定于土其特征211,并采集位姿信息。并且,采集部1可以通 过陀螺仪和加速度计采集的角度和角速率以及加速度参数判断采集的位姿信息所对应的 特征是第一装配特征31还是第二装配特征41。
[0063] 此外,在待装配件3的第一装配特征31和对接件4的第二装配特征41有多个的情况 下,只需采集其中一组第一装配特征31和与其对应的第二装配特征41即可实现待装配件3 和对接件4的装配,并且采集部1可以根据陀螺仪和加速度计在惯性坐标系中采集的角度和 角速率以及加速度参数相对于世界坐标系的位置判断出采集部1固定的具体装配特征。 [0064]如图7所示,在采集部1采集第一位姿信息、第二位姿信息与第三位姿信息后,数据 处理单元可以实时对接收到的位姿信息进行处理,如在接收第二位姿信息之前,数据处理 单元可以完成对第一位姿信息的处理。
[0065] 步骤S300可以进一步包括:
[0066] S310、基于第一位姿信息、第二位姿信息以及第三位姿信息,数据处理单元实时计 算待装配件3与对接件4分别相对于执行机构2的相对位姿关系。需要说明的是,本发明的优 选实施方案中,相对位姿关系可以是待装配件3与对接件4分别相对于世界坐标系的位姿变 换矩阵。
[0067] 数据处理单元对陀螺仪和加速度计输出采集到的位姿信息,如采集到的相对于惯 性坐标系下的各轴的角度、角速率和加速度参数,利用卡尔曼滤波进行融合。如融合过程可 以是:根据加速度矢量标准化后在t-i与t两个时刻的各轴输出,推算该轴转角变化,利用陀 螺仪在t-Ι与t两个时刻输出的角度变化率的平均值对标准化后的加速度进行修正,得到在 t时刻加速度的估计值。这样处理的效果为:经卡尔曼滤波后加速度计受扰动与噪声的影响 被有效地降低。
[0068] 对卡尔曼滤波融合后的数据,利用四元数微分方程计算四元数,通过规范化后的 四元数生成姿态转移矩阵,即公式(1)。并根据该姿态转移矩阵可以得到陀螺仪和加速度计 在世界坐标系中各轴的角度、角速率和加速度。其中,角度和角速率需要解释的是,姿态转 移矩阵可以是将采集部1的陀螺仪采集的姿态信息从惯性坐标系转换到世界坐标系的矩 阵。
Figure CN106584463AD00111
[0070] 在公式⑴中,9〇冲4243为四元数组的四个基。
[0071] 对得到的加速度计在世界坐标系中的各轴的加速度值经过高通滤波器滤除重力 加速度与固定偏置,对各轴滤波后的加速度整体进行积分,结合积分后的速度曲线与原始 加速度数据判断运动状态并分割运动区域。如基于加速度没有大幅波动、速度在〇附近且没 有大幅波动两个特征将速度曲线分割为运动区域与静止区域。根据操作流程中起始位置和 终止位置是在静止状态的运动区域,即具有从静止开始到静止结束的特征(速度从〇开始到 0结束)。对静止区域单独积分,得到静止状态下累积的误差与漂移。对运动区域单独积分, 结合静止区域的加速度数据与运动区域速度末值建立误差模型,修正运动区域的加速度数 据。前后存在静止区域的运动区域,速度值应当从0开始到0结束,那么运动区域末速度若不 为0,应当视为由于运动区域的偏差累积造成。结合前后静止区域结果,给出累积偏差的修 正模型。利用运动区域划分结果,将修正后的运动区域加速度数据拼接起来,对其整体积分 后得到运动速度,对运动速度再一次积分得到采集部1在世界坐标系各轴上的运动距离,即 在世界坐标系的位置信息。
[0072] 根据陀螺仪的三个方向的角度与姿态转移矩阵的关系,即航向角、俯仰角、横滚角 三个姿态角与姿态转移矩阵之间的关系可得出公式(2):
Figure CN106584463AD00112
[0074] 在公式(2)中,Θ表示陀螺仪测得的俯仰角,φ表示陀螺仪测得的航向角,γ表示陀 螺仪测得的横滚角,各角度的定义域为:
[0075] θε (-90。,90。),φε (0。,360。),γ e (-180。,180。)。
[0076] 联立公式⑴和公式⑵,可以计算出俯仰角Θ、航向角φ和横滚角γ,即采集部1在 世界坐标系的姿态信息:
[0077] 0=arcsin C32 (3)
Figure CN106584463AD00121
[0080] 由位置信息与姿态信息可以共同得到采集部1的运动曲线中任一点在世界坐标系 中的位姿信息,也就可以得到待装配件3的第一装配特征31与对接件4的第二装配特征41在 世界坐标系中的位姿信息。并且综合位置信息与姿态信息初步计算得到第一装配特征31与 第二装配特征41相对于世界坐标系的位姿变换矩阵。
[0081] S320、基于位姿变换矩阵,判断误差大小。
[0082] 根据采集部1的采集轨迹构成封闭曲线的特点,即从底座21出发最后回到底座21 的过程构成的封闭曲线,再将采集过程分为两部分路线,如路线可以为从底座21的凸起特 征211到达待装配件3的第一装配特征31以及从第一装配特征31到达对接件4的第二装配特 征41的第一路线,以及从第二装配特征41返回底座21的凸起特征211的第二路线。以采集部 1从底座21的凸起特征211到对接件4的第二装配特征41的两部分路线的距离误差小于设定 范围为原则,动态调整卡尔曼滤波器与高通滤波器的权值系数。如由于底座21固定安装在 执行机构2上,并且执行机构2与待装配件3的连接位置固定,故凸起特征211与第一装配特 征31的距离可认为是固定值(此距离可人工测定或设置等)。利用凸起特征211到第一装配 特征31的距离为固定值这一特性,调整滤波器的参数使上述计算结果在误差允许范围内, 并根据第一路线与第二路线的距离差,动态调整采集部1在第一路线和第二路线上的运动 过程中所采用滤波器的权值系数,使得调整权值系数并重新计算后的第一路线与第二路线 的距离值相等。
[0083] 数据处理与动态调整完成后,重新计算动态调整后的第一装配特征31与第二装配 特征41相对于世界坐标系的位姿变换矩阵,并输出动态调整后的第一装配特征31与第二装 配特征41各自相对于世界坐标系的位姿变换矩阵。此时,三个运行指示灯中的第一个运行 指示灯与第二个运行指示灯同时亮起,表示数据处理与动态调整完成。
[0084] S330、根据位姿变换矩阵,解算结果位姿信息。
[0085] 根据执行机构2的参数建立模型,如在执行机构2为机械臂的情形下,根据机械臂 各关节连接关系与尺寸参数建立DH模型,以基坐标系之间的矩阵变换描述机械臂各连杆之 间的连接关系,并得到安装在机械臂末端的底座21的世界坐标系相对于机械臂的基坐标系 的位姿变换矩阵。
[0086] 获取执行机构2的期望装配位姿。仍以机械臂为例,其方法可以为:数据处理单元 获取机械臂各关节角度值,利用已知的机械臂连杆尺寸与关节参数建立运动学模型,计算 从机械臂的基坐标系到底座21的世界坐标系的位姿转换矩阵。以底座21近似作为机械臂的 末端(由于底座21与机械臂末端位置接近),装配过程中机械臂末端的运动起点是采集部1 采集第三位姿信息时底座21所在的位置,也就是机械臂的期望装配的起始位姿。机械臂末 端的运动终点是待装配件3的第一装配特征31与连接件4的第二装配特征41配合连接时(如 插合连接)底座21所在的位置,该位置可以由机械臂基坐标系到底座21的世界坐标系的位 姿转换矩阵乘以对接件4的第二装配特征41相对于世界坐标系的位姿变换矩阵再乘以待装 配件3的第一装配特征31相对于世界坐标系位姿变换的逆矩阵获得,也就是机械臂的期望 装配的终止位姿。根据机械臂的逆运动学求解得到运动终点时对应的各关节角度,如依据 Pieper法则对位姿解耦求逆,可以得出装配完成时所对应的机械臂的各关节转角。其中,起 始位姿用于验算逆解,终止位姿解算得出各关节转角的期望值,经检测符合各关节运动范 围后,输出给机械臂的控制单元,作为结果位姿信息指导各关节运动。
[0087] 此时,三个运行指示灯全部亮起,表示测量过程完成。
[0088] 进一步地,若在测量时,程序运行出错或任一步骤出现错误,蜂鸣器63将会鸣叫并 且位于采集部1上的故障指示灯和位于I/O设备6上的故障指示灯同时亮起,此时测量人员 可以结合运行指示灯的亮起情况判断出错环节,并将采集部1放回至底座21,按动复位按钮 65重新开始测量。
[0089] 在步骤S400中,执行机构2基于上述结果位姿信息,将待装配件3安装至对接件4。 如可以是,机械臂基于各关节角度信息,带动连接有待装配件3的末端执行器,移动至对接 件4处,并使第一装配特征31与第二装配特征41配合连接(如矩形凸起与矩形凹槽的插合连 接),从而实现待装配件3与对接件4的装配。
[0090] 综上所述,本发明的基于惯性测量的装配系统主要包括采集部1、数据处理单元以 及执行机构2。其中,采集部1主要包括壳体与测量芯片13,测量芯片13上设置有陀螺仪和加 速度计。采集部1可以通过分别与底座21、待装配件3以及对接件4固定的方式采集位姿信 息。采集部1的结构小巧、便于携带、操作简单,更适用于狭小空间和传统采集装置无法固定 的场景。并且,采集部1上还设置有多样化的通信模块和指示模块,为测量过程提供了更便 捷的操作和更直观的观测。此外,可以根基实际的应用场景,灵活地更换采集部1的第一壳 体11与第二壳体12,还可以提高了采集部1适用性。
[0091] 此外,利用此基于惯性测量的装配系统的装配方法,通过采集部1采集待装配件3 的第一位姿信息、对接件4的第二位姿信息以及装置底座21的第三位姿信息,并基于这些信 息计算出执行机构2 (如机械臂)在基坐标系下的结果位姿信息(如机械臂的各关节角度), 最终实现执行机构2将待装配件3安装至对接件4。通过装配位姿装配方法,不仅可以提在高 狭小空间或传统采集装置无法固定的场景进行装配时的装配效率和装配精度,而且利用测 量轨迹是空间内封闭曲线的特征,以第一路线和第二路线的距离差为评价标准,动态调整 卡尔曼滤波与高通滤波器的权值系数,提高了测量系统的精度。
[0092] 至此,已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案,但是,本领域 技术人员容易理解的是,本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本 发明的原理的前提下,本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换,这些 更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1. 一种基于惯性测量的装配系统,用于将待装配件匹配安装至对接件,其特征在于,所 述装配系统包括采集部、数据处理单元以及执行机构, 其中,所述采集部用于按照设定的顺序采集所述待装配件的第一位姿信息、所述对接 件的第二位姿信息以及所述执行机构的第三位姿信息; 其中,所述数据处理单元用于基于所述第一位姿信息、所述第二位姿信息以及所述第 三位姿信息计算出结果位姿信息; 其中,所述执行机构用于基于所述结果位姿信息,将所述待装配件匹配安装至所述对 接件。
2. 根据权利要求1所述的基于惯性测量的装配系统,其特征在于,所述采集部包括壳体 以及设置于所述壳体上的至少一个安装结构, 所述采集部能够通过所述至少一个安装结构与所述待装配件、所述对接件以及所述执 行机构分别连接,进而按照设定的顺序依次采集所述第一位姿信息、所述第二位姿信息以 及所述第三位姿信息。
3. 根据权利要求2所述的基于惯性测量的装配系统,其特征在于,所述壳体上还设置有 测量芯片,所述测量芯片上至少具有陀螺仪和加速度计, 其中,所述陀螺仪至少能够获取所述采集部的角度信息; 其中,所述加速度计至少能够获取所述采集部的速度信息; 采集的所述角度信息和速度信息形成所述第一位姿信息、所述第二位姿信息和所述第 二位姿ig息。
4. 根据权利要求3所述的基于惯性测量的装配系统,其特征在于,所述执行机构上设置 有底座,所述采集部能够通过所述至少一个安装结构与所述底座匹配连接。
5. 根据权利要求4所述的基于惯性测量的装配系统,其特征在于,所述待装配件上设置 有若干个第一装配特征,所述对接件上设置有与所述若干个第一装配特征对应的第二装配 特征,并且 所述壳体上至少设置有与所述第一装配特征对应的第一安装结构以及与所述第二装 配特征对应的第二安装结构, 其中,所述采集部能够通过所述第一安装结构固定于所述第一装配特征; 其中,所述采集部能够通过所述第二安装结构固定于所述第二装配特征。
6. 根据权利要求5所述的基于惯性测量的装配系统,其特征在于,所述壳体包括第一壳 体和第二壳体, 其中,所述第一壳体上设置有与所述第一装配特征对应的第一安装结构; 其中,所述第二壳体上设置有与所述第二装配特征对应的第二安装结构。
7. 根据权利要求6所述的基于惯性测量的装配系统,其特征在于,所述壳体上还设置有 第三安装结构,所述采集部能够通过所述第三安装结构与所述底座匹配。
8. 根据权利要求7所述的基于惯性测量的装配系统,其特征在于,所述第三安装结构上 设置有红外接近开关发送端,所述底座上设置有与所述红外接近开关发送端对应的红外接 近开关接收端,并且 在所述采集部通过所述第三安装结构与所述底座匹配连接的情形下,所述红外接近开 关接收端能够以接触的方式接收所述红外接近开关发送端发送的信号。
9. 一种权利要求1至8中任一项所述的基于惯性测量的装配系统的装配方法,用于将待 装配件匹配安装至对接件,其特征在于,该装配方法包括如下步骤: 按照设定的顺序采集所述待装配件的第一位姿信息、所述对接件的第二位姿信息以及 所述执行机构的第三位姿信息; 基于所述第一位姿信息、所述第二位姿信息以及所述第三位姿信息,实时计算结果位 姿信息; 基于所述结果位姿信息,将所述待装配件匹配安装至所述对接件。
10. 根据权利要求8所述的基于惯性测量的装配系统的装配方法,其特征在于,所述的 "基于所述第一位姿信息、第二位姿信息以及第三位姿信息,实时计算结果位姿信息"进一 步包括: 基于所述第一位姿信息、所述第二位姿信息以及所述第三位姿信息实时计算所述待装 配件与所述对接件分别相对于所述执行机构的相对位姿关系; 基于所述相对位姿关系,计算结果位姿信息。
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