CN110695999B - 一种基于触觉与听觉的机械臂柔性装配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于触觉与听觉的机械臂柔性装配方法，它解决了现有技术中控制参数较为单一、难以实现精密产品的高质量的装配需求的问题，其综合机械臂的触觉信息和听觉信息可以实现更精确、更高质量的柔性装配过程。其技术方案为：包括以下步骤：进行标准制定实验，得到接触力矩阵、位置矩阵、响度向量、锐度向量四个参量，以及各参量的允许误差矩阵和向量；根据接触力矩阵、位置矩阵计算其二阶阻抗控制模型的最佳控制参数矩阵；在装配过程中实时监测四个参量的数值是否满足允许的误差范围以及接触力与位置参量是否满足其阻抗控制模型，并反馈至控制中心进行实时调整。

Description

一种基于触觉与听觉的机械臂柔性装配方法
技术领域
本发明涉及装配技术领域，尤其涉及一种基于触觉与听觉的机械臂柔性装配方法。
背景技术
当前，机械装配已逐步代替人工装配。然而，机械装配过程中机械臂与环境之间的接触力尤为重要，过大可能会导致零部件破损，过小则可能导致装配产品质量不合格。同时，机械臂与环境之间的相对位置也很关键，将直接影响装配产品的质量。
已有许多专家提出通过控制机械臂与环境之间的接触力或位置(触觉)来操作机械臂进行柔性装配，使得机械臂能够像人一样根据接触环境灵活调整作用力与位姿，与作用对象保持弹性接触，从而提高装配合格率。发明人发现，仅依靠机械臂的触觉信息来进行柔性装配的方法使用的控制参数较为单一，难以实现精密产品的高质量的装配需求。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于触觉与听觉的机械臂柔性装配方法，其综合机械臂的触觉信息和听觉信息可以实现更精确、更高质量的柔性装配过程。
本发明采用下述技术方案：
一种基于触觉与听觉的机械臂柔性装配方法，包括以下步骤：
进行标准制定实验，得到接触力矩阵、位置矩阵、响度向量、锐度向量四个参量，以及各参量的允许误差矩阵和向量；
根据接触力矩阵、位置矩阵计算其二阶阻抗控制模型的最佳控制参数矩阵；
在装配过程中实时监测四个参量的数值是否满足允许的误差范围以及接触力与位置参量是否满足其阻抗控制模型，并反馈至控制中心进行实时调整。
进一步的，在机械臂上安装力传感器、垂直陀螺仪和声音传感器，并进行多次机械臂装配实验，选取装配成功的n次实验，其中，n大于100。
进一步的，装配成功的每次实验中，由力传感器和垂直陀螺仪采集的数据得到接触力矩阵、位置矩阵，由声音传感器采集的数据得到响度向量与锐度向量。
进一步的，分别将n次实验的接触力矩阵和位置矩阵代入机械臂的二阶阻抗控制模型：
Figure BDA0002279392470000021
Figure BDA0002279392470000022
其中，Md表示目标惯性矩阵，Cd表示阻尼矩阵，Kd表示刚度矩阵，Fe表示接触力矩阵，Xe表示位置矩阵，Xd表示理想位置；取n次实验中位置矩阵的均值。
进一步的，基于Md、Cd、Kd参量的基本初值Md0、Cd0、Kd0进行经验调节，然后对n次实验中调节后的Md0、Cd0、Kd0分别取均值，得到机械臂的二阶阻抗控制模型的最佳参数矩阵Md、Cd、Kd，最佳模型为标准二阶阻抗控制模型M(Md，Cd，Kd)。
进一步的，对n次实验中的接触力矩阵和位置矩阵分别取均值，得到标准接触力矩阵F、标准位置矩阵X；对n次实验中的响度向量与锐度向量分别取均值，得到标准响度向量N、标准锐度向量S。
进一步的，进入装配过程首先判断是否装配完毕，若没有装配完毕，则实时读取触觉数据与听觉数据，得到相应的触觉信息f、x，并得到相应听觉信息n、s；然后将f、x、n、s反馈至控制中心进入下一步；若装配完毕则此次装配过程结束。
进一步的，判断f、x、n、s是否满足其误差允许范围F1、X1、N1、S1以及f、x是否满足控制模型M(Md，Cd，Kd)；若满足误差允许范围及控制模型，则继续装配操作；若满足误差允许范围，不满足控制模型，则依次逐量调节f、x。
进一步的，若存在至少一个参量不满足其误差允许范围，则说明装配异常，控制中心触发报警装置并立即中止装配操作。
进一步的，所述力传感器为六维力传感器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明综合机械臂的触觉信息和听觉信息，能够实现更精确、更高质量的柔性装配过程；
(2)本发明以接触力矩阵、位置矩阵、响度向量、锐度向量作为控制参量，多个参数能够实现精密产品的高质量的装配需求；
(3)本发明在装配操作异常时能够报警，从而避免一些不必要的后续装配操作，提高装配效率与质量。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明实施例一的流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
术语解释部分：本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在控制参数较为单一、难以实现精密产品的高质量的装配需求的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种基于触觉与听觉的机械臂柔性装配方法。
实施例一：
下面结合附图1对本发明进行详细说明，具体的，结构如下：
本实施例提供了一种基于触觉与听觉的机械臂柔性装配方法，其中，触觉信息指机械臂的接触力、相对接触位置，由机械臂上安装的六维力传感器、垂直陀螺仪测得。听觉信息指机械臂作用于接触环境所产生的声音的响度与锐度，由机械臂上安装的声音传感器测得。
接触声音对于装配质量的好坏也起到关键作用，当发生误装配情况时，接触声音往往瞬间变化剧烈，而正常装配时，接触声音维持在标准范围内。因此，综合机械臂的触觉信息和听觉信息可以实现更精确、更高质量的柔性装配过程。
首先进行标准制定实验，得到接触力矩阵、位置矩阵、响度向量、锐度向量以及相应的允许误差矩阵和向量，并根据接触力矩阵、位置矩阵计算其二阶阻抗控制模型的最佳控制参数矩阵。然后在实际装配过程中实时监测上述四个参量的各自的数值是否满足允许的误差范围以及接触力与位置参量是否满足其阻抗控制模型，并反馈至控制中心进行实时调整以达到最优的控制输入与输出。
当存在参量超出允许误差范围时，表示装配操作异常，立即触发报警装置，控制中心发出立即停止操作指令，以通知相关人员进行检查，从而避免一些不必要的后续装配操作，提高装配效率与质量。
在本实施例中，控制中心、报警装置均为现有技术，此处不再赘述。
具体的，包括以下步骤：
步骤一：针对特定产品进行标准参量制定实验。
(1)在机械臂上安装六维力传感器、垂直陀螺仪和声音传感器，在正常工作环境下进行多次机械臂装配实验，选取装配成功的n次实验，其中，n大于100。装配成功的每次实验中由六维力传感器和垂直陀螺仪采集的数据整理得到接触力矩阵、位置矩阵，由声音传感器采集的数据根据式(1)、(2)得到响度向量与锐度向量。
N＝2(L-40)/10 (1)
Figure BDA0002279392470000051
其中，L为声音传感器测得的声音响度级别的分贝值，N为响度，S为锐度，
Figure BDA0002279392470000052
为E.Zwicker响度模型中的响度密度函数，g(z)为权重函数。
Figure BDA0002279392470000061
z为临界频带，C为常数。
(2)分别将n次实验的接触力矩阵和位置矩阵带入机械臂的二阶阻抗控制模型，即：
Figure BDA0002279392470000062
Figure BDA0002279392470000063
其中，Md表示目标惯性矩阵，Cd表示阻尼矩阵，Kd表示刚度矩阵，Fe表示接触力矩阵，Xe表示位置矩阵，Xd表示理想位置，取n次实验中位置矩阵的均值。
基于Md、Cd、Kd参量的基本初值Md0、Cd0、Kd0进行经验调节以满足式(3)。然后对n次实验中调节后的Md0、Cd0、Kd0分别取均值得到机械臂的二阶阻抗控制模型的最佳参数矩阵Md、Cd、Kd。记上述参数最佳的模型为标准二阶阻抗控制模型M(Md，Cd，Kd)。
对n次实验中的接触力矩阵和位置矩阵分别取均值，得到标准接触力矩阵F、标准位置矩阵X。对n次实验中的响度向量与锐度向量分别取均值，得到标准响度向量N、标准锐度向量S。
(3)根据实际装配情况取允许装配误差参量ΔF＝(0～0.1)F、ΔX＝(0～0.05)X、ΔN＝(0～0.1)N、ΔS＝(0～0.1)S，则装配参量允许范围分别为：
接触力范围F1＝[F-ΔF，F+ΔF]、位置范围X1＝[X-ΔX，X+ΔX]、响度范围N1＝[N-ΔN，N+ΔN]、锐度范围S1＝[S-ΔS，S+ΔS]。
步骤二：进入实际装配过程，首先判断是否装配完毕，若没有装配完毕，则实时读取各传感器采集的触觉数据与听觉数据，得到相应的触觉信息f、x，并根据式(1)、(2)得到相应听觉信息n、s。然后将f、x、n、s反馈至控制中心进入步骤三；若装配完毕则此次装配过程结束。
步骤三：判断f、x、n、s是否满足各自的允许范围F1、X1、N1、S1以及f、x是否满足控制模型M(Md，Cd，Kd)。
若均满足各自的允许范围且在误差允许范围内满足控制模型M(Md，Cd，Kd)，则控制中心发出继续装配操作的指令并返回步骤二；若参量均满足各自的允许范围但在误差允许范围内无法满足控制模型M(Md，Cd，Kd)，则进入步骤四。若存在至少一个参量不满足其允许范围，则说明装配异常，控制系统触发报警装置并立即中止装配操作，同时通知相关人员进行检查并进入步骤五。
步骤四：依次逐量(0.1*最大可调量)调节f、x，并返回步骤三。
步骤五：经检查调整后，操作人员标记是否可继续进行装配操作。若可继续进行，则控制中心继续发出装配操作指令，返回步骤二；若不可继续进行，则停止此次装配操作，标记装配失败。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于触觉与听觉的机械臂柔性装配方法，其特征在于，包括以下步骤：
进行标准制定实验，得到接触力矩阵、位置矩阵、响度向量、锐度向量四个参量，以及各参量的允许误差矩阵和向量；
根据接触力矩阵、位置矩阵计算其二阶阻抗控制模型的最佳控制参数矩阵；
在装配过程中实时监测四个参量的数值是否满足允许的误差范围以及接触力与位置参量是否满足其阻抗控制模型，并反馈至控制中心进行实时调整。
2.根据权利要求1所述的一种基于触觉与听觉的机械臂柔性装配方法，其特征在于，在机械臂上安装力传感器、垂直陀螺仪和声音传感器，并进行多次机械臂装配实验，选取装配成功的n次实验，其中，n大于100。
3.根据权利要求2所述的一种基于触觉与听觉的机械臂柔性装配方法，其特征在于，装配成功的每次实验中，由力传感器和垂直陀螺仪采集的数据得到接触力矩阵、位置矩阵，由声音传感器采集的数据得到响度向量与锐度向量。
4.根据权利要求2所述的一种基于触觉与听觉的机械臂柔性装配方法，其特征在于，分别将n次实验的接触力矩阵和位置矩阵代入机械臂的二阶阻抗控制模型：
Figure FDA0002676848860000011
Figure FDA0002676848860000012
其中，Md表示目标惯性矩阵，Cd表示阻尼矩阵，Kd表示刚度矩阵，Fe表示接触力矩阵，Xe表示位置矩阵，Xd表示理想位置；取n次实验中位置矩阵的均值。
5.根据权利要求4所述的一种基于触觉与听觉的机械臂柔性装配方法，其特征在于，基于Md、Cd、Kd参量的基本初值Md0、Cd0、Kd0进行经验调节，然后对n次实验中调节后的Md0、Cd0、Kd0分别取均值，得到机械臂的二阶阻抗控制模型的最佳参数矩阵Md、Cd、Kd，最佳模型为标准二阶阻抗控制模型M(Md，Cd，Kd)。
6.根据权利要求5所述的一种基于触觉与听觉的机械臂柔性装配方法，其特征在于，对n次实验中的接触力矩阵和位置矩阵分别取均值，得到标准接触力矩阵F、标准位置矩阵X；对n次实验中的响度向量与锐度向量分别取均值，得到标准响度向量N、标准锐度向量S。
7.根据权利要求5所述的一种基于触觉与听觉的机械臂柔性装配方法，其特征在于，进入装配过程首先判断是否装配完毕，若没有装配完毕，则实时读取触觉数据与听觉数据，得到相应的触觉信息f、x，并得到相应听觉信息n、s；然后将f、x、n、s反馈至控制中心进入下一步；若装配完毕则此次装配过程结束。
8.根据权利要求7所述的一种基于触觉与听觉的机械臂柔性装配方法，其特征在于，判断f、x、n、s是否满足其误差允许范围F1、X1、N1、S1以及f、x是否满足控制模型M(Md，Cd，Kd)；若满足误差允许范围及控制模型，则继续装配操作；若满足误差允许范围，不满足控制模型，则依次逐量调节f、x。
9.根据权利要求8所述的一种基于触觉与听觉的机械臂柔性装配方法，其特征在于，若存在至少一个参量不满足其误差允许范围，则说明装配异常，控制中心触发报警装置并立即中止装配操作。
10.根据权利要求2所述的一种基于触觉与听觉的机械臂柔性装配方法，其特征在于，所述力传感器为六维力传感器。
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