CN107553492A - 基于赫兹弹性模型的机器人主动力柔顺销孔对接装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于赫兹弹性模型的机器人主动力柔顺销孔对接装配方法，该方法根据力柔顺控制方式进行机器人主动力柔顺销孔的自动对接，机器人在导向销孔的导引下，将被安装设备或舱板安装面与被安装面贴合，该改进的力柔顺控制方式是在阻抗力柔顺控制方式上增加了弹性接触数学模型和摩擦模型进行控制的。本发明通过增加数学模型，将力传感器信息和机器人末端位姿信息进行校正，使反馈到控制器的系统反馈量更精确，解决了航天器装配中大型仪器设备及舱板的力柔顺安装问题，提高装配质量和装配效率。

Description

基于赫兹弹性模型的机器人主动力柔顺销孔对接装配方法

技术领域

本发明属于航天器自动化装配技术领域，具体涉及一种基于赫兹弹性模型的机器人主动力柔顺销孔对接装配方法。

背景技术

航天器总装工作中，大型仪器设备和舱板的安装已越发依赖于大负载工业机器人，在其工作过程中要求末端具有力柔顺能力，从而保证设备、舱板、星体结构的安全。

目前大型仪器设备和舱板的自动化安装在对接结构上一般采用两个安装面分别布置定位销和定位孔，利用销孔配合定位的方式，在控制方式方面采用力柔顺控制方法(阻抗控制或其简化形式)，该方法的控制效果除了算法控制参数的影响外，从力传感器得到的反馈力信息对接触状态描述的准确度也是重要的影响因素。

传统的阻抗控制算法(及其简化形式)将定位销和定位孔简化为两个光滑的刚体，就可以适用于中小型仪器设备的自动化安装，而大型设备和舱板由于本身尺寸较大，弹性接触和摩擦等问题会引起尺寸更大而被放大，影响装配效果和安全性，本发明针对该问题，将大型设备和舱板装配过程中，对接销孔之间的接触和摩擦考虑到控制算法中，以赫兹模型描述销孔间的弹性接触，以库伦摩擦模型描述销孔间的摩擦力，使原有的机器人力柔顺装配算法能够适应更大尺寸设备的装配工作。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于赫兹弹性模型的机器人主动力柔顺销孔对接装配方法，解决机器人进行航天器大型设备及舱板安装中，传统的力柔顺控制效果无法满足安全平稳装配要求的问题。

本发明是通过如下技术方案实现的：

基于赫兹弹性模型的机器人主动力柔顺销孔对接装配方法，包括如下步骤：

1)将工业机器人通过以太网网线与控制计算机进行电连接，被安装设备或舱板通过连接工装设置到工业机器人末端，机器人末端和被安装设备或舱板之间设置六维力传感器；

2)控制计算机获得六维力传感器的数据并根据力柔顺控制方式对机器人的运动状态进行实时控制；

3)根据装配任务，控制计算机获得对接销和对接孔分别的制造材料，并根据预先保存的设计手册确定材料的弹性模量和泊松比；根据对接销和对接孔的尺寸确定定位销头的曲率半径；

4)进行装配粗定位，使用机器人示教器将被安装设备或舱板靠近被安装位置，手动调节机器人末端位姿，尽量对正安装位置；

5)控制计算机根据力柔顺控制方式进行自动对接，机器人在导向销孔的导引下，将被安装设备或舱板安装面与被安装面贴合；

6)手动拆除导向销，换装紧固件，被安装设备或舱板安装；

其特征在于，所述力柔顺控制方式为：在阻抗力柔顺控制方式上增加了弹性接触数学模型和摩擦模型。

其中，阻抗力柔顺控制方法建立了机器人末端运动方式和末端接触力之间的非线性联系，末端接触力通过六维力传感器测得，将末端接触力和机器人在当前控制周期的运动状态作为输入，通过力柔顺控制器计算得到机器人在下一控制周期的期望运动状态，将其发送给机器人关节控制器，机器人关节控制器再控制机器人实现这些期望的运动状态，从而完成一个控制周期内的力柔顺控制，每个控制周期都进行这一过程，从而得到完整的力柔顺控制过程。

进一步地，其具体的实现方式为，在机器人上位机控制方式中，根据系统反馈量计算机器人下一控制周期的期望位姿之前，利用数学模型所对应的公式，将力传感器信息和机器人末端位姿信息进行校正，其中赫兹接触模型用来对机器人末端位姿进行校正，摩擦模型对接触力信息进行校正，最后使用校正后的数据，经过阻抗控制器的计算，得到机器人下一控制周期的期望位姿。

其中，运动状态表征为末端速度和/或位姿，是机器人系统的常规反馈量；系统反馈量包括接触力和机器人末端运动状态。

上述技术方案中，对接销孔是一组机械结构，对接销为圆柱体端部外接圆锥的组合体结构，圆锥的锥头处为圆球形，对接孔为圆形通孔，一般可利用被安装设备或舱板上的紧固件安装孔作为对接孔。

上述技术方案中，每个装配任务至少需要两组对接销孔同时配合。

上述技术方案中，在力柔顺装配之前需预先将对接销固定在被安装面上用于安装紧固件的螺纹孔上，待力柔顺对接完成后，拆下对接销，改用紧固件(如螺钉)固定。

本发明提出的方法通过增加数学模型，将力传感器信息和机器人末端位姿信息进行校正，使反馈到控制器的系统反馈量更精确，从而达到提高阻抗控制器力柔顺控制效果的目的，可以解决航天器装配中大型仪器设备及舱板的力柔顺安装问题，提高装配质量和装配效率，可达到以下效果：

1)提高机器人完成销孔对接类型航天器装配任务时的力柔顺性能，使其能适应大型设备和舱板的力柔顺安装要求；

2)所述方法具有通用性，适用于任何具有在线规划功能的工业机器人。

附图说明

图1为本发明的对接装配方法中对接销的结构示意图。

图2实施本发明方法的力柔顺装配系统示意图；

其中，1为机器人本体及控制柜，2为控制计算机，3为力传感器，4为转接工装，5为被安装设备，6为对接孔，7为对接销，8为设备安装面；

图3a为现有的对接装配方法中力柔顺控制框图；

图3b为本发明的对接装配方法中力柔顺控制框图；

图4为所提出方法同传统力柔顺控制器对接效果的对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但这仅仅是示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。

如图1所示，本发明的对接装配方法中对接销外形为圆柱和柱体端面外接圆锥组合体的组合体，圆锥体的头部为半球形，尾部有螺纹可拧入被安装面的螺纹孔，对接销尺寸根据被安装设备安装紧固件的规格确定。

如图2所示，实施本发明方法的力柔顺装配系统包括工业机器人1、控制计算机2、六维力传感器3、转接工装4、被安装设备5、对接机构(包括对接孔6、对接销7)，对接销提前安装在对接平面8上。其中工业机器人(包括控制柜)同控制计算机通过以太网网线连接，力传感器同控制计算机也采用以太网网线连接，六维力传感器一般为圆片形状，通过紧固件安装与机器人末端和设备的转接工装之间，转接工装的另一侧同样使用紧固件连接被安装设备，被安装设备本身的安装孔可作为对接孔，与事先安装在被安装面上的对接销对接。

进行力柔顺设备对接之前，先把正确规格的对接销拧入安装设备紧固件的螺纹孔，根据实际情况一般使用2ˉ4个对接销。六维力传感器布置在工业机器人末端，被安装设备通过工装与力传感器连接。被安装设备的紧固件安装孔可作为销孔对接的对接孔。

如图3a所示为在一个控制里，针对销孔对接的力柔顺控制过程。其中Θ_d为机器人关节运动规划出的基本路径(即当机器人末端不受到任何接触力时，其表现出的运动状态，例如安装设备时，机器人末端应以垂直于安装面的方向缓慢靠近安装面)，Θ_fb为机器人各关节位置反馈量，图3a中的上半部分即是普通的机器人位置控制方式，一般采用三环(位置、速度、电流)或双环(位置、速度)PID控制，此部分由机器人系统的下位机处理，与力柔顺控制方法本身无关。图3a中的下半部分是传统的阻抗力柔顺控制部分，将此部分与机器人位置控制方式结合即可得到完整的阻抗力柔顺控制过程。传统的阻抗力柔顺控制部分的核心是力柔顺控制器，它是由相应的数学公式进行程序化后，在控制计算机(上位机)上运行所实现的。其步骤为，首先依据力传感器采集的接触力信号和机器人系统反馈的机器人末端状态信息，通过力柔顺控制器计算出机器人末端的调整方式(末端六维速度)，经过逆雅克比矩阵计算得到机器人各关节的速度调整量再经过时间积分的得到各关节位置调整量Θ_i,其与Θ_d结合作为下一时间周期机器人各关节的期望位置，并由机器人下位机控制完成该运动，即完成了一个完整的力柔顺控制周期。力柔顺控制器的具体实现方式在下面详细论述。

如图3(a)中的“力柔顺控制”方法采用阻抗控制方法，对于机器人末端的六个维度(三维移动方向和三维转动方向)中的任意一个维度，其控制算法为：

式(1)中M，K和C分别为阻抗控制器的惯量系数，刚度系数和阻尼系数，均为控制器参数，可根据需要达到的力柔顺效果进行调节。F为该维度上，由六维力传感器测得的接触力(转动方向上为接触力矩)，Δx＝x-x₀,x为末端在该维度上当前的位置(转动方向上为姿态角)，x₀为对接初始位置。在力柔顺装配过程中，由式(1)可以实时计算机器人下一控制周期的期望加速度，对时间积分则可得到机器人末端在该维度上的期望速度，从而控制机器人运动。

其中，机器人关节控制器对机器人的控制是机器人系统的固有能力，同阻抗控制算法无关；阻抗控制器模型本身是固定的数学公式，其可变化的部分只有刚度系数K、阻尼系数D和惯量系数M，这三个参数决定了阻抗控制器的控制特性，并无优劣之分，只存在是否更适应所应用的工况的问题；显然能够直接影响阻抗控制效果的因素就只有系统反馈量是否准确这一因素。阻抗控制所需要用到的系统反馈量包括力传感器信息，机器人末端位姿信息和速度信息，其中机器人末端速度信息一般由位姿信息差分得到，本质上也是位姿信息。

而本发明所提出的改进后的力柔顺控制在原有的力柔顺控制的基础上增加了弹性接触数学模型和销孔之间摩擦力的数学模型。

图3(b)中增加了弹性接触模型和摩擦模型，其中弹性接触模型描述了对接销孔之间的接触力引起的局部形变状态，摩擦模型描述了某一维度上的接触力对其他方向上测得力的影响。

根据赫兹弹性模型，对接销在对接孔内部，同对接孔内壁接触时，接触力所产生的微变形量d如式(2)所示：

其中a为接触面等效半径，p₀为最大压力，E^*为等效弹性模量，式中：

R₁为对接销半径，R₂为对接孔半径，F为该维度上的接触力，E^*的计算如式(3)所示：

其中E₁和E₂分别是对接销和对接孔材料的弹性模量，v₁和v₂为对接销和对接孔材料的泊松比。对接销孔的尺寸和材料是确定的，接触力可由力传感器实时得到，因此通过式(2)、(3)可以得到微变形量d，考虑到该微变形量对阻抗控制中弹簧的作用，将式(1)改进为式(4)的形式：

根据摩擦模型，销孔之间的压力所带来的摩擦力会影响另外两个方向的受力情况，即如果以对接进行方向为笛卡尔坐标系的Z方向，则X(Y)方向的压力会改变Y(X)方向和Z方向受力情况,考虑到摩擦影响，式(4)改进为式(5)的形式，由于各力方向上存在耦合，则式(4)在x方向上：

其中F_x、F_y、F_z为三个运动方向上的(由传感器测得的)受力，μ₁、μ₂分别为对接销孔间的摩擦系数、被安装设备同被安装平面间的摩擦系数。

最终改进的力柔顺阻抗控制器即为如式(2)～式(5)所示公式的计算过程，在实施时需将以上公式在控制计算机(上位机)中进行程序化描述，根据所选工业机器人所支持的数据格式编写程序。

针对本发明提出的方法，进行了对比试验，分别采用传统力柔顺控制和基于赫兹弹性模型的机器人力柔顺方法，从两次对接所得到的接触力曲线比较，所提出的改进力柔顺控制方法的接触力绝对值、振动幅度、对接完成时间等均优于传统的力柔顺控制，对比如图4所示。

图4中两条曲线均为某对接工况下，x方向上(平行于对接平面的水平方向)，接触力数值，其中蓝色曲线对应传统力柔顺控制器，红色曲线对应所提出的新的力柔顺控制方法，可以看出接触力的幅值由5N下降到了1N左右，同时振荡情况明显减弱，并且对接完成时间从约48s下降到约40s(红色曲线40s之后的小幅振荡为对接到位后的阻抗力振动，为正常现象)。

尽管上文对本发明专利的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明专利的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于赫兹弹性模型的机器人主动力柔顺销孔对接装配方法，包括如下步骤：

1)将工业机器人通过以太网网线与控制计算机进行电连接，被安装设备或舱板通过连接工装设置到工业机器人末端，机器人末端和被安装设备或舱板之间设置六维力传感器；

2)控制计算机获得六维力传感器的数据并根据力柔顺控制方式对机器人的运动状态进行实时控制；

3)根据装配任务，控制计算机获得对接销和对接孔分别的制造材料，并根据预先保存的设计手册确定材料的弹性模量和泊松比；根据对接销和对接孔的尺寸确定定位销头的曲率半径；

4)进行装配粗定位，使用机器人示教器将被安装设备或舱板靠近被安装位置，手动调节机器人末端位姿，尽量对正安装位置；

5)控制计算机根据力柔顺控制方式进行自动对接，机器人在导向销孔的导引下，将被安装设备或舱板安装面与被安装面贴合；

6)手动拆除导向销，换装紧固件，被安装设备或舱板安装；

其特征在于，所述力柔顺控制方式为：在阻抗力柔顺控制方式上增加了弹性接触数学模型和摩擦模型。

2.如权利要求1所述的方法，其中，阻抗力柔顺控制方法建立了机器人末端运动方式和末端接触力之间的非线性联系，末端接触力通过六维力传感器测得，将末端接触力和机器人在当前控制周期的运动状态作为输入，通过力柔顺控制器计算得到机器人在下一控制周期的期望运动状态，将其发送给机器人关节控制器，机器人关节控制器再控制机器人实现这些期望的运动状态，从而完成一个控制周期内的力柔顺控制，每个控制周期都进行这一过程，从而得到完整的力柔顺控制过程。

3.如权利要求1所述的方法，其中，在机器人上位机控制方式中，根据系统反馈量计算机器人下一控制周期的期望位姿之前，利用数学模型所对应的公式，将力传感器信息和机器人末端位姿信息进行校正，其中赫兹接触模型用来对机器人末端位姿进行校正，摩擦模型对接触力信息进行校正，最后使用校正后的数据，经过阻抗控制器的计算，得到机器人下一控制周期的期望位姿。

4.如权利要求3所述的方法，其中，运动状态表征为末端速度和/或位姿，是机器人系统的常规反馈量；系统反馈量包括接触力和机器人末端运动状态。

5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其中，对接销孔是一组机械结构，对接销为圆柱体端部外接圆锥的组合体结构，圆锥的锥头处为圆球形，对接孔为圆形通孔，一般可利用被安装设备或舱板上的紧固件安装孔作为对接孔。

6.如权利要求1所述的方法，其中，每个装配任务至少需要两组对接销孔同时配合。

7.如权利要求1所述的方法，其中，在力柔顺装配之前需预先将对接销固定在被安装面上用于安装紧固件的螺纹孔上，待力柔顺对接完成后，拆下对接销，改用紧固件固定。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述紧固件为螺钉。