CN114310878A - 基于力控的大质量零件人工引导装配方法、系统及介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于力控的大质量零件人工引导装配方法，包括：机器人初始位姿及六维力传感器初始力/力矩标定；获得待装配零部件重力参数标定；向所述待装配零部件施加外力和力矩；基于所述重力参数标定和所述六维力传感器采集数据，获取所述外力和力矩；根据所述外力力矩，驱动机器人运动。本发明用机器人代替现有技术中的人工装配，提高了装配部件时的稳定性，减少碰撞风险；其为一套工业机器人和力反馈交互集成的智能装配系统，能够精确调准零部件位姿，提高装配效率。

Description

基于力控的大质量零件人工引导装配方法、系统及介质

技术领域

本发明涉及机器人装配和控制技术领域，具体地，涉及基于力控的大质量零件人工引导装配方法、系统及介质。

背景技术

在卫星的装配过程中，工人需要对某些大质量、大体积的关键零部件进行装配。由于卫星产品主要属于单件生产模式，产品的多样化使得无法通过机器人示教的方式实现批量自动化装配。目前，这些大部件的装配还是主要依靠手工装配，或通过支架车完成辅助装配。手工装配存在的问题是无法稳定待装配部件，增加了装配过程中发生碰撞的风险；支架车辅助装配则无法根据装配位姿需求准确调节部件的位姿，且需要根据多样化的航天器进行定制，显著地增加了生产成本。现在，航天器产品的装配周期严重依赖于现场工人的操作经验，对装配质量有极大的影响，同时增加了部件发生碰撞的风险，这极大限制了卫星产能的提升。

目前，国内卫星的装配水平仍然以手工装配为主，或者通过支架车辅助装配的方式。这两种方式均严重依赖于现场工人的操作经验，无法精确调整位姿，而且在装配过程中容易发生碰撞，造成零部件的损坏。此外，由于装配仍然以手工装配为主，装配过程信息化水平很低，无法实时记录装配过程数据，成为改善装配工艺的一大障碍。同时，由于卫星产品多属于单件生产模式，无法通过机器人示教的方式实现批量自动化装配，所以针对这种小批量多样化的生产模式，提高装配软件的可重复利用水平同样具有重要意义。

经对现有技术进行检索，申请号为CN201410632155.7的中国发明，提供了一种机械手力控制装配装置及装配方法，其中机械手力控制装配装置包括：带有完整活动机构的机械手主体、控制系统、力传感器、夹手和设有夹具的装配平台；控制系统安装于机械手主体的内部；力传感器安装于机械手主体的端部且与控制系统连接；夹手安装于力传感器上；装配平台设于机械手主体的侧方，位于夹手的正下方。本发明利用压力识别装配，保证轴与孔的高精度装配。经分析，该发明不适用于大质量零件的装配，装配的种类十分有限；该发明也不适用于人工引导，其使用过程中不含有人机互动的过程

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于力控的大质量零件人工引导装配方法、系统及介质。

根据本发明的一个方面，提供一种基于力控的大质量零件人工引导装配方法，包括：

机器人初始位姿及六维力传感器初始力/力矩标定；

获得待装配零部件重力参数标定；

向所述待装配零部件施加外力和力矩；

基于所述重力参数标定和所述六维力传感器采集数据，获取所述外力和力矩；

根据所述外力力矩，驱动机器人运动。

优选地，所述机器人初始位姿及六维力传感器初始力/力矩标定，包括：

安装砝码至机器人末端；

根据所述六维力传感器的采集数据与理论数值的差距，调整机器人位姿，由原初始位姿P＝[X，Y，Z，A，B，C]调整为新的初始位姿P＝[X，Y，Z，A+ΔA，B+ΔB，C+ΔC]；

完成机器人初始位姿及六维传感器初始力/力矩标定。

优选地，所述获得待装配零部件重力参数(mg；x_p，y_p，z_p)标定，包括：

将待装配零部件安装至完成初始位姿标定的机器人末端，并获取六维力传感器的采集数据，并设立方程组：

解得mg，x_p及z_p的值；

控制机器人绕z_t轴旋转-90度，运动到位姿P＝[X，Y，Z，A+ΔA，B+ΔB，C+ΔC-90°]，设立方程

解得y_p的值。

优选地，所述基于重力参数和所述六维力传感器采集数据，获取所述外力和力矩，包括：

定义工具坐标系{T}相对于全局参考坐标系{S}的旋转矩阵为，

其中，α、β、γ定义为工具坐标系{T}相对于全局参考坐标系{S}的卡尔丹角；

基于所述旋转矩阵R，转换重力分量在工具坐标系{T}下的值

为，

基于所述重力分量的作用，对六维力传感器施加的力矩为，

获取当前机器人的位姿的六维力传感器的读数

分离出的外力和力矩，

优选地，所述根据外力和力矩，驱动机器人运动，包括：

所述分离出的外力/外力矩大于给定的阈值F_l或T_l时，则驱动机器人运动。

优选地，所述驱动机器人运动的控制策略，包括：

当至少一个外力大于等于F_l而三个外力矩都小于T_l时，则机器人末端沿着该大于等于F_l的力的方向平移一个步长S_T，如果同时有多于一个力大于等于F_l，则沿着这几个力方向的对称轴线平移运动；

当至少有一个外力矩大于等于T_l时，则机器人末端绕着该大于等于T_l的力矩的轴线旋转一个步长S_R，如果同时有多于一个力矩大于等于T_l，则绕着这几个力矩轴线的对称轴线旋转运动；

所有外力和外力矩都小于相应的阈值，则机器人停止运动。

根据本发明的第二个方面，提供一种基于力控的大质量零件人工引导装配系统，包括：

机器人，所述机器人执行零部件装配；

六维力传感器，所述六维力传感器安装于所述机器人末端，采集待装配零部件重力、外力和力矩的耦合值；

数据采集卡，所述数据采集卡采集所述六维力传感器的数据；

上位机，所述上位机接收所述数据采集卡的数据并进行处理，发送位姿执行指令指所述机器人执行零部件装配。

优选地，所述六维力传感器通过串口连接所述上位机。

优选地，所述机器人和上位机之间采用以太网进行连接，利用TCP/IP建立连接，通过机器人控制系统插件KRL-XML实现通讯。

根据本发明的第三个方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时可用于执行上述任一项方法，或，运行上述任一项所述的系统。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明用机器人代替现有技术中的人工装配，提高了装配部件时的稳定性，减少碰撞风险；其为一套工业机器人和力反馈交互集成的智能装配系统，能够精确调准零部件位姿，提高装配效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的一个实施例的基于力控的大质量零件人工引导装配方法的流程图；

图2为本发明的一个实施例的基于力控的大质量零件人工引导装配系统结构示意图；

图3为本发明的一个实施例中的客户端和服务器运行模式示意图；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，为本发明提供的一个实施例的一种基于力控的大质量零件人工引导装配方法的流程图，包括：

S1,机器人初始位姿及六维力传感器初始力/力矩标定；

S2,获得待装配零部件重力参数标定；

S3,操作人员在待装配零部件施加外力和力矩；

S4,基于重力参数标定和六维力传感器采集数据，获取外力和力矩；

S5,根据外力力矩，驱动机器人运动。

为了对机器人初始位姿和六维力传感器初始力和力矩进行精准标定，本发明提供一个优选实施例执行S1。将待装配零部件安装在机器人末端后，在操作者外力/力矩作用下，六维力传感器数据采集的数据是重力和外力/力矩的耦合值。在本实例中，包括两个坐标系，即如图1中所示意的工具坐标系{T}和全局参考坐标系{S}。

在施加外力和力矩前，六维力传感器的数据理论上只有沿y_t轴负向的力分量、沿x_t轴和z_t轴的力矩分量，而其余的三个分量为0。由于机器人在固定到地面时不能保证其参考坐标系的y_s轴严格与重力方向平行，因此当机器人处于上述初始位姿时，理论上为0的三个分量值也有不为0的数值出现，所以需要对机器人的初始位姿进行标定，使此三个数值尽可能接近0，以提高后续分离的外力和力矩的精度。

为实现上述标定过程，本实施例在机器人末端连接一个5kg的砝码，理论上在y_t轴负向的力分量为49N，而在x_t轴和z_t轴的力分量为0，y_t轴的力矩分量为0。利用机器人手持控制面板控制机器人末端轻微转动，改变机器人位姿P＝[X,Y,Z,A,B,C]中A、B和C的值，使得六维力传感器的数值和理论上尽可能接近，以此得到新的机器人初始位姿P＝[X,Y,Z,A+ΔA,B+ΔB,C+ΔC]，完成机器人初始位姿及六维力传感器初始力/力矩标定。

为了更加获得精准的待装配零部件重力参数标定，本发明提供一个优选实施例执行S2。为实现外力和力矩分析，需知道待装配零部件的质量参数(mg；x_p，y_p，z_p)，其中mg为待装配零部件的总重量，(x_p，y_p，z_p)为零部件质心相对于工具坐标系{T}的位置。

在机器人初始位姿时，六维力传感器的三个分量不为0，可得三个方程为：

通过上述方程可解得mg，x_p及z_p的值。

利用上位机控制机器人绕z_t轴旋转-90度，运动到位姿P＝[X，Y，Z，A+ΔA，B+ΔB，C+ΔC-90°]，此时可得另外一个方程：

利用此方程可解得y_p的值。通过上述过程即可完成待装配零部件重力参数的标定。

本发明提供一个优选实例执行S4，从六维力传感器采集的数据中，分离出外力和力矩。本实施例中，采用重力分量的耦合下，外力和力矩的分析算法。工具坐标系{T}相对于全局参考坐标系{S}的旋转矩阵为

其中，α、β、γ定义为工具坐标系{T}相对于全局参考坐标系{S}的卡尔丹角。根据此旋转矩阵，可得重力分量在工具坐标系下的值

为

在此重力分量的作用下，对六维力传感器施加的力矩为

假设在当前机器人的位姿情况下，六维力传感器的读数为

则分离出的外力和力矩为

基于上述实施例获得的外力和力矩，提供一个优选实施例执行S5。当上述分离出的外力和外力矩大于给定的阈值F_l或T_l时，则驱动机器人运动。其控制策略按照外力和力矩的大小分为3种情况：

(1)当至少一个外力大于等于F_l而三个外力矩都小于T_l时，则机器人末端沿着该大于等于F_l的力的方向平移一个步长S_T，如果同时有多于一个力大于等于F_l，则沿着这几个力方向的对称轴线平移运动。

(2)当至少有一个外力矩大于等于T_l时，则机器人末端绕着该大于等于T_l的力矩的轴线旋转一个步长S_R，如果同时有多于一个力矩大于等于T_l，则绕着这几个力矩轴线的对称轴线旋转运动。

(3)如果所有外力和外力矩都小于相应的阈值，则机器人停止运动。

当机器人末端零部件缓慢运动，与待装配零部件发生轻微碰撞时，会对末端零部件施加与操作者的外力及外力矩相反的力和力矩，使得分离出来的外力及外力矩会逐步减小，当小于给定的阈值时则机器人停止运动，因此在这种控制策略下，只要最后阶段的装配速度慢一些，即可保证装配过程中不会出现大的碰撞力和力矩。

上述力和力矩的阈值T_l、F_l及机器人运动步长S_T、S_R可根据现场实际情况进行设定，同时力传感器的精度及机器人本身的运动精度决定了装配过程的精度，因此只要力传感器的精度及机器人本身的精度够高，则装配质量和效率即可完全符合现场实际生产要求。

基于上述实施例的相同构思，本发明提供另一个实施例。如图2所示，为本实施例的一种基于力控的大质量零件人工引导装配系统的结构示意图，包括：机器人、六维力传感器、数据采集卡和上位机。机器人执行零部件装配；六维力传感器安装于机器人末端，采集待装配零部件重力、外力和力矩的耦合值；数据采集卡采集六维力传感器的数据；上位机接收数据采集卡的数据并进行处理，发送位姿执行指令指机器人执行零部件装配。

本实施例中，机器人采用KUKA，其具有六个自由度的运动能力，其实现平动或转动由操作人员施加的力或力矩的大小和方向决定，同时，机器人运动速度也可以通过上位机指定。在该系统的作用下，操作人员能够轻松完成大质量零部件的精密装配。

为了实现更佳通讯，本发明一个优选实施例。本实施例中的系统通讯主要包含两个方面，即六维力传感器和上位机间的通讯，以及上位机和机器人间的通讯。对于六维力传感器和上位机间的通讯，其通讯方式较简单，通过串口直接连接上位机，通过编写C++程序，将数据采集卡采集的数据直接传递到上位机进行处理。

对于上位机和机器人间的通讯则相对复杂，本实施例采用的是KUKA工业机器人，其和上位机间的通讯采用以太网进行连接，利用TCP/IP建立连接，通过KUKA控制系统插件KRL-XML实现通讯。Ethernet KRL-XML是一个可后载入的应用程序包，具有以下功能：通过EKI交换数据；接收外部系统的XML数据；将XML数据发送给外部系统；接收外部系统的二进制数据同时可将二进制数据发送给外部系统。此外，此应用程序包具有诸多特性：可将机器人控制系统和外部系统作为客户端或服务器；通过基于XML的配置文件配置连接；通过提交解释器读取和写入数据；从机器人解释器读取和写入数据；⑤通过外部系统发送Ping命令监控连接状态。

进一步的，图3为本实施例中的上位机和机器人之间的通讯模式，其采用的客户端-服务器运行模式，将上位机系统作为服务器，将机器人控制系统作为客户端。通过利用上位机发送对应XML格式的字符串给机器人控制系统，编写相应机器人程序解析此字符串实现机器人运动，同时将机器人的位姿转换为对应XML格式的字符串，实时反馈给上位机，利用上位机程序对其进行解析，得到机器人的实际位姿，以此完成上位机和机器臂间的通讯。

本发明提供一个具体应用实施例，针对目前卫星关键零部件装配过程中存在的效率低、精度差和接触力难以控制三大问题，对实际装配环境下基于工业机器人和六维力传感器的自动化装配技术进行合作研究，最终完成卫星装配方案的总体设计方案，并研制装配系统样机。进行装配试验，检验控制系统的精度与稳定性，以及实际的装配效果。最终形成完善的智能装配方案，满足卫星关键零部件装配的精度要求、速度要求以及安全性要求。在本实施例中，系统程序的逻辑包括三大块内容，包括硬件通讯程序逻辑、算法标定逻辑、KUKA执行逻辑。

硬件通讯程序流程图为：首先启动程序界面，点击控件连接力传感器，如果连接成功进入下一步，否则提示错误连接原因，同时会尝试重新连接。连接成功后，界面将采集的数据显示，同时可操作控件执行清零指令。之后点击控件连接KUKA，如果连接成功进入下一步，否则提示错误连接原因，同时会尝试重新连接。连接成功后，界面显示连接IP地址以及端口号，同时会实时显示采集的机器人位姿数据，以上便完成了硬件的通讯连接。

算法标定程序流程图为：在硬件建立连接后，进入安装标定过程，首先人为安装法兰盘同前，通过控件分步采集末端不同姿态数据，标定法兰盘重力以及质心位置，进一步通过内部算法实现法兰盘重力分解补偿。然后移动KUKA到合适位置安装工件，之后回零同理实现工件重力分解补偿。设定步距后通过控件启动力控，由前文的外力和力矩的分析算法(见具体实施方法)判断外部施加力和力矩的方向，并发送判定结果给下位机KUKA。

下位机KUKA在接收到上位机发布的指令后，下位机会开启主程序线程，根据指令判断将要运动的方向，然后根据步距执行机械臂运动，无外力状态则会停止运动。同时第二线程按照设定的时间发送位姿数据给上位机电脑。

本实施例的具体操作过程为：操作人员在待装配零部件上施加推力和力矩，数据采集卡采集六维力传感器的力和力矩信息并通过数据总线传递给上位机进行数据综合处理，将操作人员施加的推力/力矩从重力的耦合中分离出来，同时上位机判断操作人员施加的外力和力矩是否超过给定的阈值，如果超过则发送位姿执行指令给机器人控制系统执行相应的位姿运动，如果不超过则机器人静止不动。

其在实际应用中，该种基于力控的大质量零件人工引导装配系统达到了以下技术指标和效果：装配位置度误差小于0.1mm；装配过程中干涉力小于5N；装配效率较目前人工装配提高80％；通过卫星装配质量现场验证和验收。

基于上述实施例的相同构思，在本发明的其他实施例，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时可用于上述任一项所述的方法，或，运行上述任一项所述的系统。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。

Claims (10)

1.一种基于力控的大质量零件人工引导装配方法，其特征在于，包括：

进行机器人初始位姿及六维力传感器初始力和力矩标定；

进行待装配零部件重力参数标定；

向所述待装配零部件施加外力和力矩；

基于所述重力参数标定和所述六维力传感器的采集数据，获取所述外力和力矩；

根据所述外力和力矩，驱动机器人运动。

2.根据权利要求1所述的基于力控的大质量零件人工引导装配方法，其特征在于，所述机器人初始位姿及六维力传感器初始力和力矩标定，包括：

安装砝码至机器人末端；

根据所述六维力传感器的采集数据与理论数值的差距，调整机器人位姿，由原初始位姿P＝[X,Y,Z,A,B,C]，X,Y,Z为空间直角坐标系中三个平动方向对应的坐标值，A,B,C为空间直角坐标系中三个转动方向对应的角度，调整为新的初始位姿P＝[X,Y,Z,A+ΔA,B+ΔB,C+ΔC]，ΔA,ΔB,ΔC分别为空间直角坐标系中三个转动方向的调整量；

通过传感器完成机器人初始位姿及六维传感器初始力和力矩标定。

3.根据权利要求2所述的基于力控的大质量零件人工引导装配方法，其特征在于，所述获得待装配零部件重力参数(mg；x_p,y_p,z_p)标定，包括：

将待装配零部件安装至完成初始位姿标定的机器人末端，并获取六维力传感器的采集数据，并设立方程组

解得mg，x_p及z_p的值；其中，mg为重力，x_p、x_p和z_p分别为质心位置；

控制机器人绕z_t轴旋转-90度，运动到位姿P＝[X,Y,Z,A+ΔA,B+ΔB,C+ΔC-90°]，设立方程

解得y_p的值。

4.根据权利要求3所述的基于力控的大质量零件人工引导装配方法，其特征在于，所述基于重力参数和所述六维力传感器采集数据，获取外力和力矩，包括：

定义工具坐标系{T}相对于全局参考坐标系{S}的旋转矩阵为，

其中，α、β、γ定义为工具坐标系{T}相对于全局参考坐标系{S}的卡尔丹角；

基于所述旋转矩阵R，转换重力分量在工具坐标系{T}下的值

为，

基于所述重力分量的作用，对六维力传感器施加的力矩为，

获取当前机器人的位姿的六维力传感器的读数

分离出真实的外力和力矩为，

5.根据权利要求1所述的基于力控的大质量零件人工引导装配方法，其特征在于，所述根据外力和力矩，驱动机器人运动，包括：

所述分离出的外力或力矩大于给定的阈值F_l或T_l时，驱动机器人运动；

当至少一个外力大于等于F_l而三个外力矩都小于T_l时，则机器人末端沿着该大于等于F_l的力的方向平移一个步长S_T；

同时有多于一个力大于等于F_l，则沿着这几个力方向的对称轴线平移运动；

当至少有一个外力矩大于等于T_l时，则机器人末端绕着该大于等于T_l的力矩的轴线旋转一个步长S_R；

同时有多于一个力矩大于等于T_l，则绕着这几个力矩轴线的对称轴线旋转运动。

6.根据权利要求1所述的基于力控的大质量零件人工引导装配方法，其特征在于，所述根据外力和力矩，驱动机器人运动，还包括：所有外力和外力矩都小于相应的阈值，机器人停止运动。

7.一种基于力控的大质量零件人工引导装配系统，其特征在于，包括：

机器人，所述机器人执行零部件装配；

六维力传感器，所述六维力传感器安装于所述机器人末端，采集待装配零部件重力、外力和力矩的耦合值；

数据采集卡，所述数据采集卡采集所述六维力传感器的数据；

上位机，所述上位机接收所述数据采集卡的数据并进行处理，发送位姿执行指令指所述机器人执行零部件装配。

8.根据权利要求7所述的基于力控的大质量零件人工引导装配系统，其特征在于，所述六维力传感器通过串口与所述上位机连接。

9.根据权利要求7所述的基于力控的大质量零件人工引导装配系统，其特征在于，所述机器人和上位机之间采用以太网进行连接，利用TCP/IP建立连接，通过机器人控制系统插件KRL-XML实现通讯。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时可用于执行权利要求1-6中任一项所述的方法，或，运行权利要求7-9中任一项所述的系统。

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