CN111531530A - 一种基于六维力感知的低应力装调系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于六维力感知的低应力装调系统及方法，通过提前计算装配轨迹，利用六维力感知时时反馈装配体装配轨迹动态并校准路径，达到以六维力感知进行装配体拼接、扩展、到位锁定的目的，能够自主调整装配体轨迹姿态，完成装配作业，解决了传统装配技术中依靠标定路径或人为判定容易出现的装配精度较低、难以完整装配到位的问题，结构稳定，装配精度更高。

Description

一种基于六维力感知的低应力装调系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于六维力感知的低应力装调系统及方法，属于装备及通 用机械领域。

背景技术

基于六维力感知装调工艺具备超低应力、较高测量精度和超快的响应时间， 适用于航空、航天、交通、船舶、国防等领域大型装配体拼接、扩展、到位的 工艺方法，本发明特别适用于航天器空间在轨自主交会对接作业，在此工艺实 施全流程中，可控制装配全过程中最低装配应力，避免装配体发生摩擦、挤压、 碰撞等应力过大引起的装配事故发生。本工艺方法使用的机械臂是KR 150R3100prime型工业机械臂，具有路径规划可自主作业，手持器人工操控作 业两种模式。使用ATI Mini58 SI-2800-120型号六维力传感器，该传感器灵敏 度高、耦合误差低、单向线性好、响应时间短，对空间装配体运动位置感知模 拟，时时测量位置、反馈操控终端，操控终端数据处理、矫正轨迹、发送指令、 从而时时矫正装配路径，避免在装配全流程中过应力发生。

为适应航空、航天、交通、船舶、国防等领域大型装配体间拼接、扩展， 到位锁定，传统装配技术，费时费力操作到位精度误差大，依靠标定路径或人 为判定，不能有效丈量装配是否到位，不能精确测量到位力值力矩。特别在航 天器空间交会对接时，靠标定和规划好的路径，不能时时检测航天器在轨运行 轨迹，不能提前排除运行轨迹中存在的干涉、摩擦、碰撞。传统装配工艺方法 既不能精确确定力值，也不能准确确定力矩，大大增加了装配中过应力导致的 灾难性事故发生。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统装配技术仅依靠标 定路径或人为判定，装配精度较低且难以完整装配到位的问题，提出了一种基 于六维力感知的低应力装调系统及方法。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种基于六维力感知的低应力装调系统，包括计算控制终端模块、机械臂 控制器、机械臂、六维力感知模块、末端执行器、装配空间，其中：

六维力感知模块：在装配元件于装配空间内的装配过程中，实时测量装配 元件与装配空间接触位置三维力数据信息及三维力矩数据信息，将所得信息发 送至计算控制终端模块；

计算控制终端模块：根据装配任务需求向机械臂控制器发送预设控制指令， 同时接收六维力感知模块发送的三维力数据信息及三维力矩数据信息，并于装 配元件装配过程中根据所得数据信息进行装配阶段状态实时检测，若当前装配 阶段装配状态满足当前装配阶段装配条件，则继续向机械臂控制器发送预设控 制指令，否则重新设定新的轨迹调整指令并发送至机械臂控制器；

机械臂控制器：接收计算控制终端模块发送的预设控制指令，根据该控制 指令控制机械臂实施装配元件的装配，若接收到计算控制终端模块发送的轨迹 调整指令，则根据轨迹调整指令对速度、位姿、轨迹进行调整并继续实施装配；

机械臂：在机械臂控制器的控制下实施对装配元件的装配；

六维力感知模块：对装配元件与装配空间接触位置的三维力数据信息及三 维力矩数据信息进行测量，并将所得测量信息发送至计算控制终端模块；

装配空间：根据装配任务需求与装配元件匹配设置。

所述机械臂末端设置有机械臂末端执行器，通过机械臂带动并用于抓取装 配产品并于装配空间上进行装配。

所述六维力感知器安装于机械臂与机械臂末端执行器之间，对装配元件与 装配空间接触位置的三维力及力矩进行实时监测。

一种基于六维力感知的低应力装调方法，步骤如下：

(1)根据装配任务需求及装配元件形状、尺寸、材料种类设定预设控制指 令，并将预设控制指令作为装配过程中机械臂控制指令；

(2)根据预设控制指令开始进行装配任务，于装配过程中持续对装配元件 与装配空间接触位置的三维力数据信息及三维力矩数据信息进行实时测量；

(3)对装配过程中各装配时刻对应的步骤(2)所得数据信息进行装配阶 段状态实时检测，若当前装配时刻所在装配阶段所得数据信息满足当前装配阶 段装配条件，则根据预设控制指令继续进行装配；否则根据当前装配时刻步骤 (2)所得数据信息进行计算及重新标定，根据标定后所得机械臂控制轨迹生成 新的轨迹调整指令，通过轨迹调整指令对下一装配时刻的机械臂的速度、位姿、 轨迹进行调整，继续进行装配控制；

(4)于装配过程中重复步骤(2)、步骤(3)直至装配产品到达装配空间 的指定锁定位置，完成装配任务。

所述步骤(2)中，装配阶段具体包括：装配产品捕捉配对阶段、装配产品 试对接阶段、装配产品对接阶段，其中：

装配产品捕捉配对阶段中，机械臂通过末端适配器抓取装配产品并根据预 设装配指令移动至指定位置并进行试触调整直至抵达本阶段内预设靶点位置， 完成装配产品至装配空间捕捉配对；

装配产品试对接阶段中，控制机械臂将装配产品按一定速度装配于装配空 间内，实时测量装配过程中装配元件与装配空间接触位置的三维力数据信息及 三维力矩数据信息，直至抵达本阶段内预设靶点位置，完成装配产品至装配空 间试对接；

装配产品对接阶段中，控制机械臂由装配产品试对接阶段预设靶点位置以 一定速度移动，实时测量装配过程中装配元件与装配空间接触位置的三维力数 据信息及三维力矩数据信息，直至抵达本阶段内预设靶点位置，对装配产品进 行调整试触直至装配产品稳定装配于装配空间内。

所述各阶段预设靶点位置根据预设控制指令确定。

所述装配产品捕捉配对阶段的装配条件具体为：

于靶点阈值(±10、±10、±10、±0.713、±0.713、±0.713)，所述靶点阈值为0。

所述装配产品试对接阶段的装配条件具体为：

于靶点阈值(±5、±5、±5、±0.408、±0.408、±0.408)，所述靶点阈值为0。

所述装配产品对接阶段的装配条件具体为：

于靶点阈值(±2、±2、±2、±0.125、±0.125、±0.125)，所述靶点阈值为0。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种基于六维力感知的低应力装调系统及方法，通过操 控终端，提前计算装配轨迹，通过六维力感知，时时反馈装配体装配轨迹动态， 矫准路径，达到以六维力感知进行装配体拼接、扩展、到位锁定的目的，同时 在装配过程中可以通过六维力感知反馈到操控终端的位置数据，自主调整装配 体轨迹姿态，完成装配作业，解决了传统装配技术中依靠标定路径或人为判定 容易出现的装配精度较低、难以完整装配到位、不能精确测量到位力值力矩的 问题；

(2)本发明具备大承载、大范围、高精度调整能力，能够避免人为误判、 错判以及大型装配全流程应力值过大、距离不能确定、不能量化等诸多弊端， 特别适用于轨道交通，航空航天、桥梁建造、船舶、货运、武器装备等大型产 品设备人工以及自主智能装配作业。

附图说明

图1为发明提供的装调系统结构示意图；

图2为发明提供的装配过程阶段分布示意图；

图3为发明提供的试触稳定过程示意图；

具体实施方式

一种基于六维力感知的低应力装调系统及方法，通过采用六维力感知模块 对装配过程中各装配阶段进行实时信息反馈，实现在装配过程中的自主调节， 通过实时调整机械臂的位姿、速度、运动轨迹实现产品装配，如图1所示，装 调系统主要包括：计算控制终端模块、机械臂控制器、机械臂、六维力感知模 块、末端执行器、装配空间，其中：

六维力感知模块：对装配产品进行实时的六维力测量，于装配空间内的装 配过程中，实时测量装配元件与装配空间接触位置三维力数据信息及三维力矩 数据信息，将所得信息发送至计算控制终端模块；

计算控制终端模块：根据装配任务需求向机械臂控制器发送预设控制指令， 同时接收六维力感知模块发送的三维力数据信息及三维力矩数据信息，并于装 配元件装配过程中根据所得数据信息进行装配阶段状态实时检测，若当前装配 阶段装配状态满足当前装配阶段装配条件，则继续向机械臂控制器发送预设控 制指令，否则重新设定新的轨迹调整指令并发送至机械臂控制器；

机械臂控制器：控制机械臂的中间控制器，接收计算控制终端模块发送的 预设控制指令，由计算控制终端完全控制，根据该控制指令控制机械臂实施装 配元件的装配，若接收到计算控制终端模块发送的轨迹调整指令，则根据轨迹 调整指令对速度、位姿、轨迹进行调整并继续实施装配；

机械臂：被控制对象，在机械臂控制器的控制下实施对装配元件的装配；

末端执行器：具体执行装配产品抓取的部分，在机械臂控制器的控制下实 施对装配元件的抓取，安装于机械臂与机械臂末端执行器之间，对装配元件与 装配空间接触位置的三维力及力矩进行实时监测；

六维力感知模块：即六维力传感器，设置在固定位置后，对装配元件与装 配空间接触位置的三维力数据信息及三维力矩数据信息进行测量，并将所得测 量信息发送至计算控制终端模块；

装配空间：方形空间，根据装配任务需求与装配元件匹配设置。

装配空间狭小、装配精度高、空间装配应力需量化，本系统所属装配环境 可以满足低应力装配，在适配对接中免于产品应力损害，装配全周期内装配应 力时时可控。

根据上述系统，进行基于六维力感知的低应力装调方法，具体步骤包括：

(1)首先确定装配任务的具体需求，确定装配产品的形状、尺寸、材料种 类，根据已知条件首先制定预设控制指令，在理想条件下，整体的机械臂控制 流程均可通过预设控制指令实现，在后续装配过程中，优先执行预设控制指令， 根据后续具体信息反馈对指令进行调整即可；

(2)根据预设控制指令开始进行装配任务，于装配过程中持续对装配元件 与装配空间接触位置的三维力数据信息及三维力矩数据信息进行实时测量；

(3)所述装配过程分为三个阶段，如图2所示，具体包括装配产品捕捉 配对阶段、装配产品试对接阶段、装配产品对接阶段，按照顺序进行上述三个 阶段的装配，首先在装配产品捕捉配对阶段中，机械臂通过末端适配器抓取装 配产品并根据预设装配指令移动至指定位置并进行试触调整直至抵达本阶段内 预设靶点位置，完成装配产品至装配空间捕捉配对；然后装配产品试对接阶段 中，控制机械臂将装配产品按一定速度装配于装配空间内，实时测量装配过程 中装配元件与装配空间接触位置的三维力数据信息及三维力矩数据信息，直至 抵达本阶段内预设靶点位置，完成装配产品至装配空间试对接；最后装配产品 对接阶段中，控制机械臂由装配产品试对接阶段预设靶点位置以一定速度移动， 实时测量装配过程中装配元件与装配空间接触位置的三维力数据信息及三维力 矩数据信息，直至抵达本阶段内预设靶点位置，对装配产品进行调整试触直至 装配产品稳定装配于装配空间内；

在步骤(3)的整个过程中，均对装配过程中各装配时刻的数据信息进行装 配阶段状态实时检测，若当前装配时刻对应的装配阶段所得数据信息满足当前 装配阶段装配条件，则根据预设控制指令继续进行装配；反之，就要对发现问 题的装配时刻所得的数据信息进行计算及重新标定，根据标定后所得机械臂控 制轨迹生成新的轨迹调整指令，通过轨迹调整指令对下一装配时刻的机械臂的 速度、位姿、轨迹进行调整，继续进行装配控制；

其中，预设控制指令中包含了每个阶段的预设靶点位置，即使在匹配过程 中轨迹、速度、位姿发生了变化，该阶段的预设靶点阈值是不会变的；如图3 所示，在每个阶段中，为平稳精细到达装配靶点阈值，装配产品与装配空间装 配进一步细化三个装配状态，装配产品与装配空间无力值力矩反馈，装配产品 逐渐接近装配空间直至碰触状态如图(a)所示，此时某一维度力值力矩会超靶 点阈范围，进而进入下一装配状态，计算控制终端将时时采集三维力值力矩经 计算分析，在六维度状态下与靶点阈值展开匹配计算，从而发送一系列控制指 令传递给机械臂控制器，调整机械臂速度、轨迹、姿态从而调整装配产品装配 姿态如图(b)所示，机械臂经过多次轨迹、速度、位姿调整，装配产品抵达靶点 阈值范围，直至装配产品稳定装配于装配空间内如图(c)，整个过程为试触稳 定过程，完成本阶段装配。

若当前装配时刻对应的装配阶段所得数据信息不满足当前装配阶段装配条 件，则要进行重新计算与标定，其中：

六维力传感器时时采集包括力大小、方向以及力矩的大小、方向，具体是 x、y、z3个方向上的F_x、F_y、F_z值的大小，以及绕x、y、z3个方向的力矩M_x、 M_y、M_z值的

机械臂的移动步长按照式(1)进行计算：

其中，i取x、y、z3个方向，F_i是指x、y、z3个方向上除去装配产品重力补 偿装配应力值，即操作施加的在六维力传感器坐标系下的分力表示，S_step是在装 配状态下移动的步长，单位是mm,k_l是步长移动系数，大小根据实际情况进行 选取，a是机械臂六维力传感器力与位移转换系数，α_e是捕捉、试对接、对接 三阶段三维力值靶点阈值，g_z为装配产品重力补偿。

机械臂的旋转步长按照式(2)算法进行计算：

其中，i取x、y、z3个方向，M_i是指x、y、z3个方向上除去装配产品重力 补偿装配应力矩大小，即操作施加的在六维力传感器坐标系下的分力矩表示， G_step是在装配状态下旋转的步长，单位是rad,k_i是转动步长系数，大小根据实际 情况进行选取，b是机械臂六维力传感器力矩与机械臂旋转弧度转换系数，β_e是 是捕捉、试对接、对接三阶段三维力矩靶点阈值，cg_z装配产品重力矩补偿。

其中，装配产品捕捉配对阶段的装配条件具体为：

于靶点阈值(±10、±10、±10、±0.713、±0.713、±0.713)

装配产品试对接阶段的装配条件具体为：

于靶点阈值(±5、±5、±5、±0.408、±0.408、±0.408)

装配产品对接阶段的装配条件具体为：

于靶点阈值(±2、±2、±2、±0.125、±0.125、±0.125)

上述靶点阈值均为0，当六维力测量数据位0时，说明装配产品各阶段进 展均正常，无多余接触。

上述流程即为计算控制终端模块的自主控制流程，当目测或视觉测量，监 测装配体与装配空间距离较远，无干涉、无接触风险状态下，为节省装配时间， 还可使用基于人工作业手持控制器的人工控制流程，主要包括空间轨迹移动、 连续调姿和微动调姿三种工作模式。空间轨迹移动模式下，用速度控制杆上下 拨动控制速度档位的加减，用角度控制杆控制智能空间全向移动模块以任意方 向和角度移动。在连续调姿模式下，控制装配体进行俯、仰、左翻、右翻、升、 降动作的连续运动。在微动调姿模式下，控制装配体进行俯、仰、左翻、右翻、 升、降动作的点动运动，缩短装配相对距离，当计算控制终端判定到达对接最 终状态靶点阈值范围时，可使用锁定开关控制装配体锁定。

下面结合具体实施例进行详细说明：

机械臂采用KUKA公司KR QUANTEC extra机械臂，KR QUANTEC extra 为一款六轴机械臂，重复精度达到±0.06mm，运动尺寸包络半径最大为 2700mm，同时具有灵活的安装位置选择，在部件搬运、焊接、粘贴、铸造甚 至自动缝纫等自动化领域应用十分广泛，机械臂控制器为KR C4控制器，可降 低集成、保养和维护方面的费用，该控制器首先读取机械臂末端位姿信息并经 过一个三阶巴特沃思数字低通滤波器滤除运动过程中惯性和加速减速带来的干 扰力，同时将获取的用来表征姿态信息的四元数转换成坐标变换矩阵，并计算出当前位置下的重力在该坐标系的分量，并补偿滤波后的传感器读数，计算和 标定装配轨迹。

六维力感知模块选取ATI Mini58 SI-2800-120型号六维力传感器，具有较 高的测量精度和响应时间，同时还具有灵敏度高、耦合误差低、单向线性好、 响应时间短等性能指标。装配到位检测，是通过机械臂末端执行器上安装的六 维力传感器来实现的。六维力传感器测量三维力信息和三维力矩信息，该力值 信息经传感器传输电缆，传送到操控终端内嵌的PCI数据采集模块接口。控制 终端通过数据采集模块将到位信息采集至上位机，由上位机软件将信息计算与 解析处理。通过与预先设定好的接口到位参数进行比对，结合测量监测系统的 数据信息，从而得到机械臂到位控制指令参数，并将指令信息经总线传送到机 械臂控制器上，调整机械臂的速度和位姿来使机械臂到达指定锁定位置。

末端执行器由主动端和被动端组成，即抓捕端与被抓捕端，底板、锁定电 机、导向锥、导向孔组成，，主动端安装在机械臂末端，被动端安装在装配产品 上，为装配产品被抓取接口，导向锥与导向孔相互配合。末端执行器执行抓捕 时，主动端导向锥进入被动端导向孔，主动端锁定电机通电运转，锁定机构锁 定，末端执行器抓取装配产品；到达装配空间锁定电机方向运转，末端执行器 与装配产品锁定解除，装配产品与装配空间对接完成。

所选装配产品为2Al4 T6GBn223-84铝合金材质200×200×200mm厚度为 2mm薄壁方形规格，对该产品进行装配，K₁＝0.002mm，g_z、cg_z在抓取装配产品 产品悬空状态下标定消除，装配过程中，第一阶段正常，在第一阶段中某个时 间点，测得数据(0、0、8.127、0、0、0.553)，第二阶段某一时刻时，测出的数据 (0、16.654、-15.127、0、1.187、-1.621)超出了给定的阈值范围 (±10、±10、±10、±0.713、±0.713、±0.713)，此时根据上述公式进行计算，k_l是步长移动/旋转系数K₁＝0.002mm对应的步长计算式就算出平移/旋转变化量的大小 Δρ(Δx、Δy、Δz、ΔRx、ΔRy、ΔRz)后每10ms发送给机械臂控制器执行装配，其 中Δx、Δy、Δz是机械臂坐标系x、y、z轴的偏移量，ΔRx、ΔRy、ΔRz是绕机械臂坐 标系x、y、z轴的旋转量，经过多次计算重新调整标定操作后，可得反馈力值参 数(8.215、-6.532、-7.254、0.562、-0.454、-0.508)，测得数据满足给定的 阈值范围，继续进行第三阶段，第三阶段一切正常，测量完毕，装配成功。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种基于六维力感知的低应力装调系统，其特征在于：包括计算控制终端模块、机械臂控制器、机械臂、六维力感知模块、末端执行器、装配空间，其中：

六维力感知模块：在装配元件于装配空间内的装配过程中，实时测量装配元件与装配空间接触位置三维力数据信息及三维力矩数据信息，将所得信息发送至计算控制终端模块；

计算控制终端模块：根据装配任务需求向机械臂控制器发送预设控制指令，同时接收六维力感知模块发送的三维力数据信息及三维力矩数据信息，并于装配元件装配过程中根据所得数据信息进行装配阶段状态实时检测，若当前装配阶段装配状态满足当前装配阶段装配条件，则继续向机械臂控制器发送预设控制指令，否则重新设定新的轨迹调整指令并发送至机械臂控制器；

机械臂控制器：接收计算控制终端模块发送的预设控制指令，根据该控制指令控制机械臂实施装配元件的装配，若接收到计算控制终端模块发送的轨迹调整指令，则根据轨迹调整指令对速度、位姿、轨迹进行调整并继续实施装配；

机械臂：在机械臂控制器的控制下实施对装配元件的装配；

六维力感知模块：对装配元件与装配空间接触位置的三维力数据信息及三维力矩数据信息进行测量，并将所得测量信息发送至计算控制终端模块；

装配空间：根据装配任务需求与装配元件匹配设置。

2.根据权利1所述的一种基于六维力感知的低应力装调系统，其特征在于：所述机械臂末端设置有机械臂末端执行器，通过机械臂带动并用于抓取装配产品并于装配空间上进行装配。

3.根据权利1所述的一种基于六维力感知的低应力装调系统，其特征在于：所述六维力感知器安装于机械臂与机械臂末端执行器之间，对装配元件与装配空间接触位置的三维力及力矩进行实时监测。

4.一种基于权利要求1所述的六维力感知的低应力装调方法，其特征在于步骤如下：

(1)根据装配任务需求及装配元件形状、尺寸、材料种类设定预设控制指令，并将预设控制指令作为装配过程中机械臂控制指令；

(2)根据预设控制指令开始进行装配任务，于装配过程中持续对装配元件与装配空间接触位置的三维力数据信息及三维力矩数据信息进行实时测量；

(3)对装配过程中各装配时刻对应的步骤(2)所得数据信息进行装配阶段状态实时检测，若当前装配时刻所在装配阶段所得数据信息满足当前装配阶段装配条件，则根据预设控制指令继续进行装配；否则根据当前装配时刻步骤(2)所得数据信息进行计算及重新标定，根据标定后所得机械臂控制轨迹生成新的轨迹调整指令，通过轨迹调整指令对下一装配时刻的机械臂的速度、位姿、轨迹进行调整，继续进行装配控制；

(4)于装配过程中重复步骤(2)、步骤(3)直至装配产品到达装配空间的指定锁定位置，完成装配任务。

5.根据权利要求4所述的一种基于六维力感知的低应力装调方法，其特征在于：所述步骤(2)中，装配阶段具体包括：装配产品捕捉配对阶段、装配产品试对接阶段、装配产品对接阶段，其中：

装配产品捕捉配对阶段中，机械臂通过末端适配器抓取装配产品并根据预设装配指令移动至指定位置并进行试触调整直至抵达本阶段内预设靶点位置，完成装配产品至装配空间捕捉配对；

装配产品试对接阶段中，控制机械臂将装配产品按一定速度装配于装配空间内，实时测量装配过程中装配元件与装配空间接触位置的三维力数据信息及三维力矩数据信息，直至抵达本阶段内预设靶点位置，完成装配产品至装配空间试对接；

装配产品对接阶段中，控制机械臂由装配产品试对接阶段预设靶点位置以一定速度移动，实时测量装配过程中装配元件与装配空间接触位置的三维力数据信息及三维力矩数据信息，直至抵达本阶段内预设靶点位置，对装配产品进行调整试触直至装配产品稳定装配于装配空间内。

6.根据权利要求4所述的一种基于六维力感知的低应力装调方法，其特征在于：所述各阶段预设靶点位置根据预设控制指令确定。

7.根据权利要求4所述的一种基于六维力感知的低应力装调方法，其特征在于：所述装配产品捕捉配对阶段的装配条件具体为：

于靶点阈值(±10、±10、±10、±0.713、±0.713、±0.713)，所述靶点阈值为0。

8.根据权利要求4所述的一种基于六维力感知的低应力装调方法，其特征在于：所述装配产品试对接阶段的装配条件具体为：

于靶点阈值(±5、±5、±5、±0.408、±0.408、±0.408)，所述靶点阈值为0。

9.根据权利要求4所述的一种基于六维力感知的低应力装调方法，其特征在于：所述装配产品对接阶段的装配条件具体为：

于靶点阈值(±2、±2、±2、±0.125、±0.125、±0.125)，所述靶点阈值为0。

Images