CN110450143B - 基于协作机器人的工件疲劳测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于协作机器人的工件疲劳测试方法，包括：搭建疲劳测试平台；将第一工件固定在协作机器人的末端执行器上，计算出末端执行器和第一工件的重力和惯性矩阵；将末端执行器和第一工件的质量和惯量矩阵补偿至机器人控制器；由协作机器人夹持第一工件，通过拖动示教方式将第一工件的轴与第二工件的孔对齐；获取测试时的协作机器人的运行轨迹；将协作机器人的控制方式调整为力位混合控制，根据得到的运行轨迹计算出下一时刻的期望位姿，并进一步计算出期望力矩；协作机器人夹持第一工件重复做疲劳测试实验，通过实时通信接口实时采集各关节的受力力矩。本发明从控制角度上看实现了主动柔顺，避免了繁琐的专机结构设计，具有通用性。

Description

基于协作机器人的工件疲劳测试方法

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，特别涉及一种基于协作机器人的工件疲劳测试方法。

背景技术

在汽车制造和装配领域，大量零部件加工装配完成后需要对其疲劳强度进行测试。例如汽车头枕调节测试，座椅调节测试等等。这种测试需要保证工件测试时受力处于一个合理范围内，目前大都采用专机的方式进行测试，专机给测试工件添加一个运动的同时检测工件的受力，多次往复运动来测试其疲劳性，目的是模仿人手调节的过程。

人手是柔性的，而专机往往是刚性的，专机刚性过大带来的问题是：由于工件一致性和加工精度等问题，工件在运动时受到的阻力是不一样的，然而专机的运动轨迹都是一样的，会造成工件误差较大时发生卡死的情况，导致测试失败甚至会损坏工件或者工具。人手的优势在于可以感知力的变化，根据力的大小来改变调节轨迹，从而保持测试过程中工件受力处于一个合理的范围。实际生产中依靠人工来进行疲劳性测试是不现实的。

为此，现有的解决方法是在专机上加上浮动装置，使得专机具有一定柔性，这种柔性是依靠机械机构来保证的，例如利用气缸的弹性等，这种柔性也称为被动柔性，是不可控的，因此其应用具有一定柔性。另外一种柔性称为主动柔性，是从控制的角度来说，根据外部环境变化主动地调节装置刚度，实现起来比较复杂。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于协作机器人的工件疲劳测试方法。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种基于协作机器人的工件疲劳测试方法，包括如下步骤：

步骤S1，搭建疲劳测试平台，所述疲劳测试平台包括：协作机器人本体、机器人控制器、上位机、末端执行器、第一工件和第二工件，其中，由协作机器人本体的关节内部的力矩传感器采集关节力矩信息；所述上位机与所述协作机器人控制器连接，以采集协作机器人的状态信息，并发送机器人状态控制指令至所述机器人控制器，以由所述机器人控制器对所述协作机器人进行控制；

步骤S2，将所述第一工件固定在所述协作机器人的末端执行器上，计算出末端执行器和第一工件的重力和惯性矩阵；

步骤S3，将所述末端执行器和第一工件的重力和惯性矩阵补偿至所述机器人控制器；

步骤S4，由所述协作机器人夹持所述第一工件，通过拖动示教方式将第一工件的轴与第二工件的孔对齐；

步骤S5，获取测试时的协作机器人的运行轨迹；

步骤S6，将协作机器人的控制方式调整为力位混合控制，根据得到的运行轨迹计算出下一时刻的期望位姿，并进一步计算出期望力矩；

步骤S7，所述协作机器人夹持所述第一工件重复做疲劳测试实验，通过实时通信接口实时采集各关节的受力力矩。

进一步，在所述步骤S2中，通过末端执行器和第一工件的CAD三维模型，计算出末端执行器和第一工件的重力和惯性矩阵。

进一步，在所述步骤S4中，所述协作机器人将第一工件的轴与第二工件的孔对齐，第二工件水平放置，第一工件在测试时的运动方向是基坐标系中的Z方向，记录下此刻机器人的位姿T₁ 。

进一步，在所述步骤S5中，由人手拖动示教得到协作机器人的运行轨迹。

进一步，在所述步骤S5中，采用以下规划方法得到协作机器人的运行轨迹：

所述协作机器人加减速采用T型加减速，假设加速度为a_max，加减速时间为t_a，最大线速度为v_max，测试一次的时间为2T，包括下降阶段和上升阶段；下降和上升的速度和位移是对称的，循环测试一次过程中下降阶段的位移为：

故下降过程中的期望位姿可以表示成：

下降完成后记录下此刻机器人的位姿为T2，那么上升阶段的期望位姿可以表示成：

。

进一步，在所述步骤S6中，通过实时通信接口可以实时采集机器人当前位姿T_当前、关节角度q、关节角速度dq和机器人的雅克比矩阵J，根据轨迹规划计算出下一时刻的期望位姿T_期望，位姿用一个六维向量

来表示，故位姿差可以表示为：

，

设置机器人笛卡尔空间的刚度矩阵为：

；

设置机器人笛卡尔空间内的阻尼矩阵为：

；

由阻抗方程计算出期望力矩：

当

时可以将机器人看做是刚性的。

进一步，在所述步骤S6中，重复做疲劳测试实验，通过实时通信接口实时采集各关节力矩

，末端受力为

，两者的关系可以表示为：

，

其中，τ_重为机器人的重力矩，τ_负载为末端执行器和第一工件负载的等效关节力矩，通过公式

，实时计算出第一工件的受力，判断是否在合理范围内，若整个测试过程都在合理范围内，则判断工件疲劳强度是合格的。

根据本发明实施例的基于协作机器人的工件疲劳测试方法，利用协作机器人代替传统机器人或者专机来进行测试，避免了繁琐的钻机结构设计，具有通用性。充分利用协作机器人关节内部集成力矩传感器的特点，从控制上实现了主动柔顺控制。采用协作机器人关节内部的力矩传感器，实时采集各关节力矩传感器的值，进一步计算出末端笛卡尔空间的力和力矩。控制方式采用笛卡尔空间的阻抗控制，使得机器人在空间内六个自由度方向上都具有一定柔性，能够使工件顺应约束运动，不至于卡死，导致测试失败，通过利用协作机器人的碰撞检测功能，给笛卡尔空间上各方向受力设定一个阈值，超过阈值时则视为发生碰撞，机器人立即停止。

本发明解决了由于工件精度和一致性差造成测试过程中卡死或受力过大等问题，通过笛卡尔空间的阻抗控制，使得机器人和人手臂一样具有柔性，从控制角度上看实现了主动柔顺，相对于被动柔顺，其鲁棒性更好，柔顺效果更好，非常适合需要根据力来改变位置的应用场合。另外，其避免了繁琐的专机结构设计，具有通用性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的基于协作机器人的工件疲劳测试方法的流程图；

图2为根据本发明实施例的基于协作机器人的工件疲劳测试方法的疲劳测试平台示意图；

图3为根据本发明实施例的机器人控制框架示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

传统工业机器人进行装配具有重复定位精度高，效率高，运动范围大，刚度大的特点，强调快速准确。而协作机器人强调柔性和人机协作，具有安全，轻巧，灵敏等特点。协作机器人关节内部往往设置有力矩传感器，所以对力的感知更加灵敏，在测试工件与外界有力的交互的时候，协作机器人能充分发挥其优势。基于此，本发明提出一种基于协作机器人的工件疲劳测试方法。

如图1所示，本发明实施例的基于协作机器人的工件疲劳测试方法，包括如下步骤：

步骤S1，基于协作机器人搭建疲劳测试平台。如图2所示，疲劳测试平台包括：协作机器人本体1，机器人控制器5，上位机6，末端执行器3、第一工件（测试工件）2和第二工件（测试孔）4等。其中，由协作机器人本体的关节内部的力矩传感器采集关节力矩信息，可以实现灵敏的拖动示教和碰撞检测等功能。上位机与协作机器人控制器连接，以采集协作机器人的状态信息，并发送机器人状态控制指令至机器人控制器，以由机器人控制器对协作机器人进行控制。具体的，上位机与机器人控制器之间采用实时通信接口进行数据交换。上位机通过接口可以采集机器人姿态、速度、转矩等状态信息，同样可以发送位姿、速度和转矩给机器人控制器。

步骤S2，将第一工件固定在协作机器人的末端执行器上，通过末端执行器和第一工件的CAD三维模型，计算出末端执行器和第一工件的重力和惯性矩阵。

步骤S3，将末端执行器和第一工件的重力和惯性矩阵补偿至机器人控制器。

具体的，实验测试中第一工件在笛卡尔空间受力是通过关节力矩计算出来的，末端执行器和第一工件本身的质量会影响计算结果，所以需要末端执行器和第一工件的质量G和质心位置P惯性矩阵I补偿给机器人控制器，以便求得更加精确的结果，也是为了实现更加精确的力控制。如果补偿结果不准确，则会造成重力矩补偿不准确，拖动示教有偏差，运动轨迹精度下降。

步骤S4，由协作机器人夹持第一工件，通过拖动示教方式将第一工件的轴与第二工件的孔对齐。第二工件水平放置，第一工件在测试时的运动方向是基坐标系中的Z方向，记录下此刻机器人的位姿T₁ 。

步骤S5，获取测试时的协作机器人的运行轨迹。

在本步骤中，测试时机器人的运行轨迹由人手拖动示教得到，或者对轨迹进行规划。

下面对采用规划方法获得运行轨迹的过程进行说明：

本发明中的测试轨迹是沿基坐标系Z方向的直线运动。机器人加减速采用T型加减速，假设加速度为a_max，加减速时间为t_a，最大线速度为v_max，测试一次的时间为2T，包括下降阶段和上升阶段；下降和上升的速度和位移是对称的，循环测试一次过程中下降阶段的位移为：

故下降过程中的期望位姿可以表示成：

下降完成后记录下此刻机器人的位姿为T2，那么上升阶段的期望位姿可以表示成：

。

步骤S6，将协作机器人的控制方式调整为力位混合控制，根据得到的运行轨迹计算出下一时刻的期望位姿，并进一步计算出期望力矩。

在本步骤中，将机器人的控制模式改成笛卡尔空间的阻抗控制。如图3所示，进行位置控制时，根据期望位姿X_d，由阻抗控制关系，求得对应的期望电压u，再通过力矩控制输出期望力矩τ_a给机器人，机器人根据期望力矩产生相应的运动，同时作用于外部环境；力的作用时相互的，外部环境同时给机器人一个外部力矩τ_ext，通过力矩控制会产生对应的关节速度

，经过运动学和动力学的计算得到相应的笛卡尔空间的位移。通过实时通信接口可以实时采集机器人当前位姿T_当前、关节角度q、关节角速度dq和机器人的雅克比矩阵J，根据轨迹规划可以计算出下一时刻的期望位姿T_期望，位姿又可以用一个六维向量

来表示，故位姿差可以表示为：

。

设置机器人笛卡尔空间的刚度矩阵为：

；

设置机器人笛卡尔空间内的阻尼矩阵为：

；

可以由阻抗方程计算出期望力矩：

当

时可以将机器人看做是刚性的，其笛卡尔空间各方向上的刚度非常大。

测试中应当将Z方向上的刚度设置较大，X,Y方向方向上的刚度设置较小，X,Y,Z三个方向上的扭转刚度应该也设置较小。这是因为由于工件一致性和精度的问题，第一工件在向下插入第二工件或者第一工件从第二工件中抽出的过程中，很有可能因为位置偏差较大而出现锁死的情况，从附图3中的控制框架可以看出，将XY方向上的阻抗设置较小，意味着第一工件越容易受到外界阻力而改变其在XY方向上的位置，即机器人有了一定柔性，能够自动根据力来主动改变位置，从而实现主动柔顺，避免出现卡死等状况。

步骤S7，协作机器人夹持第一工件重复做疲劳测试实验，通过实时通信接口实时采集各关节的受力力矩。

具体的，通过实时通信接口实时采集各关节力矩

，末端受力为

，两者的关系可以表示为：

。

其中，τ_重为机器人的重力矩，τ_负载为末端执行器和第一工件负载的等效关节力矩，通过公式

，实时计算出第一工件的受力，从而判断是否在合理范围内，若整个测试过程都在合理范围内，则判断工件疲劳强度是合格的。

根据本发明实施例的基于协作机器人的工件疲劳测试方法，利用协作机器人代替传统机器人或者专机来进行测试，避免了繁琐的钻机结构设计，具有通用性。充分利用协作机器人关节内部集成力矩传感器的特点，从控制上实现了主动柔顺控制。采用协作机器人关节内部的力矩传感器，实时采集各关节力矩传感器的值，进一步计算出末端笛卡尔空间的力和力矩。控制方式采用笛卡尔空间的阻抗控制，使得机器人在空间内六个自由度方向上都具有一定柔性，能够使工件顺应约束运动，不至于卡死，导致测试失败，通过利用协作机器人的碰撞检测功能，给笛卡尔空间上各方向受力设定一个阈值，超过阈值时则视为发生碰撞，机器人立即停止。

本发明解决了由于工件精度和一致性差造成测试过程中卡死或受力过大等问题，通过笛卡尔空间的阻抗控制，使得机器人和人手臂一样具有柔性，从控制角度上看实现了主动柔顺，相对于被动柔顺，其鲁棒性更好，柔顺效果更好，非常适合需要根据力来改变位置的应用场合。另外，其避免了繁琐的专机结构设计，具有通用性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (6)

1.一种基于协作机器人的工件疲劳测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，搭建疲劳测试平台，所述疲劳测试平台包括：协作机器人本体、机器人控制器、上位机、末端执行器、第一工件和第二工件，其中，由协作机器人本体的关节内部的力矩传感器采集关节力矩信息；所述上位机与所述协作机器人控制器连接，以采集协作机器人的状态信息，并发送机器人状态控制指令至所述机器人控制器，以由所述机器人控制器对所述协作机器人进行控制；

步骤S2，将所述第一工件固定在所述协作机器人的末端执行器上，计算出末端执行器和第一工件的重力和惯性矩阵；

步骤S3，将所述末端执行器和第一工件的重力和惯性矩阵补偿至所述机器人控制器；

步骤S4，由所述协作机器人夹持所述第一工件，通过拖动示教方式将第一工件的轴与第二工件的孔对齐；

步骤S5，获取测试时的协作机器人的运行轨迹；

采用以下规划方法得到协作机器人的运行轨迹：

所述协作机器人加减速采用T型加减速，假设加速度为a_max，加减速时间为t_a，最大线速度为v_max，测试一次的时间为2T，包括下降阶段和上升阶段；下降和上升的速度和位移是对称的，循环测试一次过程中下降阶段的位移为：

故下降过程中的期望位姿可以表示成：

下降完成后记录下此刻机器人的位姿为T₂，那么上升阶段的期望位姿可以表示成：

；

其中，∆z为测试一次过程中下降阶段的位移；

步骤S6，将协作机器人的控制方式调整为力位混合控制，根据得到的运行轨迹计算出下一时刻的期望位姿，并进一步计算出期望力矩；

步骤S7，所述协作机器人夹持所述第一工件重复做疲劳测试实验，通过实时通信接口实时采集各关节的受力力矩。

2.如权利要求1所述的基于协作机器人的工件疲劳测试方法，其特征在于，在所述步骤S2中，通过末端执行器和第一工件的CAD三维模型，计算出末端执行器和第一工件的重力和惯性矩阵。

3.如权利要求1所述的基于协作机器人的工件疲劳测试方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述协作机器人将第一工件的轴与第二工件的孔对齐，第二工件水平放置，第一工件在测试时的运动方向是基坐标系中的Z方向，记录下此刻机器人的位姿T₁ 。

4.如权利要求1所述的基于协作机器人的工件疲劳测试方法，其特征在于，在所述步骤S5中，由人手拖动示教得到协作机器人的运行轨迹。

5.如权利要求1所述的基于协作机器人的工件疲劳测试方法，其特征在于，在所述步骤S6中，通过实时通信接口可以实时采集机器人当前位姿T_当前、关节角度q、关节角速度dq和机器人的雅克比矩阵J，根据轨迹规划计算出下一时刻的期望位姿T_期望，位姿用一个六维向量

来表示，故位姿差可以表示为：

，

设置机器人笛卡尔空间的刚度矩阵为：

；

设置机器人笛卡尔空间内的阻尼矩阵为：

；

由阻抗方程计算出期望力矩：

当

时可以将机器人看做是刚性的；

其中，Q_期望表示下一时刻的期望位姿T_期望的六维向量表示，Q_当前表示机器人当前位姿T_当前的六维向量表示，B_d表示机器人笛卡尔空间的刚度矩阵，

是科氏力。

6.如权利要求1所述的基于协作机器人的工件疲劳测试方法，其特征在于，在所述步骤S7中，重复做疲劳测试实验，通过实时通信接口实时采集各关节力矩

，末端受力为

，

是机器人末端x,y,z三个方向的受力，

分别是机器人末端x,y,z三个方向的扭矩，两者的关系可以表示为：

，

其中，τ_重为机器人的重力矩，τ_负载为末端执行器和第一工件负载的等效关节力矩，通过公式

，实时计算出第一工件的受力，判断是否在合理范围内，若整个测试过程都在合理范围内，则判断工件疲劳强度是合格的；

表示机器人在六自由度方向上的关节力矩。

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