CN109634316A - 基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法、系统、装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微装配领域，具体涉及了一种基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法、系统、装置，旨在为了解决微器件的高精度装配过程中容易损坏的问题。本发明的方法包括：将微型轴零件和微型孔零件调整至主动约束状态；利用渐进式插入控制方法控制微型孔零件运动使微型轴零件插入微型孔零件；获取微型孔零件和微型轴零件间的力、力矩信息；通过主动约束状态控制方法调整微型孔零件的位置，主动柔顺控制方法调整微型轴零件的姿态，使得微型孔零件和微型轴零件间力和力矩一直处于阈值范围内，直至完成整微型孔零件和微型轴零件的装配。本发明有效避免微器件装配中的卡阻现象，可实现微器件的高精度无损装配，具有重要的应用意义。
Description
技术领域
本发明属于微装配领域，具体涉及了一种基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法、系统、装置。
背景技术
微力及力矩控制是微操作与微装配技术领域里的关键技术之一，可广泛应用于微机电系统、精密光电子工程等领域。在微装配领域，微器件通常需要显微视觉来定位，与宏观装配相比，既提高了装配效率，也可避免搜孔操作对微器件带来的损害。然而，由于显微视觉景深小、视野范围小、易被遮挡等原因，显微视觉通常会在微器件插入阶段失效。对于装配精度要求较高或装配元件易损坏的情况，则需要在插入阶段实时监控微器件在装配时的受力以确保元件的无损装配。由于微器件间产生的力或力矩主要是由二者的位姿偏差造成的，所以在插入阶段需要解决如何根据力或力矩信息来消除微器件间的位姿置偏差从而实现无损装配。通过分析可知，微器件在装配时可能出现的配合情形较复杂，一种受力情形会对应多种位姿偏差情形，即一对多的映射问题。如何根据力或力矩的信息来估计位姿偏差从而实现最终的装配是一项值得深入研究的内容。
目前国内外多维微力和力矩控制的文献比较有限，其中Qiao[1]等对轴孔装配做了一系列深入的研究，基于手腕式六维力传感器，详细讨论了如何通过力或力矩信息来分析轴在无倒角孔外接触情形的位姿偏差大小和方向以及相应的控制策略。
总的来说，现有的微力及力矩控制方法不能避免微器件的卡阻现象，无法实现微器件的无损装配。
以下文献是与本发明相关的技术背景资料：
[1]Qiao H.,Dalay B.S.and Parkin R.M.Robotic peg-hole insertionoperations using a six-component force sensor,Proceedings of the Institutionof Mechanical Engineers,Part C:Journal of Mechanical Engineering Science,1993,207:289-306.
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决微器件的高精度装配过程中容易损坏的问题，本发明提供了一种基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法，包括：
步骤S10，将微型轴零件和微型孔零件调整至主动约束状态；
步骤S20，利用渐进式插入控制方法控制微型孔零件运动使微型轴零件插入微型孔零件；
步骤S30，获取第一信息、第二信息；所述第一信息、所述第二信息分别为微型孔零件所受力、力矩；
步骤S40，基于所述第一信息进行微型孔零件的位置调整，所述第二信息进行微型轴零件的姿态调整，并执行步骤S20，直至完成整微型孔零件和微型轴零件的装配。
其中，所述位置调整和姿态调整包括：
当所述第一信息大于预设的第一阈值时，通过主动约束状态控制方法调整微型孔零件的位置使所述第一信息小于等于所述第一阈值；
当所述第二信息大于预设的第二阈值时，通过主动柔顺控制方法调整微型轴零件的姿态使所述第二信息小于等于所述第二阈值。
在一些优选的实施例中，步骤S10中微型轴零件和微型孔零件所处于的主动约束状态为：
Fxs＝0，Fys＝0，Mxs＝0，Mys＝0
其中Fxs为微型孔零件受到的X轴方向的力，Fys为微型孔零件受到的Y轴方向的力，Mxs为微型孔零件受到的X轴方向的力矩，Mys微型孔零件受到的Y轴方向的力矩，X-Y为微型孔零件中孔的横切面的二维坐标系。
在此状态下受力状态与位置姿态偏差变为一对一的映射关系，可以直接依据力矩信息进行微型孔零件和微型轴零件之间位置姿态偏差的调整。
在一些优选的实施例中，步骤S20中所述渐进式插入控制方法为：
按照预设的步长，分步控制微型孔零件在孔轴方向沿微型轴零件的轴方向的插入动作。
插入动作通过开关sw2控制：
其中，dz是微型孔零件的插入深度，Fzs为微型孔零件所受到的轴向力，和分别为dz和Fzs的最大值。
在一些优选的实施例中，所述主动约束状态控制方法通过主动约束状态控制回路进行，所述主动约束状态控制回路包括旋转矩阵J1、PI控制器Ⅰ、三维直线运动平台、微力传感器和卡尔曼滤波器。
所述主动约束状态控制回路的输入是二维微力差e1：
e1＝[Fxs-Fxs*Fys-Fys*]T
其中Fxs*和Fys*是微型孔零件的期望受力；Fxs和Fys为微型孔零件受到的力。
所述旋转矩阵J1为运动平台坐标系和力传感器坐标系之间的旋转关系矩阵；
所述PI控制器Ⅰ的输出量为三维直线运动平台的输入控制量[Δux(k),Δuy(k)]Τ：
[Δux(k),Δuy(k)]Τ＝KP1J1(e1(k)-e1(k-1))+KI1J1e1(k)
其中，Δux(k)、Δuy(k)分别为PI控制器Ⅰ控制微型孔零件X轴方向和Y轴方向的位置调整量；KP1和KI1分别为比例和积分系数；e1(k)和e1(k-1)分别为时刻k和时刻k-1的力误差。
在一些优选的实施例中，所述主动柔顺控制方法通过主动柔顺控制回路进行；所述主动柔顺控制回路包括旋转矩阵J2、PI控制器Ⅱ、摆动运动平台、微力传感器和卡尔曼滤波器。
所述主动柔顺控制回路的输入是二维微力矩差e2：
e2＝[Mxs(k)-Mxs*Mys(k)-Mys*]T
其中Mxs*和Mys*是微型孔零件的期望所受力矩，Mxs和Mys是微型孔零件受到的力矩。
所述旋转矩阵J2为运动平台坐标系和力传感器坐标系之间的旋转关系矩阵；
所述PI控制器Ⅱ的输出量为摆动运动平台的输入控制量[Δuθx(k),Δuθy(k)]T：
[Δuθx(k),Δuθy(k)]T＝KP2J2(e2(k)-e2(k-1))+KI2J2e2(k)
其中，Δuθx(k)、Δuθy(k)分别为PI控制器Ⅱ控制微型轴零件X轴方向和Y轴方向的姿态调整量；Kp2和KI2分别为比例和积分系数；e2(k)和e2(k-1)分别为时刻k和时刻k-1的力矩误差。
在一些优选的实施例中，为了避免由于调整微型轴零件和微型孔零件位置姿态带来的两者间的受力剧烈增大，需要依据PI控制器II的输出量给出三维直线运动平台的控制补偿量[Δuxc(k),Δuyc(k)]T，并基于该补偿量进行位置调整量补偿：
[Δuxc(k),Δuyc(k)]T＝KC[Δuθx(k),Δuθy(k)]T
其中，Δuxc(k)、Δuyc(k)分别为PI控制器Ⅰ控制微型孔零件X轴方向和Y轴方向的位置调整补偿量，X-Y为微型孔零件中孔的横切面的二维坐标系；KC为通过离线标定得到的补偿系数。
本发明的另一方面提出了一种基于主动约束状态多维微力及力矩控制系统，包括初始状态调整模块、插入控制模块、信息获取模块、位姿调整模块；
所述初始状态调整模块，将微型轴零件和微型孔零件调整至主动约束状态；
所述插入控制模块，利用渐进式插入控制方法控制微型孔零件运动使微型轴零件插入微型孔零件；
所述信息获取模块，获取第一信息、第二信息；所述第一信息、所述第二信息分别为微型孔所受力、力矩；
所述位姿调整模块，基于所述第一信息进行微型孔零件的位置调整，所述第二信息进行微型轴零件的姿态调整；
其中，所述位姿调整模块包括位置调整模块、姿态调整模块：
所述位置调整模块，配置为当所述第一信息大于预设的第一阈值时，通过主动约束状态控制方法调整微型孔零件的位置使所述第一信息小于等于所述第一阈值；
所述姿态调整模块，配置为当所述第二信息大于预设的第二阈值时，通过主动柔顺控制方法调整微型轴零件的姿态使所述第二信息小于等于所述第二阈值。
本发明的第三方面，提出了一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法。
本发明的第四方面，提出了一种处理装置，包括处理器、存储装置；所述处理器，适于执行各条程序；所述存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法。
本发明的有益效果：
(1)本发明所提供的方法具有简单易行、控制精度高的特点，随着微装配技术的快速发展，本发明具有较好的市场应用前景。
(2)本发明使微型轴零件和微型孔零件处于主动约束状态，然后调节控制量以减少两者间的力矩，解决了受力状态与位置姿态偏差一对多的复杂映射关系问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法的流程示意图；
图2是本发明基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法的硬件系统示意图；
图3是本发明基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法的一种实施例的微型孔零件的受力情况波形图；
图4是本发明基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法的一种实施例的微型孔零件的力矩情况波形图；
图5是本发明基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法的一种实施例的装配过程中微型轴零件的姿态调整控制量波形图；
图6是本发明基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法的一种实施例的装配过程中微型孔零件的位置调整控制量波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
现有的微装配，基本上采用显微视觉来定位，与宏观装配相比，既提高了装配效率，同时也可避免由于搜孔操作对微器件带来的损害。然而，由于显微视觉景深小、视野范围小、易被遮挡等原因，显微视觉通常会在微器件插入阶段失效。本发明公开了一种基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法，有效避免微器件的卡阻现象，可实现微器件的无损装配。
本发明的一种基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法，包括：
步骤S10，将微型轴零件和微型孔零件调整至主动约束状态；
步骤S20，利用渐进式插入控制方法控制微型孔零件运动使微型轴零件插入微型孔零件；
步骤S30，获取第一信息、第二信息；所述第一信息、所述第二信息分别为微型孔零件所受力、力矩；
步骤S40，基于所述第一信息进行微型孔零件的位置调整，所述第二信息进行微型轴零件的姿态调整，并执行步骤S20，直至完成整微型孔零件和微型轴零件的装配。
步骤S40中所述位置调整和姿态调整包括：
当所述第一信息大于预设的第一阈值时，通过主动约束状态控制方法调整微型孔的位置使所述第一信息小于等于所述第一阈值；
当所述第二信息大于预设的第二阈值时，通过主动柔顺控制方法调整微型轴零件的姿态使所述第二信息小于等于所述第二阈值。
本发明方法实施所需的硬件系统的一个示例如图2所示，包括微型孔零件1、微型轴零件2、六自由度微力传感器3、三维直线运动平台4、摆动运动平台5、第一夹持器6、第二夹持器7、计算机8。微型孔零件1通过第一夹持器6安装于三维直线运动平台4，随着运动平台一起运动，可实现三维直线运动。微型孔零件2通过第二夹持器7安装于摆动运动平台5，随着运动平台一起运动，可实现二维摆动运动。所述六自由度微力传感器3通过控制线9连接至计算机8；所述三维直线运动平台4通过控制线10连接至计算机8；所述摆动运动平台5通过控制线11连接至计算机8。所述六自由度微力传感器所在的坐标系为OSXSYS，三维直线运动平台的坐标系为OW1XW1YW1，摆动运动平台的坐标系为OW2XW2YW2。在本示例中，所装配的微型孔零件和微型轴零件进行竖直方向的装配，此时需要检测和控制的就是装配过程中水平方向的受力和力矩。
本发明实施例中，六自由度微力传感器采用美国ATI公司的Nano43传感器，力和力矩的分辨率分别为0.004N和0.1Nmm；所述三维直线运动平台和摆动运动平台均采用日本浚河精密电机公司的产品，三维直线运动平台具有三个电动平移自由度XW1，YW1和ZW1，摆动运动平台具有两个电动摆动自由度θx和θy；计算机采用研华工控机；微型孔零件和微型轴零件为铝制零件，两者间的配合间隙为50μm。
为了更清晰地对本发明基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法进行说明，下面结合附图1对本方发明方法一种实施例中各步骤进行展开详述。
本方发明一种实施例的基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法，包括步骤S10-步骤S40，各步骤详细描述如下：
步骤S10，将微型轴零件和微型孔零件调整至主动约束状态。
装配起始阶段，微型孔零件和微型轴零件并未接触，处于主动约束状态，如式(1)所示：
Fxs＝0，Fys＝0，Mxs＝0，Mys＝0式(1)
其中Fxs为微型孔零件受到的X轴方向的力，Fys为微型孔零件受到的Y轴方向的力，Mxs为微型孔零件受到的X轴方向的力矩，Mys微型孔零件受到的Y轴方向的力矩，X-Y为微型孔零件中孔的横切面的二维坐标系。在如图1的硬件系统对应的实施例中，X-Y的二维坐标系为水平面的平面坐标系，此时，Fxs和Mxs为微型孔零件受到的X轴方向的水平力和力矩，Fys和Mys为微型孔零件受到的Y轴方向的水平力和力矩。
步骤S20，利用渐进式插入控制方法控制微型孔零件运动使微型轴零件插入微型孔零件。
按照预设的步长，分步控制微型孔零件在孔轴方向沿微型轴零件的轴方向的插入动作。
插入动作通过开关sw2控制，如式(2)所示：
其中，dz是微型孔零件的插入深度，Fzs为微型孔零件所受到的轴向力，和分别为dz和Fzs的最大值。
本发明实施例中，利用渐进式插入控制回路通过施加沿着ow1zw1的预设步长使得微型孔零件持续插入。
步骤S30，获取第一信息、第二信息；所述第一信息、所述第二信息分别为微型孔所受力、力矩。
微型孔零件受力和力矩情况由六自由度传感器采集并显示。图3为本实施例中微型零件装配过程中微型孔零件的受力情况波形图，其中，横坐标time代表装配时间，单位s(秒)，纵坐标Fxs、Fys、Fzs分别代表零件所受X轴、Y轴、Z轴方向的力，单位N(牛)。图中加点线段分别代表Fxs、Fys、Fzs的波形，attitude adjusting time代表位置调整的时刻，insertingtime代表插入时刻，threshhold代表设定的第一阈值。图4为本实施例中微型零件装配过程中微型孔零件的力矩情况波形图，其中，横坐标time代表装配时间，单位s(秒)，纵坐标Mxs、Mys、Mzs分别代表零件所受X轴、Y轴、Z轴方向的力矩，单位Nmm(牛毫米)。图中加点线段分别代表Mxs、Mys、Mzs的波形，attitude adjusting time代表位置调整的时刻，inserting time代表插入时刻，threshhold代表设定的第二阈值。图5为本实施例整个装配过程中微型轴零件的姿态调整控制量波形图，横坐标time代表装配时间，单位s(秒)，纵坐标Δuθx、Δuθy分别代表微型轴零件X轴方向和Y轴方向的姿态调整量。图中加点线段分别代表Δuθx、Δuθy的波形。图6为本实施例整个装配过程中微型孔零件的位置调整控制量波形图，横坐标time代表装配时间，单位s(秒)，纵坐标Δux、Δuy分别代表微型孔零件X轴方向和Y轴方向的位置调整量，Δuz代表微型孔零件Z轴方向的装配量。图中加点线段分别代表Δux、Δuy、Δuz的波形，attitude adjusting time代表位置调整的时刻，inserting time代表插入时刻。
步骤S40，基于所述第一信息、所述第二信息进行微型孔零件和/或微型轴零件的位置调整，并执行步骤S20，直至完成整微型孔零件和微型轴零件的装配。
其中，所述位置调整和姿态包括：
当所述第一信息大于预设的第一阈值时，通过主动约束状态控制方法调整微型孔的位置使所述第一信息小于等于所属第一阈值。
主动约束状态控制方法通过主动约束状态控制回路进行，如图3所示，主动约束状态控制回路包括旋转矩阵J1、PI控制器Ⅰ、三维直线运动平台、微力传感器和卡尔曼滤波器。
主动约束状态控制回路的输入是二维微力差e1，定义如式(3)所示：
e1＝[Fxs-Fxs*Fys-Fys*]T式(3)
其中Fxs*和Fys*是微型孔零件的期望受力；Fxs和Fys为微型孔零件受到的力。
旋转矩阵J1为运动平台坐标系ow1xw1yw1和力传感器坐标系osxsys之间的旋转关系矩阵。
PI控制器Ⅰ的输出量为三维直线运动平台的输入控制量[Δux(k),Δuy(k)]Τ，其定义如式(4)所示：
[Δux(k),Δuy(k)]Τ＝KP1J1(e1(k)-e1(k-1))+KI1J1e1(k)式(4)
其中，Δux(k)、Δuy(k)分别为PI控制器Ⅰ控制微型孔零件X轴方向和Y轴方向的位置调整量，X-Y为微型孔零件中孔的横切面的二维坐标系；KP1和KI1分别为比例和积分系数，e1(k)和e1(k-1)分别为时刻k和时刻k-1的力误差。
当所述第二信息大于预设的第二阈值时，通过主动柔顺控制方法调整微型轴零件的姿态使所述第二信息小于等于所属第二阈值。
主动柔顺控制方法通过主动柔顺控制回路进行，如图3所示，主动柔顺控制回路包括旋转矩阵J2，PI控制器Ⅱ，摆动运动平台，微力传感器和卡尔曼滤波器。
主动柔顺控制回路的输入是二维微力矩差e2，定义如式(5)所示：
e2＝[Mxs(k)-Mxs*Mys(k)-Mys*]T式(5)
Mxs*和Mys*是微型孔零件的期望所受力矩，Mxs和Mys微型孔零件受到的力矩。
旋转矩阵J2为运动平台坐标系ow2xw2yw2和力传感器坐标系osxsys之间的旋转关系矩阵。
PI控制器Ⅱ的输出量为摆动运动平台的输入控制量[Δuθx(k),Δuθy(k)]T，其定义如式(6)所示：
[Δuθx(k),Δuθy(k)]T＝KP2J2(e2(k)-e2(k-1))+KI2J2e2(k)
式(6)
其中，Δuθx(k)、Δuθy(k)分别为PI控制器Ⅱ控制微型轴零件X轴方向和Y轴方向的姿态调整量，X-Y为微型孔零件中孔的横切面的二维坐标系；Kp2和KI2分别为比例和积分系数，e2(k)和e2(k-1)分别为时刻k和时刻k-1的力矩误差。
为了避免由于调整微型轴零件和微型孔零件位置带来的两者间的受力剧烈增大，需要依据PI控制器II的输出量给出三维直线运动平台的控制补偿量[Δuxc(k),Δuyc(k)]T，并基于该补充量进行位置调整量补偿，如式(7)所示：
[Δuxc(k),Δuyc(k)]T＝KC[Δuθx(k),Δuθy(k)]T式(7)
其中，Δuxc(k)、Δuyc(k)分别为PI控制器Ⅰ控制微型孔零件X轴方向和Y轴方向的位置调整补偿量，X-Y为微型孔零件中孔的横切面的二维坐标系；KC为通过离线标定得到的补偿系数。
本发明实施例中，渐进式插入控制回路通过施加沿着ow1zw1的预设步长使得微型孔零件持续插入，直至17.6s的时候，微型孔零件和微型轴零件开始接触，受到接触力的作用产生了力矩。此时图3、图4显示Fxs和Fys小于第一阈值，微型孔零件和微型轴零件仍处于主动约束状态，而Mxs和Mys大于第二阈值，采用主动柔顺控制回路根据Mxs和Mys大小和方向调整轴孔间的位置。图5显示了整个装配过程中微型轴零件的姿态调整控制量，图6显示了整个装配过程中微型孔零件的位置调整控制量和微型孔零件的装配量。微型轴零件姿态调整的同时需要调整微型孔零件的位置以进行粗略补偿。控制量Δuxc和Δuyc为粗略补偿量，通过式(7)计算得到。经过微型孔零件位置的粗略调整以后，微型孔零件受的力和力矩Fxs，Fys，Mxs和Mys均处于阈值范围内，利用渐进式插入控制回路控制微型孔零件继续插入。
在19.2s的时候，图3、图4显示Fxs和Fys小于第一阈值，微型孔零件和微型轴零件仍处于主动约束状态，而Mxs和Mys大于第二阈值，采用主动柔顺控制回路根据Mxs和Mys大小和方向进一步调整轴孔间的位置。经过调整后，Fxs，Fys，Mxs和Mys均处于阈值范围内，利用渐进式插入控制回路控制微型孔零件继续插入。
在87.2s时刻，由于86.4s时刻的粗略补偿量并未完全消除由调整微型轴姿态位置引起的轴孔间的位置差，Fxs和Fys大于第一阈值，采用主动约束状态控制回路根据Fxs和Fys大小和方向调整轴孔间的位置，使零件处于主动约束状态。
通过图3的力变化曲线和图4的力矩变化曲线可以看出，控制回路能够快速将Fxs和Fys控制在第一阈值范围内，使零件处于主动约束状态。从t1至t5，装配过程中先后经过两次二维微力控制和二维微力矩控制，在保证Fxs、Fys小于等于第一阈值，Mxs、Mys小于等于第二阈值的情况下，在t5时刻进行了下一次的插入操作。整个装配过程中Fxs，Fys，Mxs和Mys都处于一个很低的水平，最大力及力矩分为为0.15N和3Nmm，力和力矩的控制精度分别达到0.05N和0.5Nmm。
本发明第二实施例的一种基于主动约束状态多维微力及力矩控制系统，包括初始状态调整模块、插入控制模块、信息获取模块、位姿调整模块；
所述初始状态调整模块，将微型轴零件和微型孔零件调整至主动约束状态；
所述插入控制模块，利用渐进式插入控制方法控制微型孔零件运动使微型轴零件插入微型孔零件；
所述信息获取模块，获取第一信息、第二信息；所述第一信息、所述第二信息分别为微型孔所受力、力矩；
所述位姿调整模块，基于所述第一信息进行微型孔零件的位置调整，所述第二信息进行微型轴零件的姿态调整；
其中，所述位姿调整模块包括位置调整模块、姿态调整模块：
所述位置调整模块，配置为当所述第一信息大于预设的第一阈值时，通过主动约束状态控制方法调整微型孔零件的位置使所述第一信息小于等于所述第一阈值；
所述姿态调整模块，配置为当所述第二信息大于预设的第二阈值时，通过主动柔顺控制方法调整微型轴零件的姿态使所述第二信息小于等于所述第二阈值。
需要说明的是，上述实施例提供的基于主动约束状态多维微力及力矩控制系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
本发明第三实施例的一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法。
本发明的第四实施例的一种处理装置，包括处理器、存储装置；所述处理器，适于执行各条程序；所述存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
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 (9)
1.一种基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法，其特征在于，包括：
步骤S10，将微型轴零件和微型孔零件调整至主动约束状态；
步骤S20，利用渐进式插入控制方法控制微型孔零件运动使微型轴零件插入微型孔零件；
步骤S30，获取第一信息、第二信息；所述第一信息、所述第二信息分别为微型孔零件所受力、力矩；
步骤S40，基于所述第一信息进行微型孔零件的位置调整，所述第二信息进行微型轴零件的姿态调整，并执行步骤S20，直至完成整微型孔零件和微型轴零件的装配；
其中，所述位置调整和姿态调整包括：
当所述第一信息大于预设的第一阈值时，通过主动约束状态控制方法调整微型孔零件的位置使所述第一信息小于等于所述第一阈值；
当所述第二信息大于预设的第二阈值时，通过主动柔顺控制方法调整微型轴零件的姿态使所述第二信息小于等于所述第二阈值。
2.根据权利要求1所述的一种基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法，其特征在于，步骤S10中微型轴零件和微型孔零件所处于的主动约束状态为：
Fxs＝0，Fys＝0，Mxs＝0，Mys＝0
其中，Fxs为微型孔零件受到的X轴方向的力，Fys为微型孔零件受到的Y轴方向的力，Mxs为微型孔零件受到的X轴方向的力矩，Mys微型孔零件受到的Y轴方向的力矩，X-Y为微型孔零件中孔的横切面的二维坐标系。
3.根据权利要求1所述的一种基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法，其特征在于，步骤S20中所述渐进式插入控制方法为：
按照预设的步长，分步控制微型孔零件在孔轴方向沿微型轴零件的轴方向的插入动作；
插入动作通过开关sw2控制：
其中，dz是微型孔零件的插入深度，Fzs为微型孔零件所受到的轴向力，和分别为dz和Fzs的最大值。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法，其特征在于，所述主动约束状态控制方法通过主动约束状态控制回路进行，所述主动约束状态控制回路包括旋转矩阵J1、PI控制器Ⅰ、三维直线运动平台、微力传感器和卡尔曼滤波器；
所述主动约束状态控制回路的输入是二维微力差e1：
e1＝[Fxs-Fxs*Fys-Fys*]T
其中，Fxs*和Fys*是微型孔零件中孔横切面方向的期望受力；Fxs和Fys为微型孔零件受到的力；
所述旋转矩阵J1为运动平台坐标系和力传感器坐标系之间的旋转关系矩阵；
所述PI控制器Ⅰ的输出量为三维直线运动平台的输入控制量[Δux(k),Δuy(k)]Τ：
[Δux(k),Δuy(k)]Τ＝KP1J1(e1(k)-e1(k-1))+KI1J1e1(k)
其中，Δux(k)、Δuy(k)分别为PI控制器Ⅰ控制微型孔零件X轴方向和Y轴方向的位置调整量，X-Y为微型孔零件中孔的横切面的二维坐标系；KP1和KI1分别为比例和积分系数；e1(k)和e1(k-1)分别为时刻k和时刻k-1的力误差。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法，其特征在于，所述主动柔顺控制方法通过主动柔顺控制回路进行；所述主动柔顺控制回路包括旋转矩阵J2、PI控制器Ⅱ、摆动运动平台、微力传感器和卡尔曼滤波器；
所述主动柔顺控制回路的输入是二维微力矩差e2：
e2＝[Mxs(k)-Mxs*Mys(k)-Mys*]T
其中，Mxs*和Mys*是微型孔零件的期望所受力矩，Mxs和Mys微型孔零件受到的力矩；
所述旋转矩阵J2为运动平台坐标系和力传感器坐标系之间的旋转关系矩阵；
所述PI控制器Ⅱ的输出量为摆动运动平台的输入控制量[Δuθx(k),Δuθy(k)]T：
[Δuθx(k),Δuθy(k)]T＝KP2J2(e2(k)-e2(k-1))+KI2J2e2(k)
其中，Δuθx(k)、Δuθy(k)分别为PI控制器Ⅱ控制微型轴零件X轴方向和Y轴方向的姿态调整量，X-Y为微型孔零件中孔的横切面的二维坐标系；Kp2和KI2分别为比例和积分系数，e2(k)和e2(k-1)分别为时刻k和时刻k-1的力矩误差。
6.根据权利要求5所述的一种基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法，其特征在于，所述主动柔顺控制方法还包括空置量补偿方法：
依据PI控制器II的输出量计算三维直线运动平台的控制补偿量[Δuxc(k),Δuyc(k)]T，并基于该补充量进行位置调整量补偿：
[Δuxc(k),Δuyc(k)]T＝KC[Δuθx(k),Δuθy(k)]T
其中，Δuxc(k)、Δuyc(k)分别为PI控制器Ⅰ控制微型孔零件X轴方向和Y轴方向的位置调整补偿量，X-Y为微型孔零件中孔的横切面的二维坐标系；KC为通过离线标定得到的补偿系数。
7.一种基于主动约束状态多维微力及力矩控制系统，其特征在于，包括初始状态调整模块、插入控制模块、信息获取模块、位姿调整模块；
所述初始状态调整模块，将微型轴零件和微型孔零件调整至主动约束状态；
所述插入控制模块，利用渐进式插入控制方法控制微型孔零件运动使微型轴零件插入微型孔零件；
所述信息获取模块，获取第一信息、第二信息；所述第一信息、所述第二信息分别为微型孔零件和微型轴零件间的力、力矩；
所述位姿调整模块，基于所述第一信息进行微型孔零件的位置调整，基于所述第二信息进行微型轴零件的姿态调整；
其中，所述位姿调整模块包括位置调整模块、姿态调整模块：
所述位置调整模块，配置为当所述第一信息大于预设的第一阈值时，通过主动约束状态控制方法调整微型孔零件的位置使所述第一信息小于等于所述第一阈值；
所述姿态调整模块，配置为当所述第二信息大于预设的第二阈值时，通过主动柔顺控制方法调整微型轴零件的姿态使所述第二信息小于等于所述第二阈值。
8.一种存储装置，其中存储有多条程序，其特征在于，所述程序适于由处理器加载并执行以实现权利要求1-6任一项所述的基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法。
9.一种处理装置，包括
处理器，适于执行各条程序；以及
存储装置，适于存储多条程序；
其特征在于，所述程序适于由处理器加载并执行以实现：
权利要求1-6任一项所述的基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法。
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