CN112223303B - 基于平面表面摩擦的机器人自动轴孔轴线对齐方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于平面表面摩擦的机器人自动轴孔轴线对齐方法及系统，将待装配轴件示教到平面上方，所述平面与轴孔装配平台上放置的待装配孔件的轴线垂直；使所述待装配轴件与所述平面接触；使所述待装配轴件在所述平面上前后运动，利用力觉传感器测量所述待装配轴件与所述平面接触后的接触力大小和力矩大小，根据所述接触力大小和力矩大小计算所述待装配轴件的倾斜角度和倾斜方向；根据所述倾斜角度和倾斜方向使所述待装配轴件的轴线与所述待装配孔件的轴线对齐。本发明能够提高轴孔装配作业的自动化程度，提高装配效率。

Description

基于平面表面摩擦的机器人自动轴孔轴线对齐方法及系统

技术领域

本发明涉及机器人自动化领域，尤其涉及基于平面表面摩擦的机器人自动轴孔轴线对齐方法及系统。

背景技术

轴孔装配是装配作业的重要组成部分，随着工业自动化程度越来越高，高自由工业机器人被引入到自动化轴孔装配领域。对高精度轴孔装配，只有实现高精度的轴孔轴线对齐与轴孔位置对齐才能实现高精度轴孔装配作业。

传统工业机器人在完成如轴孔装配等受约束任务时，普遍采用示教或离线编程，存在部署时间长，高精度轴孔装配成功率低等问题。而在引入六维力/力矩传感器的机器人自动化轴孔装配中(如专利公开号CN104625676B等)，要求在开始轴孔装配时须保证轴孔轴线重合，为此，通常仍是采用示教的方式实现轴孔轴线重合。但是，通过示教方式实现轴孔装轴线重合降低了自动化程度，增加了轴孔装配步骤，装配效率低，且难以应用于人机协作轴孔装配场景。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了基于平面表面摩擦的机器人自动轴孔轴线对齐方法及系统，能够提高轴孔装配作业的自动化程度，提高装配效率。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

基于平面表面摩擦的机器人自动轴孔轴线对齐方法，包括：

将待装配轴件示教到平面上方，所述平面与轴孔装配平台上放置的待装配孔件的轴线垂直；

使所述待装配轴件与所述平面接触；

使所述待装配轴件在所述平面上前后运动，利用力觉传感器测量所述待装配轴件与所述平面接触后的接触力大小和力矩大小，根据所述接触力大小和力矩大小计算所述待装配轴件的倾斜角度和倾斜方向；

根据所述倾斜角度和倾斜方向使所述待装配轴件的轴线与所述待装配孔件的轴线对齐。

进一步地，所述根据所述接触力大小和力矩大小计算所述待装配轴件的倾斜角度和倾斜方向，具体如下：

记：所述倾斜角度为α，所述接触力大小为F，所述力矩大小为T，所述力觉传感器的空间直角坐标系为{FT}，在所述待装配轴件的端面建立空间直角坐标系为{W}；

设所述接触力大小和所述力矩大小分别为：

F＝[F_x F_y F_z]^T和T＝[T_x T_y T_z]^T

所述倾斜角度α的计算公式如下：

式中，¹F^w′为所述待装配轴件在所述平面上往一个方向滑动时的计算值，²F^w′为所述待装配轴件在所述平面上往反方向滑动时的计算值，

F^W＝R^WF

式中，R为坐标系{W}到坐标系{FT}的旋转变换矩阵，θ为线段与坐标系{W}的x轴所形成的夹角，所述线段为所述待装配轴件和所述平面的接触点与坐标系{W}原点之间的连线，

T^W＝R^WT+S(R^WF)*[0，0，l]^T

式中，S(*)为反对称算子，

所述倾斜方向为：[-sin(θ)，cos(θ)，0]^T。

进一步地，所述根据所述倾斜角度和倾斜方向使所述待装配轴件的轴线与所述待装配孔件的轴线对齐，具体为：使所述待装配轴件绕坐标系{W}中的[-sin(θ)，cos(θ)，0]^T方向转动α角度即可实现所述待装配轴件的轴线与所述待装配孔件的轴线对齐。

进一步地，所述使所述待装配轴件与所述平面接触，以及所述使所述待装配轴件在所述平面上前后运动的过程中，均采用导纳控制。

基于平面表面摩擦的机器人自动轴孔轴线对齐系统，包括：机械臂、力觉传感器、轴孔装配平台、夹持装置和上位机，所述力觉传感器安装在所述机械臂的末端，所述夹持装置安装在所述力觉传感器上，所述夹持装置用于夹持待装配轴件；所述轴孔装配平台用于安装待装配孔件，所述轴孔装配平台上设置有平面，所述平面与所述待装配孔件的轴线垂直；所述上位机与所述机械臂和所述力觉传感器通讯连接；

所述上位机用于控制所述机械臂运动，使所述待装配轴件与所述平面接触，并使所述待装配轴件在所述平面上前后运动；所述力觉传感器用于测量所述待装配轴件与所述平面接触后的接触力大小和力矩大小；所述上位机还用于根据所述接触力大小和力矩大小计算所述待装配轴件的倾斜角度和倾斜方向，并根据所述倾斜角度和倾斜方向控制所述机械臂运动，使所述待装配轴件的轴线与所述待装配孔件的轴线对齐。

进一步地，所述平面上任何位置的摩擦系数相同。

进一步地，所述力觉传感器为六维力/力矩传感器。

进一步地，所述机械臂末端的TCP轴线、所述力觉传感器的轴线以及所述待装配轴件的轴线需要保证重合。

进一步地，所述上位机用于根据所述接触力大小和力矩大小计算所述待装配轴件的倾斜角度和倾斜方向，具体如下：

记：所述倾斜角度为α，所述接触力大小为F，所述力矩大小为T，所述力觉传感器的空间直角坐标系为{FT}，在所述待装配轴件的端面建立空间直角坐标系为{W}；

设所述接触力大小和所述力矩大小分别为：

F＝[F_x F_y F_z]^T和T＝[T_x T_y T_z]^T

所述倾斜角度α的计算公式如下：

式中，¹F^w′为所述待装配轴件在所述平面上往一个方向滑动时的计算值，²F^w′为所述待装配轴件在所述平面上往反方向滑动时的计算值，

F^W＝R^WF

式中，R为坐标系{W}到坐标系{FT}的旋转变换矩阵，θ为线段与坐标系{W}的x轴所形成的夹角，所述线段为所述待装配轴件和所述平面的接触点与坐标系{W}原点之间的连线，

T^W＝R^WT+S(R^WF)*[0，0，l]^T

式中，S(*)为反对称算子，

所述倾斜方向为：[-sin(θ)，cos(θ)，0]^T。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明提出的基于平面表面摩擦的机器人自动轴孔轴线对齐方法，将待装配轴件示教到平面上方，平面与轴孔装配平台上放置的待装配孔件的轴线垂直；使待装配轴件与平面接触；使待装配轴件在平面上前后运动，利用力觉传感器测量待装配轴件与平面接触后的接触力大小和力矩大小，根据接触力大小和力矩大小计算待装配轴件的倾斜角度和倾斜方向；根据倾斜角度和倾斜方向使待装配轴件的轴线与待装配孔件的轴线对齐。可见，与传统的方法相比，本发明能减少示教过程，提高轴孔装配自动化程度；部署快速，无需高精度安装校准，提高装配效率；自动角度对齐，可用于实现人机协作轴孔装配场景。

进一步地，使待装配轴件与平面接触，以及使待装配轴件在平面上前后运动的过程中，均采用导纳控制，保证接触的柔顺性，避免损伤工作平台或工件。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明基于平面表面摩擦的机器人自动轴孔轴线对齐系统示意图；

图2是本发明基于平面表面摩擦的机器人自动轴孔轴线对齐方法受力分析图。

图中：1-机械臂；2-力觉传感器；3-轴孔装配平台；4-夹持装置；5-待装配孔件；6-待装配轴件；7-上位机；8-平面。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

作为本发明的某一具体实施方式，结合图1和图2所示，一种基于平面表面摩擦的机器人自动轴孔轴线对齐系统，包括：机械臂1、力觉传感器2、轴孔装配平台3、夹持装置4和上位机7，力觉传感器2安装在机械臂1的末端，夹持装置4安装在力觉传感器2上，夹持装置4用于夹持待装配轴件6，优选的，机械臂1末端的TCP轴线、力觉传感器2的轴线以及待装配轴件6的轴线需要保证重合，且力觉传感器2端面到待装配轴件6端面的长度已知。轴孔装配平台3用于安装待装配孔件5，轴孔装配平台3上设置有平面8，平面8与待装配孔件5的轴线垂直，优选的，平面8上任何位置的摩擦系数相同。上位机7与机械臂1和力觉传感器2通讯连接。

上位机7用于控制机械臂1运动，使待装配轴件6与平面8接触，并使待装配轴件6在平面8上前后运动；力觉传感器2用于测量待装配轴件6与平面8接触后的接触力大小和力矩大小；上位机7还用于根据接触力大小和力矩大小计算待装配轴件6的倾斜角度和倾斜方向，并根据倾斜角度和倾斜方向控制机械臂1运动，使待装配轴件6的轴线与待装配孔件5的轴线对齐。

本实施例中，机械臂1为RB20机械臂，为可编程控制多轴机械臂，通过keba控制器进行控制；上位机7为PLC平台；力觉传感器2为六维力/力矩传感器，具体的，六维力/力矩传感器为ATI Delta SI-165-15。上位机7通过ethercat通讯协议与机械臂1进行通讯，六维力/力矩传感器通过模拟电压量将数据反馈回上位机7，运行过程中，机械臂1在上位机7的指令下，携带夹持装置4夹持待装配轴件6进行角度调整。

本发明一种基于平面表面摩擦的机器人自动轴孔轴线对齐方法，应用上述的基于平面表面摩擦的机器人自动轴孔轴线对齐系统，包括：

步骤一、通过人工示教将机械臂1上的待装配轴件6示教到平面8上方；

步骤二、上位机7控制机械臂1运动，使待装配轴件6与平面8接触；具体的说，上位机7控制机械臂1沿末端TCP轴线方向运动直到待装配轴件6与平面8接触，优选的，控制过程采用导纳控制，保证接触的柔顺性；

步骤三、上位机7控制待装配轴件6在平面8上前后运动，优选的，控制过程采用导纳控制，保证接触的柔顺性，前后滑动过程中，不须获得摩擦系数，仅要求前后滑动过程中摩擦系数相同；力觉传感器2测量待装配轴件6与平面8接触后的接触力大小和力矩大小，上位机7根据接触力大小和力矩大小计算待装配轴件6的倾斜角度和倾斜方向；

具体的，记：倾斜角度为α，接触力大小为F，力矩大小为T，力觉传感器2的空间直角坐标系为{FT}，在待装配轴件6的端面建立空间直角坐标系为{W}；

设接触力大小和力矩大小分别为：

F＝[F_x F_y F_z]^T和T＝[T_x T_y T_z]^T

倾斜角度α的计算公式如下：

式中，¹F^w′为待装配轴件在平面上往一个方向滑动时的计算值，²F^w′为待装配轴件在平面上往反方向滑动时的计算值，

F^W＝R^WF

式中，R为坐标系{W}到坐标系{FT}的旋转变换矩阵，θ为线段与坐标系{W}的x轴所形成的夹角，线段为待装配轴件和平面的接触点与坐标系{W}原点之间的连线，

T^W＝R^WT+S(R^WF)*[0，0，l]^T

式中，S(*)为反对称算子，

倾斜方向为：[-sin(θ)，cos(θ)，0]^T；

步骤四、上位机7根据倾斜角度和倾斜方向控制机械臂1运动，使待装配轴件6的轴线与待装配孔件5的轴线对齐；具体的，使待装配轴件6绕坐标系{W}中的[-sin(θ)，cos(θ)，0]^T方向转动α角度即可实现待装配轴件6的轴线与待装配孔件5的轴线对齐。

为了更加详细的解释上位机根据接触力大小和力矩大小计算待装配轴件的倾斜角度和倾斜方向的原理，下面做进一步地分析说明。

六维力/力矩传感器的测量值与倾斜角度误差映射关系为：在待装配轴件端面建立坐标系{W}，对六维力/力矩传感器坐标系{FT}下的测量值变换到{W}中，设六维力/力矩传感器测量值为：

F＝[F_x F_y F_z]^T，T＝[T_x T_y T_z]^T

记变换后的测量值为：

F^W＝R^WF

T^W＝R^WT+S(R^WF)*[0，0，l]^T

其中R为坐标系{W}到坐标系{FT}的旋转变换矩阵，S(*)为反对称算子，使

则在坐标系{W}中待装配轴件和平面的接触点与坐标系{W}的x轴的夹角θ为

则待装配轴件倾斜角度为

其中，

其中，¹F^w′为待装配轴件在平面上往一个方向滑动时的计算值，²F^w′为待装配轴件在平面上往反方向滑动时的计算值。

作为某一实施方式，使机械臂1沿其末端TCP轴线方向运动直到机械臂1上的待装配轴件6与平面8接触；

使待装配轴件6在平面8上前后平移滑动，并分别测量向前滑动时六维力/力矩传感器的测量值¹F和²F以及向后滑动时六维力/力矩传感器的测量值²F和¹T，并根据数学模型计算倾斜角度，调整机械臂完成待装配工件轴线自动对齐。如图2所示，所述数学模型为：

ⁱF^W＝R^{W i}F i＝1，2

ⁱT^W＝R^{W i}T+S(R^{W i}F)*[0，0，l]^T i＝1，2

其中R为坐标系{W}到坐标系{FT}的旋转变换矩阵，S(*)为反对称算子，使

则在坐标系{W}中待装配轴件和平面的接触点与坐标系{W}的x轴夹角θ为

则待装配轴件的倾斜角度为

其中，

机械臂带动待装配轴件绕坐标系{W}中的[-sin(θ)，cos(θ)，0]^T方向转动α角度即可实现轴孔件自动角度对齐。

最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.基于平面表面摩擦的机器人自动轴孔轴线对齐方法，其特征在于，包括：

将待装配轴件(6)示教到平面(8)上方，所述平面(8)与轴孔装配平台(3)上放置的待装配孔件(5)的轴线垂直；

使所述待装配轴件(6)与所述平面(8)接触；

使所述待装配轴件(6)在所述平面(8)上前后运动，利用力觉传感器(2)测量所述待装配轴件(6)与所述平面(8)接触后的接触力大小和力矩大小，根据所述接触力大小和力矩大小计算所述待装配轴件(6)的倾斜角度和倾斜方向；具体如下：

记：所述倾斜角度为α，所述接触力大小为F，所述力矩大小为T，所述力觉传感器(2)的空间直角坐标系为{FT}，在所述待装配轴件(6)的端面建立空间直角坐标系为{W}；

设所述接触力大小和所述力矩大小分别为：

F＝[F_x F_y F_z]^T和T＝[T_x T_y T_z]^T

所述倾斜角度α的计算公式如下：

式中，¹F^w′为所述待装配轴件在所述平面上往一个方向滑动时的计算值，²F^w′为所述待装配轴件在所述平面上往反方向滑动时的计算值，

F^W＝R^WF

式中，R为坐标系{W}到坐标系{FT}的旋转变换矩阵，θ为线段与坐标系{W}的x轴所形成的夹角，所述线段为所述待装配轴件和所述平面的接触点与坐标系{W}原点之间的连线，

T^W＝R^WT+S(R^WF)*[0,0,l]^T

式中，S(*)为反对称算子，

所述倾斜方向为：[-sin(θ),cos(θ),0]^T；

根据所述倾斜角度和倾斜方向使所述待装配轴件(6)的轴线与所述待装配孔件(5)的轴线对齐。

2.根据权利要求1所述的基于平面表面摩擦的机器人自动轴孔轴线对齐方法，其特征在于，所述根据所述倾斜角度和倾斜方向使所述待装配轴件(6)的轴线与所述待装配孔件(5)的轴线对齐，具体为：使所述待装配轴件(6)绕坐标系{W}中的[-sin(θ),cos(θ),0]^T方向转动α角度即可实现所述待装配轴件(6)的轴线与所述待装配孔件(5)的轴线对齐。

3.根据权利要求1所述的基于平面表面摩擦的机器人自动轴孔轴线对齐方法，其特征在于，所述使所述待装配轴件(6)与所述平面(8)接触，以及所述使所述待装配轴件(6)在所述平面(8)上前后运动的过程中，均采用导纳控制。

4.基于平面表面摩擦的机器人自动轴孔轴线对齐系统，其特征在于，包括：机械臂(1)、力觉传感器(2)、轴孔装配平台(3)、夹持装置(4)和上位机(7)，所述力觉传感器(2)安装在所述机械臂(1)的末端，所述夹持装置(4)安装在所述力觉传感器(2)上，所述夹持装置(4)用于夹持待装配轴件(6)；所述轴孔装配平台(3)用于安装待装配孔件(5)，所述轴孔装配平台(3)上设置有平面(8)，所述平面(8)与所述待装配孔件(5)的轴线垂直；所述上位机(7)与所述机械臂(1)和所述力觉传感器(2)通讯连接；

所述上位机(7)用于控制所述机械臂(1)运动，使所述待装配轴件(6)与所述平面(8)接触，并使所述待装配轴件(6)在所述平面(8)上前后运动；所述力觉传感器(2)用于测量所述待装配轴件(6)与所述平面(8)接触后的接触力大小和力矩大小；所述上位机(7)还用于根据所述接触力大小和力矩大小计算所述待装配轴件(6)的倾斜角度和倾斜方向，并根据所述倾斜角度和倾斜方向控制所述机械臂(1)运动，使所述待装配轴件(6)的轴线与所述待装配孔件(5)的轴线对齐；

上位机(7)根据所述接触力大小和力矩大小计算所述待装配轴件(6)的倾斜角度和倾斜方向，具体如下：

记：所述倾斜角度为α，所述接触力大小为F，所述力矩大小为T，所述力觉传感器(2)的空间直角坐标系为{FT}，在所述待装配轴件(6)的端面建立空间直角坐标系为{W}；

设所述接触力大小和所述力矩大小分别为：

F＝[F_x F_y F_z]^T和T＝[T_x T_y T_z]^T

所述倾斜角度α的计算公式如下：

式中，¹F^w′为所述待装配轴件在所述平面上往一个方向滑动时的计算值，²F^w′为所述待装配轴件在所述平面上往反方向滑动时的计算值，

F^W＝R^WF

式中，R为坐标系{W}到坐标系{FT}的旋转变换矩阵，θ为线段与坐标系{W}的x轴所形成的夹角，所述线段为所述待装配轴件和所述平面的接触点与坐标系{W}原点之间的连线，

T^W＝R^WT+S(R^WF)*[0,0,l]^T

式中，S(*)为反对称算子，

所述倾斜方向为：[-sin(θ),cos(θ),0]^T。

5.根据权利要求4所述的基于平面表面摩擦的机器人自动轴孔轴线对齐系统，其特征在于，所述平面(8)上任何位置的摩擦系数相同。

6.根据权利要求4所述的基于平面表面摩擦的机器人自动轴孔轴线对齐系统，其特征在于，所述力觉传感器(2)为六维力/力矩传感器。

7.根据权利要求4所述的基于平面表面摩擦的机器人自动轴孔轴线对齐系统，其特征在于，所述机械臂(1)末端的TCP轴线、所述力觉传感器(2)的轴线以及所述待装配轴件(6)的轴线需要保证重合。

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