CN114012716A

CN114012716A - 一种基于视觉定位和力控制的工业机器人轴孔装配方法

Info

Publication number: CN114012716A
Application number: CN202111110730.3A
Authority: CN
Inventors: 郭景悦; 王桂荣; 王君
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2021-09-23
Filing date: 2021-09-23
Publication date: 2022-02-08

Abstract

本发明公开了一种基于视觉定位和力控制的工业机器人轴孔装配方法，包括：步骤1、工业摄像机读到工件和孔在空间中的位置信息，发送至上位机；步骤2、上位机将位置信息通过逆运动学求得逆解；步骤3、工业机器人前往工件位置抓取工件，抓取后进行重力补偿，然后移动到孔的上方等待装配；步骤4、工业机器人执行轴孔装配任务，实时计算机器人末端的力控位姿偏差，在装配过程中微调工件位姿；步骤5、轴孔装配完成，松开夹爪进行下一项任务；该方法在轴孔位置不明确、缺少人工干预的条件下，依然可以实现轴孔的准确定位和工业机器人力控装配任务。

Description

一种基于视觉定位和力控制的工业机器人轴孔装配方法

技术领域

本发明涉及工业机器人的应用，具体的，涉及一种基于视觉定位和力控制的机器人轴孔装配技术。

背景技术

目前的工业机器人基本以位置控制为主，定位精度也非常高，能够达到0.02毫米以内，但是位置控制机器人却很难胜任与外界环境发生接触的任务，装配任务也是发生接触的任务之一。采用位置控制的机器人在轴孔装配过程中，出现微小的定位偏差就会产生非常大的作用力，造成机械臂的损伤。因此工业机器人进行装配任务时，需要一定的柔顺能力，针对轴孔装配中面临的卡阻、楔紧现象。因此，工业机器人的轴孔装配任务中，使工件顺利的插入孔中，又能使接触力保持在安全的范围内，是工业机器人装配需要解决的一个问题。

公开号为CN104057290A的专利公开了一种基于视觉和力反馈控制的机器人装配系统，仅在装配前期的工作中利用视觉和力反馈进行寻孔，但在装配过程中没有涉及。CN102218652A(一种利用机器人柔性实现轴孔装配的装置和方法）利用视觉传感器获取孔的中心位置，提供了一种在工件的位置和方位无法精确固定的情况下，将轴装入工件上的孔中的柔性装置，但该方法在轴孔装配过程中并没有实时监测六维力的信息。

发明内容

为了克服现有技术中螺旋搜孔速度较慢，装配过程中受力较大的问题，本发明的目的是提供一种基于视觉定位和力控制的工业机器人轴孔装配方法。在轴孔位置都不明确的条件下，实现对轴和孔位置信息的获取，插孔过程中通过力控制算法将接触力保持在适当的范围内，最后完成整个轴孔装配任务。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

根据本发明提供的基于视觉定位和力控制的工业机器人轴孔装配方法，包括工业机器人、控制柜、末端夹具、上位机、工业摄像机以及力传感器。

所述工业机器人与上位机相连接，上位机下发给工业机器人运动指令，工业机器人末端安装力传感器和末端夹具，力传感器与上位机相连接，给上位机发送三个力和三个力矩的信息。所述工业摄像机与上位机相连，向上位机传输图片和轴孔位置信息。

所述轴孔装配过程包括如下步骤：

步骤1、工业摄像机读到工件和孔在空间中的位置信息，发送至上位机；

步骤2、上位机将位置信息通过逆运动学求得逆解；

步骤3、工业机器人前往工件位置抓取工件，抓取后进行重力补偿，然后移动到孔的上方等待装配；

步骤4、执行轴孔装配任务，实时计算机器人末端的力控位姿偏差，在装配过程中微调工件位姿；

步骤5、轴孔装配完成，松开夹爪进行下一项任务；

所述工业机器人为六轴工业机器人，末端可达工作范围内笛卡尔空间中任意的位姿。

所述控制柜包括工业机器人的关节驱动器以及电气柜，可用于执行上位机发送的运动指令。

优选地，所述末端夹具为电动夹爪，可以对工件进行夹持，加持力180N以上。

所述力传感器为六维力传感器，安装在工业机器人末端法兰与末端夹具中间，可测得笛卡尔坐标系下三个方向的力和三个方向的力矩。

所述工业摄像机用于获取装配平台的清晰图像，寻找轴孔位置并反馈给上位机。

所述上位机需要分析所述力传感器采集到的数据与所述工业摄像机采集到的轴孔位置，采集所述控制柜内部。驱动器的编码器值，并驱动六关节到目标位置。

与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、现有的力控装配工业机器人大部分的定位是通过人工示教来完成，仅在示教好点位以后才能进行力控装配。这种方法只能解决轴孔装配过程中受力均匀可控，但是增加了人工成本。本发明采用视觉检测轴孔位置，将工业摄像机安装在工件的正上方，通过边缘检测算法实时监测图像中的轴孔，不仅省去了人工示教的成本问题，对于不同轴孔位置的装配作业也可以稳定运行；

2、本发明专利力控算法主要包括工件重力补偿算法和轴孔装配力控算法，将力传感器安装于工业机器人末端，实时监测机械臂的末端受力情况，使得轴孔装配过程更加平滑流畅，保证了装配过程中机械臂和工件不会出现损伤。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为工业机器人轴孔装配示意图。

图3为装配过程中受力波形图。

图4为视觉采集轴孔位置图。

图中：1-上位机；2-工控机；3-工业机器人；4-工业摄像头；5-力传感器；6-末端夹具。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明作进一步的详细说明。如图1所示，详细地说是如以下步骤进行：

步骤1、工业摄像机读到工件和孔在空间中的位置信息，发送至上位机，具体过程如下：

装配平台的视觉图像由工业摄像机采集并进行处理，首先将采集到的视频流截取十帧图像，把十张图像每一个像素点数值相加，然后除十得到一张平均后的图像，这样对多幅图像求平均的操作可以有效的减少噪声，增加采集图像的稳定性。设

~

为在视频流中抽取的十张图像，假设视频分辨率为

，图像为灰度图单通道，则每一个

元素都是一个

的二维矩阵，设得到的新图像为A，则取平均操作用下式表示：

这样得到的图像A实现了取平均减少单幅噪声的效果。如果采集出来的图像是RGB三通道的，需要先用以下公式将彩色图像转为灰度图：

G表示灰度图，RGB则表示彩色图像的红(red)、绿(green)、蓝(blue)三通道灰度值。之后需要根据得到的图像，基于图像边缘检测算法，找到工件和孔在空间中的位置信息。首先对图像进行高斯滤波，二维高斯公式为：

这样可以有效滤去理想图像中叠加的高频噪声(noise)，之后使用高斯滤波器进行梯度计算得到的滤波器，距离中心点越近的像素点权重越大，得到的图像使用非极大值抑制来寻找像素点局部最大值，将非极大值所对应的灰度值置0，这样可以剔除一大部分非边缘的像素点，最后使用双阈值进行边缘连接，将得到的图像与事先建立好的模型进行匹配，最后得到工件和孔在空间中的具体位置，如图4所示；

步骤2、上位机将位置信息通过逆运动学求得逆解，具体过程如下：

将步骤1得到的位置信息为二维信息，在进行逆运动学求解前，需要加入一个安全的z轴信息之后再进行求解，姿态为夹具垂直向下的方向。最后根据该姿态进行运动学求解，运动学求解算法使用Newton Raphson迭代法，串联机器人的运动方程为：

为工业机器人末端位姿，

为各关节转动的角度，

为工业机器人轴数，通常等于 6。对其进行泰勒展开取前两项得到：

其中

为工业机器人雅克比矩阵，最终得到迭代公式为：

最终经过多次迭代，求解出工业机器人达到工件与孔上方的各关节旋转角度；

步骤3、工业机器人前往工件位置抓取工件，抓取后进行重力补偿，然后移动到孔的上方等待装配，具体过程如下：

根据步骤2得到的逆解结果，驱动工业机器人前往工件上方，夹持工件后进行重力补偿算法，补偿掉力传感器测得工件重力带来误差，末端传感器测量坐标系与世界坐标系的相对旋转变化可以表示为：

分别补偿掉重力分量和力矩分量的值为：

其中，

为工件重力，

为重力在世界坐标系三个轴下的分量，

为转矩分量

为工件相对于工业机器人末端测量坐标系的质心位置；

步骤4、执行轴孔装配任务，实时计算机器人末端的力控位姿偏差，在装配过程中微调工件位姿，具体过程如下：

当机器人末端力传感器感受到外力作用时，则认为工件与插入孔发生接触，采用主动柔顺装配技术，测量末端受到的外力，调整末端的速度，导纳控制进行力控装配，建立工业机器人的导纳控制模型如下：

其中

，

，

分别为惯性特性，阻抗特性和刚度特性，需要根据装配环境调整适合的参数，改变工业机器人动力学属性，

为初始期望轨迹，

为新的期望位置，

为机械臂末端与外界接触力；

步骤5、轴孔装配完成，松开夹爪进行下一项任务，具体过程如下：

因为轴孔装配过程中受力并不均匀，所以需满足装配方向z轴的力大于6N，同时|插入深度-孔深度|<=2mm，则认为装配任务结束，驱动工业机器人回到零位，等待下一组装配任务。