CN112388264A - 寻孔方法及寻孔装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够提升寻孔的准确率和效率性，并能够适用于面向密集孔端的寻孔配线任务的寻孔方法及寻孔装置。该寻孔方法是针对轴端向多个孔端中的目标孔寻孔的寻孔方法，具备如下步骤：粗寻孔步骤，控制轴端以使轴端位于包围目标孔的力控范围内；接触状态判定步骤，使轴端绕在轴端上且穿过轴端的中心点的至少一个旋转轴转动，测定作用于轴端的轴向力的变化，并根据轴向力的变化判定轴端和目标孔的接触状态；纠偏调整步骤，根据接触状态，针对轴端进行特定轨迹的纠偏调整。

Description

寻孔方法及寻孔装置

技术领域

本发明涉及寻孔方法及寻孔装置，尤其涉及针对密集孔端的寻孔方法及寻孔装置。

背景技术

随着自动化水平的提升，在配线任务中，涉及基于机器人完成自动配线。其中，涉及到通过机器人完成线缆与孔的寻孔装配，寻孔策略对于自动配线的准确性、效率性有重大的影响。

自动配线任务中的寻孔策略可以归类为一种轴孔装配问题，但由于配线任务中存在孔端密集排布、线缆头部的端面结构复杂、线缆更具柔性、以及需多次夹线和插线等各种随机不确定性因素，与传统的轴孔装配问题相比接触情况更复杂、更容易受到噪声等干扰因素的影响。

在现有的轴孔装配问题中，例如采用被动柔顺法，借助柔顺机构来辅助装配。然而，由于接触信息不能主动地指导机器人运动，无法根据环境信息主动地调整位姿，因此难以适用于接触情况复杂的自动配线任务中。

此外，例如采用基于视觉的寻孔装配。然而，由于自动配线任务中孔端尺寸小且排布密集，易存在遮挡、摄像机的分辨率不够，光线影响大等情况，纯粹基于视觉的寻孔难以适用。

此外，例如采用盲搜法，通过预设螺旋运动或随机运动等轨迹进行寻孔装配。然而，由于机器人末端的运动轨迹是预先设定的，因此在面对排布密集的孔端时，存在容易进错孔、搜孔时间长的问题。

此外，例如采用基于力信息的定量计算法进行寻孔装配。具体而言，根据传感器检测得到的力信息结合轴孔的几何关系，定量计算出轴心和孔心的位置偏差，然后把这种偏差反馈给机器人进行修正运动。然而，由于配线任务中随机不确定性因素和干扰因素多，使得力信息失真不准确，导致通过力信息计算出来的位置偏差不准确。故基于力信息的定量计算法难以适用。

此外，例如采用基于力信息实时引导的接触状态识别法进行寻孔装配(例如非专利文献1)。具体而言，首先通过当前力信息识别轴孔的接触状态，进而确定偏差方向和调整方向，通过力信息的实时引导和轴的多次调整运动逐渐靠近孔心，最终实现轴孔同心，达到装配条件。然而，在自动配线任务中，由于线端尺寸过小，不同接触位置上静态力信号区别不明显，且线缆与孔接触情况复杂，使得判断条件寻找困难，难以识别出接触状态。且多次插线过程中需要多次夹线，每次所夹线缆的位姿轻微改变，会使得即使线缆接触在孔的相同位置上，力值也会变得不同，这极大地影响算法的稳定性。

非专利文献1：

Takahashi T,Ogata H,Muto S Y.A method for analyzing human assemblyoperations for use in automatically generating robot commands[C].IEEEInternational Conference on Robotics and Automation,1993Proceedings.695-700vol.692.

发明内容

在非专利文献1等上述现有技术中，由于未考虑在配线任务中，在轴线与孔的接触情况复杂的情况下，不同接触情况下静态力信息区别不大等随机不确定性因素和干扰因素，因此存在寻孔的准确率较低、稳定性和适应性不够的技术问题，难以适用于面向密集孔端的寻孔配线任务中。

对此，本发明针对现有技术中上述技术问题中的至少一个，其目的在于，提供一种能够提升寻孔的准确率、效率性的寻孔方法及寻孔装置，从而能够适用于面向密集孔端的寻孔配线任务。

为此，本发明的实施方式提供一种寻孔方法，是针对轴端向多个孔端中的目标孔寻孔的寻孔方法，其特征在于，具备如下步骤：粗寻孔步骤，控制轴端以使轴端位于包围目标孔的力控范围内；接触状态判定步骤，使轴端绕在轴端上且穿过轴端的中心点的至少一个旋转轴转动，测定作用于轴端的轴向力的变化，并根据轴向力的变化判定轴端和目标孔的接触状态；纠偏调整步骤，根据接触状态，针对轴端进行特定轨迹的纠偏调整。

由此，能够提升寻孔的准确率、效率性。

上述寻孔方法优选，在纠偏调整步骤中，进行轴向力的检测，并针对轴端进行特定轨迹的纠偏调整直至轴向力小于规定的第一阈值。

由此，提升了寻孔方法的准确性和可行性。

上述寻孔方法优选，至少一个旋转轴包括第一旋转轴和与第一旋转轴正交的第二旋转轴，接触状态包括轴端与目标孔在第一旋转轴的方向上的偏差、以及在第二旋转轴的方向上的偏差，在纠偏调整步骤中，针对轴端进行与偏差的方向对应的纠偏调整。

由此，能够应对复杂的接触状态做出准确的判定，提升了寻孔方法的适用性和准确性。

上述寻孔方法优选，在接触状态判定步骤中，在未转动轴端时轴向力小于第一阈值的情况下，判定为无偏差状态；在绕第一旋转轴或第二旋转轴分别向两方向转动轴端时，在向其中一方向转动时轴向力减小，且向另一方向转动时轴向力增大的情况下，判定接触状态为轴端相对于目标孔仅存在向该另一方向的一侧的偏差的单方向偏差状态；在绕第一旋转轴或第二旋转轴分别向两方向转动轴端时，在向两方向转动时轴向力均不超过比第一阈值大的规定的第二阈值的情况下，判定接触状态为轴端相对于目标孔仅存在向该两方向中的某一方向的一侧的偏差，但偏差方向不确定的单轴偏差状态；在绕第一旋转轴和第二旋转轴分别向两方向转动轴端时，轴向力均超过第二阈值的情况下，判定接触状态为存在在第一旋转轴的方向上的偏差和在第二旋转轴的方向上的偏差的双方向偏差状态。

由此，能够判定多种接触状态，实现应对复杂的接触状态做出准确的判定，提升了适用性和准确性。

上述寻孔方法优选，在接触状态是单方向偏差状态的情况下，在纠偏调整步骤中，进行向该偏差方向相反的方向移动轴端的纠偏调整。

由此，能够高效的完成寻孔，提升了寻孔效率。

上述寻孔方法优选，在接触状态是单轴偏差状态的情况下，在纠偏调整步骤中，进行使轴端在该存在偏差的方向上以规定步长分别向两侧移动规定的距离的纠偏调整，规定的距离最多等于在该存在偏差的方向上力控范围的边缘与目标孔的边缘的间距，间距是根据轴端的尺寸确定的。

由此，能够应对复杂的接触状态而准确有效的完成寻孔，并能够避免插错孔的情况发生。

上述寻孔方法优选，在接触状态是双方向偏差的情况下，在纠偏调整步骤中，在第一旋转轴的方向上移动轴端，在移动规定步长后，基于接触状态判定步骤再次判定接触状态，直至判定为接触状态是轴端相对于目标孔仅存在第二旋转轴的方向上的偏差。

由此，能够应对复杂的接触状态而准确有效的完成寻孔，并能够避免插错孔的情况发生。

上述寻孔方法优选，寻孔方法针对凸多边形的轴端及孔端，至少一个旋转轴包括穿过轴端的中心点、且与凸多边形的各个边平行的多个旋转轴，接触状态包括轴端与目标孔在与多个旋转轴中的各个旋转轴正交的方向上的偏差，在纠偏调整步骤中，针对轴端进行与偏差的方向对应的纠偏调整。

由此，能够应对复杂的接触状态做出准确的判定，提升了寻孔方法的适用性和准确性。

上述寻孔方法优选，寻孔方法针对圆形的轴端及孔端，至少一个旋转轴包括穿过轴端的圆心、且相互正交的两个旋转轴，接触状态包括轴端与目标孔在两个旋转轴中的各个旋转轴的方向上的偏差，在纠偏调整步骤中，针对轴端进行与偏差的方向对应的纠偏调整。

由此，能够应对复杂的接触状态做出准确的判定，提升了寻孔方法的适用性和准确性。

此外，本发明的实施方式还提供一种寻孔装置，是针对轴端向多个孔端中的目标孔寻孔的寻孔装置，其特征在于，具备：保持部，使轴端能够转动地保持轴端；传感器，测定作用于轴端的轴向力；控制部，控制轴端以使轴端位于包围目标孔的力控范围内；使轴端绕在轴端上且穿过轴端的中心点的至少一个旋转轴转动，测定作用于轴端的轴向力的变化，并根据轴向力的变化判定轴端和目标孔的接触状态；根据接触状态，针对轴端进行特定轨迹的纠偏调整。

由此，能够将上述的寻孔方法应用于寻孔装置，实现与上述的寻孔方法同样的有益效果。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式涉及的寻孔装置1的功能结构的框图。

图2是表示由控制部14执行的寻孔方法的流程图。

图3是表示力控范围的一个具体例的示意图。

图4是用于说明轴线2绕旋转轴旋转时轴向力变化的原理的示意图。

图5是表示针对方形的轴端21及目标孔31可能出现的典型的接触状态的示意图。

图6(a)是表示绕一个旋转轴转动轴线2时轴向力的变化规律的一种情况的示意曲线图。

图6(b)是表示绕一个旋转轴转动轴线2时轴向力的变化规律的一种情况的示意曲线图。

图6(c)是表示绕一个旋转轴转动轴线2时轴向力的变化规律的一种情况的示意曲线图。

图6(d)是表示绕一个旋转轴转动轴线2时轴向力的变化规律的一种情况的示意曲线图。

图7是表示左右转动及上下转动的动态轴向力信息与接触状态的对应关系的表格。

图8是表示右偏差状态下的纠偏调整的步骤的流程图。

图9是表示左右偏差状态下的纠偏调整的步骤的流程图。

图10是表示双方向偏差状态下的纠偏调整的步骤的流程图。

图11是表示圆形的轴端和孔端的接触状态的示意图。

图12是表示六边形的轴端的示意图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的具体实施方式进行说明。其中，下述说明只是为了方便理解本发明而举出的例子，不用于限定本发明的范围。在具体实施方式中，装置所具备的部件可以根据实际情况变更、删减或追加，方法的步骤可以根据实际情况变更、删减、追加或改变顺序。

图1是表示本发明的一实施方式涉及的寻孔装置1的功能结构的框图。

如图1所示，本发明的一实施方式涉及的寻孔装置1具备保持部11、传感器12、摄像机13及控制部14。此外，在图1中，示出了利用寻孔装置1实现轴线2向孔列阵3中的目标孔31的寻孔及装配。

保持部11保持轴线2，通过移动保持部11，完成轴线2向孔列阵3中的目标孔31的寻孔及装配。在本实施方式中，通过控制保持部11的姿态，使保持部11以轴线2在误差容许的范围内约垂直于孔列阵3所在的平面的方式保持轴线2。如图1所示，设孔列阵3所在的平面为yz平面，轴线2在垂直于yz平面的x方向上被保持。

保持部11例如是气动夹爪，利用压缩空气作为保持力来夹取轴线2，根据任务的需要，能够完成多次夹线和多次插线。并且，通过机械力或电动力等控制保持部11，使轴线2能够平行于yz平面移动寻孔、且能够在一定的与x方向的夹角范围内转动。此外，保持部11不限于此，例如也可以是液压式夹爪、电动式夹爪或机械手等。只要能够保持轴线2，并使轴线2能够平行于yz平面移动寻孔、且能够在一定的与x方向的夹角范围内转动即可。

传感器12是力传感器，至少检测作用于轴线2的在轴线2所在的方向(x方向)上的轴向力。传感器12既可以配置在保持部11，也可以是单独安装的力传感器。

摄像机13例如是固定相机或随动相机，用于拍摄轴线2与孔列阵3的位置关系实现粗寻孔。摄像机13既可以内置于寻孔装置1，也可以是单独配置的摄像机。此外，也可以不设置摄像机13，而通过其他方式确定轴线2与孔列阵3的位置关系实现粗寻孔。

控制部14基于由传感器12获取的力信号、以及由摄像机13获取的图像信息，按照特定的算法对保持部11进行控制，实现轴线2向目标孔31的寻孔及装配。例如可以通过具备处理器及存储器等的计算机或专用的硬件集成电路实现控制部14的功能。此外，也可以将有关程序存储在记录介质中，通过由计算机的处理器执行该程序实现控制部14的功能。后文详述有关控制部14执行的寻孔方法。

轴线2例如是端面的直径为一至两毫米、且具有一定柔性的线缆。此外，轴线2的尺寸及物理特性不限于此，例如端面的直径也可以是三十至四十毫米，也可以并非柔性的线缆而是刚性轴。作为靠近孔列阵3的轴线2的端面的轴端21约平行于yz平面。在本实施方式中，如图1所示，以轴端21形状是方形的情况为例进行说明。

孔列阵3密集排列有多个孔，其中孔的形状及大小与轴端21的形状及大小匹配。在本实施方式中，以孔的形状是方形为例进行说明。所谓密集排列有多个孔，例如是指孔列阵3中的多个孔的间距小于轴端21的直径。此外，本实施方式不限于针对密集排列有多个孔的孔列阵的情形。在本实施方式中，设孔列阵3中多个孔排布在yz平面，多个孔的深度方向是x方向。目标孔31表示多个孔中的待与轴线2进行装配的孔。

以下，具体说明由控制部14执行的寻孔方法。图2是表示由控制部14执行的寻孔方法的流程图。

首先，在步骤S101中，由控制部14控制保持部11完成粗寻孔。具体而言，控制保持部11保持的轴线2以使轴端21位于包围目标孔31的力控范围内。所谓力控范围，是指基于视觉观察等对保持部11进行力控，以实现在针对密集孔端进行寻孔时不出现插错孔的情况的精度范围。针对密集孔端进行寻孔时，若不限定力控范围，则无法判断哪个孔才是目标孔31，进而会出现插错孔的情况。比如当轴端21接触在左右两个孔之间的隔板时，力觉无法判断出轴端21是处于左边孔的右边缘，还是右边孔的左边缘。在本实施方式中，基于视觉观察由摄像机13获取的图像信息，控制保持部11实现控制轴端21位于力控范围内的粗寻孔。此外，实现粗寻孔的方式可以采用任意的方式，例如也可以不设置摄像机13，而通过由光电传感器等其他设备获得的参数信息或预设算法实现粗寻孔。

图3是表示力控范围的一个具体例的示意图。在图3中示出的虚线框内的范围即力控范围，实线框表示待轴线2插入的目标孔31。由此可见，力控范围是由目标孔31向外延伸一定范围得来的、包围目标孔31的范围。只要轴端21的最外边缘进入力控范围以内，便可利用实施方式提出的面向密集孔端的寻孔方法进行寻孔。此外，力控范围的边缘与目标孔31的边缘的间距例如是根据轴端21的尺寸而决定的。在图3所示的具体例中，bw、hw分别指轴端21的宽度及高度，α和β是指预先设定的系数。为了保证寻孔方法的鲁棒性，优选α和β的值小于0.5，更优选α和β的值取0.4。由此，在图3所示的具体例中，设目标孔31的宽度及高度分别为Lt和Wt，则优选力控范围的宽为Lt+2*0.4bw，力控范围的高为Wt+2*0.4hw。

由此，通过进行基于力控范围的粗寻孔，在针对密集排布的多个孔进行寻孔时能够避免插错孔的情况发生，提高了寻孔的准确性和效率性。

之后，基于动态力信息进行力控精细寻孔。首先，在步骤S102中，进行轴端21与目标孔31的接触状态判定。具体而言，使轴线2绕位于轴端21且穿过轴端21的中心点的至少一个旋转轴分别向两方向转动，测定作用于轴端21的轴向力的变化，并根据轴向力的变化判定轴端21和目标孔的接触状态。

图4是用于说明轴线2绕旋转轴旋转时轴向力变化的原理的示意图。在图4中，旋转轴O位于轴端21且穿过轴端21的中心点，其方向与z方向(垂直于纸面的方向)平行，从而使轴线2向在y方向上的两方向(+y及-y方向)旋转。当轴线2绕旋转轴O旋转时，轴端21与目标孔31的接触线对轴端21有一个轴向(x方向)上的反作用力f，如下式(1)所示，f的大小与端面与目标孔31接触位置的虚位移δ成正比，即

f＝Kδ＝KRsina式(1)

其中，K表示轴端21的轴向刚度，R表示轴端21的边缘与目标孔31的接触线到旋转轴O的距离，a表示相对于虚位移δ的转动的角度。

在图4中，轴线2位于目标孔31的右侧(-y方向)。在向右侧(-y方向)转动轴线2时，轴端21与目标孔31的接触线出现在偏转方向上，即向轴端21与目标孔31周围的隔板的有接触重叠的方向偏转，虚位移δ增大，反作用力f(即由传感器12检测到的X轴的轴向力)也会跟着增大。另一方面，在向左侧(+y方向)转动轴线2时，轴端21与目标孔31的接触线不出现在偏转方向上，即向轴端21与目标孔31周围的隔板的无接触重叠的方向偏转，虚位移δ减小，反作用力f(即由传感器12检测到的X轴轴向力)也会跟着减小。由此，通过检测出向右侧转动时轴向力逐渐增大，向左侧转动时轴向力逐渐增大，能够判定出轴线2位于目标孔31的右侧。

由此可见，根据轴端21与目标孔31的接触状态，在向两方向旋转轴线2时轴向力的变化不同。因此，通过检测在上述转动时的轴向力的变化，能够判定不同的接触状态。例如，通过如图4所示的使轴线2绕z方向上的旋转轴转动，能够判定轴端21与目标孔31在y方向上的接触状态。与通过单个的静态力信号的判定相比，通过向两方向转动时一系列的力信号的变化特征进行接触状态判定，避免了由于因不确定因素及干扰因素等而某个力信号失真或区别不大导致无法正确判定，提升了接触状态判定的准确性和稳定性。

在本实施方式中，考虑按照固定的规则进行向两方向的转动。具体而言，考虑先从未转动的初始状态向逆时针方向转动a°，然后反向即向顺时针方向转动2a°，最后再向逆时针方向转动a°，回到轴线2的最初的姿态。其中，角度a°例如等于10°。此外，转动的方式不限于此，例如也可以先向顺时针方向转动等其他转动方式。

此外，为了能够判定出多种不同的接触状态，优选旋转轴包括相互正交的两个旋转轴(第一旋转轴和第二旋转轴)，通过绕该两个旋转轴中的各个旋转轴分别向两方向转动轴线2，判定在该两个旋转轴方向上轴端21与目标孔31的接触状态。

在本实施方式中，以轴端21及目标孔31形状是方形，并且两个旋转轴穿过方形的中心且分别与y轴及与z轴平行为例进行说明。

图5是表示针对方形的轴端21及目标孔31可能出现的典型的接触状态的示意图。图6(a)、图6(b)、图6(c)及图6(d)分别是表示绕一个旋转轴转动轴线2时轴向力的变化规律的一种情况的示意曲线图。以下，设y方向为左右方向，z方向为上下方向。具体而言，设+y方向为左方向、-y方向为右方向、+z方向为上方向、-z方向为下方向。图5的(a)表示轴端21位于目标孔31的左侧的左偏差状态。考虑绕z方向的旋转轴先向左转动a°(时间t1～t2)、再向右转动2a°(时间t2～t4)、最后再向左转动a°(时间t4～t5)的左右转动过程中，其轴向力的变化如图6(a)所示，向左转动时由于虚位移δ增大，故轴向力增大；向右转动时由于虚位移δ减小，故轴向力减小。图5的(b)表示轴端21位于目标孔31的右侧的右偏差状态。同理可知，在左右转动过程中，其轴向力的变化如图6(b)所示先变小再变大，最后再次减小。图5的(c)表示轴端21位于目标孔31的上方的上偏差状态。同理可知，在绕y方向的旋转轴先上转动a°(时间t1～t2)、再向下转动2a°(时间t2～t4)、最后再向上转动a°(时间t4～t5)的上下转动过程中，其轴向力的变化如图6(a)所示先变大再变小，最后再次增大。图5的(d)表示轴端21位于目标孔31的下方的下偏差状态。同理可知，在上下转动过程中，其轴向力的变化如图6(b)所示先变小再变大，最后再次减小。

此外，上述分析是以轴端21的中心点附近确实地落入了目标孔31的孔内为前提条件做出的。然而，针对密集排布有多个孔的孔列阵3而言，有轴端21的中心点附近未落入孔内的状态，即该中心点附近接触在目标孔31的边缘隔板的状态。例如，假设在如图5的(a)所示的左偏差状态中，轴端21的中心点附近与目标孔31和目标孔31左侧的孔之间隔板相接触。则在此状态下，绕穿过该中心点的旋转轴向两方向转动时轴向力的区别不大，且值均较小，其轴向力的变化例如如图6(c)所示，在向左转动a°(时间t1～t2)时由于虚位移δ小幅增大，故轴向力小幅增大；再向右转动a°(时间t2～t3)时由于虚位移δ小幅减小，故轴向力小幅减小；在向右转动a°(时间t3～t4)时由于虚位移δ小幅增大，故轴向力小幅增大；再向左转动a°(时间t4～t5)时由于虚位移δ小幅减小，故轴向力小幅减小。此外，在该状态下轴向力的变化不限于图6(c)示出的情况，也可以是其他的变化规律，但在向两方向转动时轴向力的区别不大，且值均较小这点上是共同的。关于如图5的(b)、(c)、(d)所示的偏差状态，如果轴端21的中心点附近接触在目标孔31的边缘隔板，则出现类似的轴向力变化情况。

此外，图5的(e)、(f)、(g)、(h)分别表示轴端21位于目标孔31的左上方、右上方、左下方即右下方的双方向偏差状态，即在y、z两个方向上均存在偏差的状态。在该状态下，轴向力的变化如图6(d)所示，在向左转动a°(时间t1～t2)时由于虚位移δ增大，故轴向力增大；再向右转动a°返回初始状态(时间t2～t3)时由于虚位移δ减小，故轴向力减小；在向右转动a°(时间t3～t4)时由于虚位移δ增大，故轴向力增大；再向左转动a°返回初始状态(时间t4～t5)时由于虚位移δ减小，故轴向力减小。即向左转及向右转时轴向力的区别不大，但值均能增大为较大的值。此外，在该状态下，上下转动过程中的轴向力的变化与左右转动过程中类似，也是如图6(d)所示的变化规律。

此外，图5的(i)表示轴端21完全落入目标孔31中的状态，即无偏差的状态。在该状态下，无需转动轴线2而轴向力小于规定的阈值，是寻孔完成的标志。以后，将无偏差的状态下的轴向力小于的规定的阈值称为第一阈值，该第一阈值可以根据具体情况适当地决定。

由此，通过左右转动及上下转动轴线2，并测定作用于轴端21的轴向力的动态力信息，能够判定出多种的接触状态。图7是表示左右转动及上下转动的动态轴向力信息与接触状态的对应关系的表格。如图7的(a)的前两行及图7的(b)的前两行所示，在左右转动过程或上下转动过程中出现向一方向转动时轴向力增大，向另一方向转动时轴向力减小的情况下，即出现如图6(a)或图6(b)所示的轴向力的变化情况时，能够对应判定出轴端21与目标孔31之间的接触状态仅是图5的(a)、(b)、(c)、(d)中的哪个，即能够判定出单方向偏差状态。

并且，如图7的(a)的第三行及图7的(b)的第三行所示，在左右转动过程或上下转动过程中，当向两方向转动时轴向力的值区别不大且均较小(未超过第二阈值)的情况下，即出现例如图6(c)所示的轴向力的变化情况时，判定为轴端21与目标孔31仅在确定旋转轴所对应的转动方向上偏差，但无法确定具体的偏差方向是左偏差还是右偏差(或上偏差还是下偏差)，即判定为左右偏差或上下偏差的单轴偏差状态。

并且，如图7的(a)的第四行及图7的(b)的第四行所示，在上下转动过程或上下转动过程中，当向两方向转动时轴向力均能增大为较大的值(超过第二阈值)的情况下，即出现如图6(d)所示的轴向力的变化情况时，判定为在与该转动方向正交的转动方向上存在偏差的状态。如果在上下转动过程和上下转动过程中都出现如图6(d)所示的轴向力的变化情况时，则判定为同时存在上下偏差和左右偏差，即能够判定双方向偏差状态。

此外，所谓的第二阈值，是为了对图6(c)和图6(d)所示的轴向力的变化情况加以区分而设定的，该第二阈值大于第一阈值，可以根据具体情况适当地决定。

根据以上的说明，仅通过上下转动或左右转动中的至少一种转动方式，就能够判定出单方向偏差状态和单轴偏差状态。此外，仅通过上下转动和左右转动的两种转动方式，就能够判定出包括单方向偏差状态、单轴偏差状态及双方向偏差状态在内的多种接触状态。由此，根据本实施方式，极大地提升了接触状态判定的效率和准确性。

之后，返回图2，在步骤S103中，控制部14根据在步骤S102中判定出的接触状态，控制保持部11针对轴端21进行特定轨迹的纠偏调整。具体而言，根据不同的接触状态，控制部14特定不同的算法，控制保持部11使轴线2在yz平面上平移，并在该平移的过程中由传感器12检测作用于轴端21的轴向力。直至该轴向力小于规定的第一阈值时，判定为完成轴线2向目标孔31的寻孔，并进行轴与孔的装配。以下，具体说明在不同的接触状态的情况下执行的不同的纠偏调整的算法。

首先，若在S102中判定为接触状态是轴端21与目标孔31之间无偏差的无偏差状态，例如是如图5的(i)所示的状态，则无需纠偏调整而完成寻孔，能够直接进行轴与孔的装配。

此外，若在S102中判定为接触状态是轴端21与目标孔31之间仅存在确定方向的偏差的单方向偏差状态，例如是如图5的(a)、(b)、(c)、(d)中任一所示的状态，则进行向该偏差方向相反的方向移动轴线2的纠偏调整。以下，以右偏差为例说明纠偏调整的详细步骤。图8是表示右偏差状态下的纠偏调整的步骤的流程图。如图8所示，在步骤S201中，控制部14控制保持部11使轴线2向左方向移动规定步长。该规定步长可以根据纠偏调整的精度需求适当地决定。接着，在步骤S202中，控制部14判定由传感器12检测出的轴向力是否小于规定的第一阈值。传感器12既可以是连续地检测轴向力，也可以是按照步长等规定频率断续地检测轴向力。在判定为轴向力不小于第一阈值的情况下(步骤S202中判定为“否”)，返回步骤S201。在判定为轴向力小于第一阈值的情况下(步骤S202中判定为“是”)，进行步骤S203，输出完成寻孔的信号，进行轴与孔的装配。

此外，关于其他的单方向偏差状态下的纠偏调整，与右偏差状态类似。

由此，高效地完成了单方向偏差状态下的寻孔，提升了寻孔效率。

此外，若在S102中判定为接触状态是轴端21与目标孔31之间仅存在在确定旋转轴对应的转动方向上的偏差、但具体方向不确定的单轴偏差状态，例如是左右偏差状态或上下偏差状态，则进行使轴线2在该存在偏差的方向上分别向两侧移动规定的距离的纠偏调整。其中，规定的距离最多等于在该存在偏差的方向上力控范围的边缘与目标孔31的边缘的间距。如上所述，在步骤S101的粗寻孔中，为了避免插错孔，控制部14控制轴端21位于包围目标孔31的力控范围内。因此，在步骤S103的纠偏调整中，应基于该限定的力控范围移动轴线2。具体而言，在无法确定具体的偏差方向的情况下，若轴端21向一方向移动超过在该存在偏差的方向上力控范围的边缘与目标孔31的边缘的间距后完成寻孔，会导致轴线2误插入位于目标孔31周围的其他孔。此外，在设定力控范围时，α和β的值应越接近0.5，单轴偏差状态发生的可能性就越大，可以通过缩小力控范围，即减小α和β的值，来避免目标孔31的边缘接触在轴端21的中心附近时导致左右转动或上下转动时的动态力信息区别不够显著的情况，从而减少甚至避免单轴偏差状态的发生。

以下，以左右偏差状态为例为例说明纠偏调整的详细步骤。图9是表示左右偏差状态下的纠偏调整的步骤的流程图。首先，在步骤S301中，控制部14控制保持部11使轴线2向左方向移动规定步长。该规定步长可以根据纠偏调整的精度需求适当地决定。该向左方向的移动是由于无法判定具体是左偏差或右偏差而进行的主动探索动作，也可以控制保持部11使轴线2先向右方向移动。接着，在步骤S302中，控制部14判定由传感器12检测出的轴向力是否小于规定的第一阈值。在判定为轴向力不小于第一阈值的情况下(步骤S302中判定为“否”)，进行步骤S303。在判定为轴向力小于第一阈值的情况下(步骤S302中判定为“是”)，进行步骤S307，输出完成寻孔的信号，进行轴与孔的装配。在步骤S303中，控制部14判定向左方向移动的距离是否超过了距离D，该距离D等于在左右方向上力控范围的边缘与目标孔31的边缘的间距，即例如图3所示的αbw的距离。控制部14判定移动距离的方式例如是根据该规定步长与距离D的比例关系，移动若干次数的该规定步长后判定为移动的距离超过了距离D。但不限于此，例如也可以是通过距离传感器等判定移动距离。为了保证寻孔效果，应适当地决定该规定步长小于距离D，例如该规定步长等于距离D的1/10。在判定为向左方向移动的距离未超过距离D的情况下(步骤S303中判定为“否”)，返回步骤S301。在判定为向左方向移动的距离超过了距离D的情况下(步骤S303中判定为“是”)，进行步骤S304。

在步骤S304中，控制部14控制保持部11使轴线2向右方向移动规定步长。接着，在步骤S305中，控制部14判定由传感器12检测出的轴向力是否小于规定的第一阈值。在判定为轴向力不小于第一阈值的情况下(步骤S305中判定为“否”)，进行步骤S306。在判定为轴向力小于第一阈值的情况下(步骤S305中判定为“是”)，进行步骤S307，输出完成寻孔的信号，进行轴与孔的装配。在步骤S306中，控制部14判定向右方向移动的距离是否超过了两倍于距离D的距离2D。在判定为向右方向移动的距离未超过距离2D的情况下(步骤S306中判定为“否”)，返回步骤S304。在判定为向右方向移动的距离超过了距离2D的情况下(步骤S306中判定为“是”)，说明本次流程未能成功寻孔，结束流程。

此外，关于上下偏差状态等其他的单轴偏差状态下的纠偏调整，与左右偏差状态类似。

由此，在不确定具体偏差方向的单轴偏差状态，通过基于力控范围进行主动探索，能够高效、准确的寻孔，并且使寻孔方法适用于无法判定轴孔具体接触状态的情况，并且能够在针对密集排布的多个孔进行寻孔时避免插错孔的情况发生。

此外，若在S102中判定为接触状态是轴端21与目标孔31之间存在在相互正交的两个旋转轴对应的转动方向上的偏差的双方向偏差状态，例如是如图5的(e)、(f)、(g)、(h)中任一所示的状态，则在其中一个旋转轴的方向上移动轴线2，在移动规定的步长后，基于步骤102中的处理再次判定接触状态，直至判定为接触状态是轴端21相对于目标孔31仅存在与该旋转轴正交的方向上的偏差。

以下，具体说明纠偏调整的详细步骤。图10是表示双方向偏差状态下的纠偏调整的步骤的流程图。首先，在步骤S401中，控制部14控制保持部11使轴线2向上方向移动规定步长。该向上方向的移动是由于无法判定具体是上偏差或下偏差而进行的主动探索动作，也可以控制保持部11使轴线2先向下方向移动。接着，在步骤S402中，与在步骤S102中的方式一样地，左右转动轴线2判定轴端21与目标孔31的接触状态。具体而言，基于图7的(a)的前三行判定接触状态是否为左偏差、右偏差、或左右偏差中的任一种。接着，在步骤S403中，控制部14判定在步骤S402中判定出的接触状态是否为左偏差、右偏差、或左右偏差中的任一种，即判定是否仅存在左右方向上的偏差。在判定为并非仅存在左右方向上的偏差的情况下(步骤S403中判定为“否”)，进行步骤S404。在判定为仅存在左右方向上的偏差的情况下(步骤S403中判定为“是”)，进行步骤S409，输出接触状态转换为仅左右方向上的偏差的信号，接着，根据接触状态具体是左偏差、右偏差、或左右偏差中的哪一种，按照对应的纠偏调整的算法进行纠偏调整。在步骤S404中，控制部14判定向上方向移动的距离是否超过了距离D。在判定为向上方向移动的距离未超过距离D的情况下(步骤S404中判定为“否”)，返回步骤S401。在判定为向上方向移动的距离超过了距离D的情况下(步骤S404中判定为“是”)，进行步骤S405。

在步骤S405中，控制部14控制保持部11使轴线2向下方向移动规定步长。接着，在步骤S406中，左右转动轴线2判定轴端21与目标孔31的接触状态。接着，在步骤S407中，控制部14判定在步骤S406中判定出的接触状态是否为左偏差、右偏差、或左右偏差中的任一种，即判定是否仅存在左右方向上的偏差。在判定为并非仅存在左右方向上的偏差的情况下(步骤S407中判定为“否”)，进行步骤S408。在判定为仅存在左右方向上的偏差的情况下(步骤S407中判定为“是”)，进行步骤S409，输出接触状态转换为仅左右方向上的偏差的信号，接着，根据接触状态具体是左偏差、右偏差、或左右偏差中的哪一种，按照对应的纠偏调整的算法进行纠偏调整。在步骤S408中，控制部14判定向下方向移动的距离是否超过了距离2D。在判定为向下方向移动的距离未超过距离2D的情况下(步骤S408中判定为“否”)，返回步骤S405。在判定为向下方向移动的距离超过了距离2D的情况下(步骤S408中判定为“是”)，说明本次流程未能成功寻孔，结束流程。

此外，以在上下方向上移动轴线2并通过左右方向转动轴线2判定接触状态，使接触状态转化成仅存在左右方向上的偏差为例进行了说明。然而，也可以是在左右方向上移动轴线2并通过上下方向转动轴线2判定接触状态，使接触状态转化成仅存在上下方向上的偏差。

由此，在判定为同时存在两个相互正交的方向上的偏差的双方向偏差的情况下，通过在进行主动探索动作的过程中融合基于动态力信号的接触状态判定，减少了主动探索动作所需的尝试次数，能够高效地使接触状态转变为单方向偏差状态或单轴偏差状态。之后，能够按照单方向偏差状态或单轴偏差状态下的算法进行纠偏调整。由此，使纠偏调整能够应对复杂的接触状态而准确有效的完成寻孔。使寻孔方法能够适用于无法判定轴孔具体接触状态的情况，并且能够在针对密集排布的多个孔进行寻孔时避免插错孔的情况发生。

在上述的说明中，以轴端21及孔端的形状为方形为例进行了说明。然而，轴端21及孔端的形状不限于此，只要孔端的形状与轴端21形状匹配，并且能应用上述的寻孔方法进行寻孔及装配即可。

(第一变形例)

第一变形例的寻孔方法针对圆形的轴端及孔端进行寻孔。对于第一变形例中与上述实施方式相同的部分，省略或简化具体说明。第一变形例在将轴端及孔端的形状变化成圆形这点上，与上述实施方式不同。

针对圆形的轴端及目标孔，首先，在步骤S101中，控制保持部11保持的轴线以使轴端位于包围目标孔的力控范围内。该力控范围例如是与目标孔同心、且半径比目标孔大的范围。此外，为了提升算法的稳定性，优选设置力控范围以使轴端和目标孔各自的圆心的位置偏差小于轴端的半径，更优选轴端和目标孔各自的圆心的位置偏差小于轴端的半径的0.4倍。

在步骤S102中，绕穿过轴端的圆心、且相互正交的两个旋转轴转动轴线，判定轴端与目标孔在该两个旋转轴中的各个旋转轴的方向上的偏差。该两个旋转轴例如是yz平面的左右方向(y方向)上的旋转轴和上下方向(z方向)上的旋转轴。

图11是表示圆形的轴端和孔端的接触状态的示意图。如图11所示，以轴端圆心O为旋转中心，让轴先后进行左右转动与上下转动，然后分别对比左转与右转，上转与下转的力变化规律，确定接触状态。根据如式(1)所示的虚位移原理，当圆形的轴端在目标孔外的部分在轴转动探索的过程中接触作为阻碍物的孔与孔之间的隔板，则产生较大的虚位移，因而作用在轴端的轴向力也较大。另外，在向圆形的轴端在孔内的部分所在的方向进行转动时，则虚位移较小，故产生的轴向力也较小。由此，通过例如以yz平面的左右方向(y方向)和上下方向(z方向)上的轴为旋转轴进行转动，能够判定包括在y方向或z方向上的确定方向的单方向偏差状态、在y方向或z方向上的不确定方向的单轴偏差状态、在y方向和z方向上及均存在偏差的双方向偏差状态。

此外，当轴和孔的圆心位置偏差小于轴端的半径时，则轴端的圆形边缘与旋转轴相交的四个交点总会至少有一个落在目标孔中。而其它在孔外的交点在轴转动探索的过程中，将因在孔外接触在阻碍物上产生较大的虚位移，因而轴向力也较大。而向落在目标孔中的交点所在的方向进行转动时，虚位移较小，故产生的作用力也较小。因此也可以将转动过程中产生的轴向力较小的一边作为孔中心的方向，即纠偏方向。

在步骤S103中，根据在步骤S102中判定出的接触状态，向判定出存在偏差的方向的反向移动轴线而完成寻孔。此外，在判定为存在多个方向上的偏差的情况下，经过若干次接触状态判定与纠偏调整，最终实现轴孔对齐，完成寻孔。

(第二变形例)

第二变形例的寻孔方法针对凸多边形的轴端及孔端进行寻孔。对于第二变形例中与上述实施方式或第一变形例相同的部分，省略或简化具体说明。第一变形例在将轴端及孔端的形状变化成凸多边形这点上，与上述实施方式不同。

首先，在步骤S101中，控制保持部11保持的轴线以使轴端位于包围目标孔的力控范围内。为了提升算法的稳定性，优选设置力控范围以使该凸多边形的轴端的至少一个边完全在孔内。

步骤S102中，除了绕穿过轴端的中心、且相互正交的两个旋转轴转动轴线以外，还可以绕穿过轴端的中心、分别平行于凸多边形的每个边的多个旋转轴转动轴线，判定轴端与目标孔在与该多个旋转轴中的各个旋转轴正交的方向上的偏差。此外，对于轴端属于轴对称形状的凸多边形轴孔(如六边形、八边形等)，可以只在其中一半的边长方向及其反方向上转动探索，因为其中一半的边长方向的反方向，就是剩余一半边长所在的方向。

以下，以六边形的轴端及孔端为例进行说明。图12是表示六边形的轴端的示意图。如图12所示六边形轴的六个顶点依次标为P1，P2，P3，P4，P5，P6。六边形的轴线存在六条边，分别称为P12，P23，P34，P45，P56，P61。考虑穿过六边形轴的轴端的中心的三条旋转轴，分别是P1和P4两顶点的连线称为旋转轴L1，P2和P5两顶点的连线称为旋转轴L2，P3和P6两顶点的连线称为旋转轴L3。每条旋转轴的垂直方向上存在两条边，例如L1旋转轴的垂直方向上存在P23和P56两条边，L2旋转轴的垂直方向上存在P34和P61两条边，L3旋转轴的垂直方向上存在P12和P45两条边。当轴端接触到孔表面后，在进行偏差方向识别时，通过使轴线分别绕旋转轴L1、L2、L3进行三次旋转，观察力的变化规律，判定接触状态。

在轴线分别绕旋转轴L1、L2、L3进行三次旋转时，若绕某个旋转轴旋转过程中，顺时针转动与逆时针转动动态力信息区别较大，则表明在该旋转轴的垂直方向存在位置偏差。根据如式(1)所示的虚位移原理，当绕其中某旋转轴转动轴线时，当旋转轴垂直方向上的某条边位于孔中，而旋转轴垂直方向上的另外一条边位于孔外隔板上时，向一方向转动时轴向力减小、向另一方向转动时轴向力增大，例如出现如图6(a)或图6(b)所示的轴向力变化曲线，则说明存在与该旋转轴正交的方向上的偏差。由此，能够判定在与该多个旋转轴中的各个旋转轴正交的方向上的偏差。

在步骤S103中，根据在步骤S102中判定出的接触状态，向判定出存在偏差的方向的反向移动轴线而完成寻孔。此外，在判定为存在多个方向上的偏差的情况下，经过若干次接触状态判定与纠偏调整，最终实现轴孔对齐，完成寻孔。

以上参照附图说明了本发明的实施方式。其中，以上说明的实施方式仅是本发明的具体例子，用于理解本发明，而不用于限定本发明的范围。本领域技术人员能够基于本发明的技术思想对实施方式进行各种变形、组合和要素的合理省略，由此得到的方式也包括在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种寻孔方法，是针对轴端向多个孔端中的目标孔寻孔的寻孔方法，其特征在于，具备如下步骤：

粗寻孔步骤，控制所述轴端以使所述轴端位于包围所述目标孔的力控范围内；

接触状态判定步骤，使所述轴端绕在所述轴端上且穿过所述轴端的中心点的至少一个旋转轴转动，测定作用于所述轴端的轴向力的变化，并根据所述轴向力的变化判定所述轴端和所述目标孔的接触状态；

纠偏调整步骤，根据所述接触状态，针对所述轴端进行特定轨迹的纠偏调整。

2.如权利要求1所述的寻孔方法，其中，

在所述纠偏调整步骤中，进行所述轴向力的检测，并针对所述轴端进行特定轨迹的纠偏调整直至所述轴向力小于规定的第一阈值。

3.如权利要求2所述的寻孔方法，其中，

所述至少一个旋转轴包括第一旋转轴和与所述第一旋转轴正交的第二旋转轴，

所述接触状态包括所述轴端与所述目标孔在所述第一旋转轴的方向上的偏差、以及在所述第二旋转轴的方向上的偏差，

在所述纠偏调整步骤中，针对所述轴端进行与所述偏差的方向对应的纠偏调整。

4.如权利要求3所述的寻孔方法，其中，

在所述接触状态判定步骤中，

在未转动所述轴端时所述轴向力小于所述第一阈值的情况下，判定为无偏差状态；

在绕所述第一旋转轴或所述第二旋转轴分别向两方向转动所述轴端时，在向其中一方向转动时所述轴向力减小，且向另一方向转动时所述轴向力增大的情况下，判定接触状态为所述轴端相对于所述目标孔仅存在向该另一方向的一侧的偏差的单方向偏差状态；

在绕所述第一旋转轴或所述第二旋转轴分别向两方向转动所述轴端时，在向两方向转动时所述轴向力均不超过比所述第一阈值大的规定的第二阈值的情况下，判定接触状态为所述轴端相对于所述目标孔仅存在向该两方向中的某一方向的一侧的偏差，但偏差方向不确定的单轴偏差状态；

在绕所述第一旋转轴和所述第二旋转轴分别向两方向转动所述轴端时，所述轴向力均超过所述第二阈值的情况下，判定接触状态为存在在所述第一旋转轴的方向上的偏差和在所述第二旋转轴的方向上的偏差的双方向偏差状态。

5.如权利要求4所述的寻孔方法，其中，

在所述接触状态是所述单方向偏差状态的情况下，

在所述纠偏调整步骤中，进行向与该偏差的方向相反的方向移动所述轴端的纠偏调整。

6.如权利要求4所述的寻孔方法，其中，

在所述接触状态是所述单轴偏差状态的情况下，

在所述纠偏调整步骤中，进行使所述轴端在该存在偏差的方向上以规定步长分别向两侧移动规定的距离的纠偏调整，所述规定的距离最多等于在该存在偏差的方向上所述力控范围的边缘与所述目标孔的边缘的间距，所述间距是根据所述轴端的尺寸确定的。

7.如权利要求4所述的寻孔方法，其中，

在所述接触状态是所述双方向偏差状态的情况下，

在所述纠偏调整步骤中，在所述第一旋转轴的方向上移动所述轴端，在移动规定步长后，基于所述接触状态判定步骤再次判定所述接触状态，直至判定为所述接触状态是所述轴端相对于所述目标孔仅存在所述第二旋转轴的方向上的偏差。

8.如权利要求1～7中任一项所述的寻孔方法，其中，

所述寻孔方法针对凸多边形的所述轴端及所述孔端，

所述至少一个旋转轴包括穿过所述轴端的中心点、且与所述凸多边形的各个边平行的多个旋转轴，

所述接触状态包括所述轴端与所述目标孔在与所述多个旋转轴中的各个旋转轴正交的方向上的偏差，

在所述纠偏调整步骤中，针对所述轴端进行与所述偏差的方向对应的纠偏调整。

9.如权利要求1～7中任一项所述的寻孔方法，其中，

所述寻孔方法针对圆形的所述轴端及所述孔端，

所述至少一个旋转轴包括穿过所述轴端的圆心、且相互正交的两个旋转轴，

所述接触状态包括所述轴端与所述目标孔在所述两个旋转轴中的各个旋转轴的方向上的偏差，

在所述纠偏调整步骤中，针对所述轴端进行与所述偏差的方向对应的纠偏调整。

10.一种寻孔装置，是针对轴端向多个孔端中的目标孔寻孔的寻孔装置，其特征在于，具备：

保持部，使所述轴端能够转动地保持所述轴端；

传感器，测定作用于所述轴端的轴向力；

控制部，控制所述轴端以使所述轴端位于包围所述目标孔的力控范围内；使所述轴端绕在所述轴端上且穿过所述轴端的中心点的至少一个旋转轴转动，测定作用于所述轴端的轴向力的变化，并根据所述轴向力的变化判定所述轴端和所述目标孔的接触状态；根据所述接触状态，针对所述轴端进行特定轨迹的纠偏调整。

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