CN108466290B - 机器人辅助作业系统及其辅助作业方法 - Google Patents

Abstract

一种自动化生产技术领域的机器人辅助作业系统及其辅助作业方法，包括：人机协作作业单元，用于向机器人法兰末端输入操纵力；力传感模块，其设置于机器人法兰末端，用于获取机器人法兰末端的受力情况；数据库模块，用于存储所有工件的标准力学参数；辨识模块，用于对已夹取工件的力学参数进行识别并与已存储的工件的标准力学参数进行匹配；位置指令模块，用于对位置指令进行更新；自主运动控制模块，用于根据位置指令控制机器人运动。本发明通过建立工件力学参数数据库，允许机器人在不改变编程参数的情况下操纵不同质量的工件，极大了提高了使用便利度。

Description

机器人辅助作业系统及其辅助作业方法

技术领域

本发明涉及的是一种自动化生产领域的技术，具体是一种机器人辅助作业系统及其辅助作业方法。

背景技术

机器人已广泛应用于自动化生产各个领域，但是机器人只能按照预设程序完成既定任务，当机器人任务或者运动轨迹发生变化时，必须对机器人重新编程，这使得机器人难以胜任一些柔性任务。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种机器人辅助作业系统及其辅助作业方法，通过建立工件力学参数数据库，允许机器人在不改变编程参数的情况下操纵不同质量的工件，极大了提高了使用便利度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种机器人辅助作业系统，包括：

人机协作作业单元，用于向连接有夹取机构的机器人法兰末端输入操纵力；

力传感模块，其设置于机器人法兰末端，用于获取机器人法兰末端的受力情况；

数据库模块，用于存储所有工件的标准力学参数，包括工件的标准质量参数和标准质心参数；

辨识模块，用于对力传感数据进行识别得到当前夹取工件的力学参数，并与已存储的工件的标准力学参数进行匹配；

位置指令模块，用于根据机器人法兰末端的受力情况、当前夹取的工件的标准力学参数、操纵力与机器人运动速度之间的映射关系以及机器人运动速度与机器人位置指令之间的映射关系对位置指令进行更新；

自主运动控制模块，用于根据位置指令控制机器人运动。

所述的人机协作作业单元设有输入模块和夹取机构控制模块，所述输入模块用于操纵力输入，所述夹取机构控制模块用于控制夹取机构的工作状态。

所述力传感模块包括多维力传感器，优选地，为六维力传感器。

本发明涉及一种机器人辅助作业方法，夹取工件并获取该工件的初始质量参数，进而于工件参数数据库中对该工件进行匹配，获取该工件的标准力学参数；之后进行人机协作作业，基于该工件的标准力学参数、操纵力与机器人运动速度之间的映射关系以及机器人运动速度与机器人位置指令之间的映射关系，在获取作业员施加的操纵力后对操纵力进行识别，根据经识别的操纵力对机器人的位置指令进行更新，根据更新后的位置指令机器人通过自主运动控制进行运动；在机器人运动到达预定位置后，释放夹取的工件，并结束人机协作作业，否则继续进行操纵力的输入至机器人运动达到预定位置。

技术效果

与现有技术相比，本发明中机器人提供了向上的拉力平衡工件重力，而作业人员只需施加很小的操纵力就可以移动机器人法兰末端的重物；而机器人面对不同规格的工件，无需预先进行复杂的编程即可连续作业，降低了作业人员劳动强度的同时提高了机器人的作业效率，具有良好的协同作业效应。

附图说明

图1为实施例1中系统结构示意图；

图2为实施例1中装置结构示意图；

图3为实施例1中方法流程图；

图4为操纵力与机器人运动速度之间的映射关系图；

图5为参数F₁对操纵力与机器人运动速度之间的映射关系影响图；

图6为参数F₂对操纵力与机器人运动速度之间的映射关系影响图；

图7是F₂＝+∞情况下操纵力与机器人运动速度之间的映射关系图；

图中：人机协作作业单元1、力传感模块2、数据库模块3、辨识模块4、位置指令模块5、自主运动控制模块6、法兰盘7、夹取机构8、六维力传感器9、操纵机构10、输入模块11、夹取机构控制模块12。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例涉及一种机器人辅助作业系统，用于控制机器人辅助人类完成搬运、装配、定位等操作，包括：

人机协作作业单元1，用于向连接有夹取机构的机器人法兰末端输入操纵力；

力传感模块2，其设置于机器人法兰末端，用于获取机器人法兰末端的受力情况；

数据库模块3，用于存储所有工件的标准力学参数，包括工件的标准质量参数和标准质心参数；

辨识模块4，用于对已夹取工件的力学参数进行识别并与已存储的工件的标准力学参数进行匹配；

位置指令模块5，用于根据机器人法兰末端的受力情况、当前夹取的工件的标准力学参数、操纵力与机器人运动速度之间的映射关系以及机器人运动速度与机器人位置指令之间的映射关系对位置指令进行更新；

自主运动控制模块6，用于根据位置指令控制机器人运动。

所述的人机协作作业单元1设有输入模块11和夹取机构控制模块12，所述输入模块11用于操纵力输入，所述夹取机构控制模块12用于控制夹取机构的工作状态。

如图2所示，本实施例涉及基于上述系统的机器人装置，具体是一种串联式工业机械臂；所述串联式工业机械臂的末端设有法兰盘7，法兰盘7上设有夹取机构8；所述夹取机构8设有六维力传感器9以及操纵机构10。

所述夹取机构8可以采用吸盘、夹具、电磁铁、快速接头等多种装置；优选地，采用有定位抓取特征的夹取机构8可以保证工件的固定位置和姿态保持一定，这样有利于更加准确地辨识操纵力，从而取得更好的控制效果。

所述操纵机构10位于夹取机构8和六维力传感器9之间；所述操纵机构10设有两个按钮，其中，按钮一控制机器人的工作状态，即控制牵引操纵动作的停止与开始，按钮二控制夹取机构开闭状态。

所述操纵机构10具有手柄，可以使得作业人员进行推、拉等牵引操纵，进行操纵力的输入。

当对机器人的工作状态以及夹取机构开闭状态的控制不局限于上述机构，也可采用便携式移动设备进行控制。

如图3所示，一种基于上述系统和装置的机器人辅助作业方法，以夹取n个不同规格零件至指定位置为例，具体步骤包括：

S₁，操纵机器人使得机器人法兰末端法兰面竖直向下，夹取工件并获取该工件的初始质量参数m；

S₂，于工件参数数据库中对该工件进行匹配，获取该工件的标准力学参数；

S₃，按下按钮一进行人机协作作业，基于该工件的标准力学参数、操纵力与机器人运动速度之间的映射关系以及机器人运动速度与机器人位置指令之间的映射关系，在获取作业员施加的操纵力后对操纵力进行识别，根据经识别的操纵力对机器人的位置指令进行更新，根据更新后的位置指令机器人通过自主运动控制进行运动；

S₄，最后进行工件位置判断，若工件到达指定位置上方，则松开按钮一，结束人机协作作业，再按下按钮二，打开夹取机构，释放工件；否则重复步骤S₃。

在步骤S₁中，读取当前力传感器测得的z轴读数F_z，夹取机构质量已知，定义为m_j，则工件质量为m_p＝F_z/g-m_j，式中，g为重力加速度。

在步骤S₂中，工件参数数据库为在标准测量情况下，对n个不同型号工件进行预先测量得到的工件标准质量参数m_i(第i个工件的标准质量参数)和对应工件的标准质心参数(C_gx，C_gy，C_gz)，标准质量参数m_i和标准质心参数(C_gx，C_gy，C_gz)采用结构体数组的形式，每个工件样本对应一个结构体变量。

所述标准测量情况为：

1)以xoz面为水平面，y轴竖直向下，获得工件质心的x坐标C_gx＝(M_z-M_jz)/(m_ig)以及工件质心的z坐标C_gz＝(M_x-M_jx)/(m_ig)，M_z为力传感数据中的z轴转矩，M_x为力传感数据中的x轴转矩，M_jz为夹取机构相对于z轴的转矩，M_jx为夹取机构相对于x轴的转矩；

2)以yoz面为水平面，x轴竖直向下，获取工件质心的y坐标C_gy＝-(M_z-M_jz)/(m_ig)。

通过计算|m_i-m_p|，得到取值最小的样本，即为该工件的匹配样本。

在步骤S₃中，操纵力识别需要利用坐标变换矩阵求解相关参数在机器人世界坐标系中的投影，机器人坐标系z轴竖直向上。在法兰参考系内，工件和夹取机构质心坐标分别为(C_gx，C_gy，C_gz)和(C_jx，C_jy，C_jz)，二者在机器人坐标系内的投影分别为(L_gx，L_gy，L_gz)和(L_jx，L_jy，L_jz)。力传感器读数F_S为(F_x，F_y，F_z，M_x，M_y，M_z)，在机器人坐标系的投影为(F_Rx，F_Ry，F_Rz，M_Rx，M_Ry，M_Rz)，操作者对于手柄的操纵力F记为(F_Hx，F_Hy，F_Hz，M_Hx，M_Hy，M_Hz)，则有F_Hx＝F_Rx，F_Hy＝F_Ry，F_Hz＝F_Rz+(m+m_j)g，(M_Hx，M_Hy，M_Hz)＝(M_Rx，M_Ry，M_Rz)-m(0，0，-g)×(L_gx，L_gy，L_gz)-m_j(0，0，-g)×(L_jx，L_jy，L_jz)，式中×代表矢量叉乘。

所述对操纵力进行识别是指将操纵力F分解为任一维度的力，其中，力F_H＝F_s-M₁g-M₂g，力矩T_H＝T_s-M₁g×L₁-M₂g×L₂，F_s为力传感器获取的机器人法兰末端受力，M₁为夹取机构质量、L₁为质心矢量，M₂为工件质量、L₂质心矢量。

在建立的操纵力和机器人运行速度之间的映射关系中，为保证系统的稳定性，设定运动死区；如果F∈[F_d-，F_d+]，有V＝0，F_d-为死区下限，F_d+为死区上限；死区边界取值受到操纵力识别的准确度影响，同时还和力传感器精度有关，减小死区区间可以提高机器人操纵灵敏度，增大死区区间可以增加机器人操纵的稳定性。

机器人运转速度V对应于操纵力F中任一维力(F_Hx，F_Hy，F_Hz，M_Hx，M_Hy，M_Hz)设置，为兼顾机器人操纵的柔顺性和安全性，操纵力F与机器人运动速度V的映射关系如图4所示，具体为：

操纵力处于较小区域，和速度呈正相关，可保证操纵柔顺性；

在F₂>0且F₂＝+∞时，操纵力较大，取消操纵力的速度保护限制，可保证操纵安全性，该映射关系如图7所示，具体为：

其中，sign()为符号函数，[F_d-，F_d+]为运动死区，F₁、F₂、V_m为待设定参数，V_m为机器人最大运动速度，F₁+F_d为机器人最大运动速度对应的操纵力，F₂+F_d为机器人截止运动速度对应的操纵力；F_d为操纵力死区阈值，和机器人关节摩擦力有关，需要实验测定。

如图5和图6所示，改变F₁可以改变机器人操纵的柔顺性，F₁越小，机器人越柔顺；为保证安全性，机器人运转速度不会随着操纵力的增大而一直增大，通过设置F₂可以限制操作力较大情况下机器人的运转速度。

而机器人运动速度与机器人位置指令之间的映射关系则表示为q_cmd＝q_last+V·Δt，其中，q_cmd是当前插补周期计算得到的位置指令，q_last为上一位置插补周期的位置指令，Δt为位置插补周期。

为保证运动平滑，可以对机器人运动速度V进行低通滤波，得到滤波后的速度信号V_Lp，此时速度-位置指令映射关系变为q_cmd＝q_last+V_LP·Δt；滤波器可自由选择，例如3阶的巴特沃斯滤波器，截止频率根据需求设置，可取20～100Hz。

根据任一维度的操纵力F，求解对应维度的机器人运动速度V，得到机器人在全部维度上的运动速度参数记为(V_x，V_y，V_z，ω_x，ω_y，ω_z)，其中，(V_x，V_y，V_z)是线速度，(ω_x，ω_y，ω_z)是角速度；另上一位置插补周期的位置指令为(X_last，Y_last，Z_last，U_last，V_last，W_last)，求解当前位置插补周期的位置指令(X_cmd，Y_cmd，Z_cmd，U_cmd，V_cmd，W_cmd)，则有：

X_cmd＝X_last+V_LPx·Δt，

Y_cmd＝Y_last+V_LPy·Δt，

Z_cmd＝Z_last+V_LPz·Δt，

U_cmd＝U_last+ω_LPx·Δt，

V_cmd＝V_last+ω_LPy·Δt，

W_cmd＝W_last+ω_LPz·Δt，

其中，(V_LPx，V_LPy，V_LPz，ω_LPx，ω_LPy，ω_LPz)是(V_x，V_y，V_z，ω_x，ω_y，ω_z)低通滤波后的信号。

本实施例允许操作者在免编程的情况下通过手柄操纵机械手运动，这使得人类和机器人可以协同完成任务，增加了机器人承担柔性工作的能力；通过机械手在不改变参数的情况下操纵不同质量的工件，极大了提高了使用便利度。

需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种机器人辅助作业方法，其特征在于，夹取工件并获取该工件的初始质量参数，进而于工件参数数据库中对该工件进行匹配，获取该工件的标准力学参数；之后进行人机协作作业，基于该工件的标准力学参数、操纵力与机器人运动速度之间的映射关系以及机器人运动速度与机器人位置指令之间的映射关系，在获取作业员施加的操纵力后对操纵力进行识别，根据经识别的操纵力对机器人的位置指令进行更新，根据更新后的位置指令机器人通过自主运动控制进行运动；在机器人运动到达预定位置后，释放夹取的工件，并结束人机协作作业，否则继续进行操纵力的输入至机器人运动达到预定位置；

所述对操纵力进行识别是指将操纵力F分解为任一维度的力，在机器人法兰末端的法兰参考系内记为(F_Hx，F_Hy，F_Hz，M_Hx，M_Hy，M_Hz)；

在法兰参考系内，工件和夹取机构质心坐标分别为(C_gx，C_gy，C_gz)和(C_jx，C_jy，C_jz)，二者在机器人坐标系内的投影分别为(L_gx，L_gy，L_gz)和(L_jx，L_jy，L_jz)；机器人法兰末端的受力F_S为(F_x，F_y，F_z，M_x，M_y，M_z)，在机器人坐标系的投影为(F_Rx，F_Ry，F_Rz，M_Rx，M_Ry，M_Rz)，则有F_Hx＝F_Rx，F_Hy＝F_Ry，F_Hz＝F_Rz+(m+m_j)g，(M_Hx，M_Hy，M_Hz)＝(M_Rx，M_Ry，M_Rz)-m(0，0，-g)×(L_gx，L_gy，L_gz)-m_j(0，0，-g)×(L_jx，L_jy，L_jz)。

2.根据权利要求1所述的机器人辅助作业方法，其特征是，所述对该工件进行匹配为比较当前夹取工件的初始质量参数m_p与数据库中工件的标准质量参数m_i，通过计算|m_i-m_p|，得到取值最小的样本为匹配样本。

3.根据权利要求2所述的机器人辅助作业方法，其特征是，所述初始质量参数为m_p＝F_z/g-m_j，其中，F_z为在z轴方向上机器人法兰末端的力传感数据，g为重力加速度，m_j为夹取机构的质量，z轴为经机器人法兰末端法兰面中心点的法线。

4.根据权利要求2所述的机器人辅助作业方法，其特征是，所述标准质量参数和标准质心参数为在标准测量情况下测得的同规格全部工件的统计数据；所述工件的标准质量参数为m_i，标准质心参数为(C_gx，C_gy，C_gz)；

所述标准测量情况为：

1)以xoz面为水平面，y轴竖直向下，获得工件质心的x坐标C_gx＝(M_z-M_jz)/(m_ig)以及工件质心的z坐标C_gz＝(M_x-M_jx)/(m_ig)，M_z为力传感数据中的z轴转矩，M_x为力传感数据中的x轴转矩，M_jz为夹取机构相对于z轴的转矩，M_jx为夹取机构相对于x轴的转矩；

2)以yoz面为水平面，x轴竖直向下，获取工件质心的y坐标C_gy＝-(M_z-M_jz)/(m_ig)。

5.根据权利要求1所述的机器人辅助作业方法，其特征是，所述操纵力F与机器人运动速度V之间的映射关系为：

在F₂>0且F₂＝+∞时，该映射关系变为：

其中，sign()为符号函数，F_d为操纵力死区阈值，[F_d-，F_d+]为运动死区，F₁、F₂、V_m为待设定参数，V_m为机器人最大运动速度，F₁+F_d为机器人最大运动速度对应的操纵力，F₂+F_d为机器人截止运动速度对应的操纵力。

6.根据权利要求5所述的机器人辅助作业方法，其特征是，所述机器人运动速度与机器人位置指令之间的映射关系为q_cmd＝q_last+V·Δt，

其中，q_cmd为机器人位置指令(X_cmd，Y_cmd，Z_cmd，U_cmd，V_cmd，W_cmd)，q_last为上个插补周期的机器人位置指令(X_last，Y_last，Z_last，U_last，V_last，W_last)，机器人运动速度V为(V_x，V_y，V_z，ω_x，ω_y，ω_z)，Δt为位置插补周期；

为保证运动平滑，可以对机器人运动速度进行低通滤波，得到滤波后的速度信号V_Lp，此时机器人运动速度与机器人位置指令之间的映射关系为q_cmd＝q_last+V_LP·Δt。

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