CN114918659B

CN114918659B - 一种接头组件装配的柔性高精度控制方法

Info

Publication number: CN114918659B
Application number: CN202210756080.8A
Authority: CN
Inventors: 杨帆; 胡长明; 冯展鹰; 从梦磊; 孔祥龙
Original assignee: CETC 14 Research Institute
Current assignee: CETC 14 Research Institute
Priority date: 2022-06-29
Filing date: 2022-06-29
Publication date: 2024-01-16
Anticipated expiration: 2042-06-29
Also published as: CN114918659A

Abstract

本发明涉及一种接头组件装配的柔性高精度控制方法，基于横梁、机器人、上位机、视觉识别和装配模组等组成的硬件系统，以PLC作为控制中心，横梁、机器人作为动作执行主体，视觉作为定位引导，上位机作为算法处理核心，装配模组作为柔性执行元器件；将装配过程分为接头抓取、接头定位、安装孔位定位、组件装配、螺钉锁付五部分，对各个部分施行独立的控制策略。本发明有效提高了视觉识别的准确性和稳定性。在装配或抓取过程中，提出了自适应变阻抗控制策略，有效融合了机器人位置控制、阻抗控制以及末端元器件各自的特性，有效提高了设备的柔性，保证作业产品与接头的可靠性。

Description

一种接头组件装配的柔性高精度控制方法

技术领域

本发明涉及组件装配的控制方法领域，尤其涉及一种接头组件装配的柔性高精度控制方法。

背景技术

在某系列雷达产品生产过程中，存在着接头组件装配并锁附螺钉到面板上的工艺要求。采用现有人工装配存在着诸如劳动强大、装配质量难以统一等问题，伴随着智能制造的不断发展、人力成本的不断提高以及钳工等从业人员青黄不接，急需采用自动化设备来代替原有的手工作业进而满足生产需求。

目前现有的自动设备大多采用机器人(模组)+夹爪+电批的系统完成组件装配和螺钉锁付，其中机器人(模组)通过PLC采用位置控制实现对组件的定位，采用电机或气缸带动夹爪实现组件装配以及电机或气缸带动电批完成螺钉锁付。该种控制方法仅仅能满足组件装配过程对装配质量和装配精度要求较低的场景。当面向军工产品的高可靠性、高精度、高质量的工艺特点时，如采用上述控制方法，存在诸如对损伤组件和产品的情况，对产品质量和可靠性造成较大影响。故针对现有军工产品的工艺特点，需要提出一种能够满足军工产品高精度、高可靠性、高质量的工艺要求。

发明内容

为解决现有的技术问题，本发明提供了一种接头组件装配的柔性高精度控制方法。

本发明的具体内容如下：本发明基于横梁、机器人、上位机、视觉识别和装配模组等组成的硬件系统将接头组件装配分为了接头抓取、接头定位、安装孔位定位、组件装配、螺钉锁付等五部分。具体包括如下步骤：横梁移动到抓取位置、机器人关节控制运动到过渡点、机器人位置控制运动到抓取点、横梁二次定位、抓取接头、机器人抬高到安全高度、下相机对装配接头定位、横梁运动到作业孔位、计算补偿值并发送给机器人、机器人运动到补偿后的位置、装配接头、机器人转为阻抗控制、完成末端所有接头装配。

本发明以PLC作为控制中心，横梁、机器人作为动作执行主体，视觉作为定位引导，上位机作为算法处理核心，装配模组作为柔性执行元器件。其中PLC与上位机之间的通信方式为OPC与TCP相结合的方式，机器人与PLC之间的通信方式为Profinet总线方式，机器人与上位机之间通过PLC实现实时通信，PLC与视觉通信方式为TCP。

进一步的，在接头抓取过程中，上位机软件下发待安装孔位置给PLC控制器，PLC基于安装孔位置控制横梁移动到指定位置，横梁到位后发送到位信号给机器人，机器人运动轨迹分为2段，第一段采用关节控制模式运动到抓取的过渡点，第二段采用笛卡尔位置控制模式运动到抓取点。待机器人运动到位后，机器人反馈到位信号给PLC控制器，由于机器人与末端装配模组重量较大，在整个运动过程中横梁会产生一定的偏移值，故PLC控制器在收到机器人到位信号后对自身位置进行二次定位并在定位完成后反馈到位信号给机器人，机器人接收到PLC二次定位完成信号后，控制夹爪竖直气缸伸出，延时0.4s后，浮动头打开，抓取完成后控制夹爪气缸夹紧并控制竖直气缸缩回以及浮动头关闭以完成整个抓取任务。整个过程中通过横梁二次定位与机器人定位实现高精度的接头抓取，以浮动头与气缸组成的执行元器件实现抓取过程的柔性抓取。

进一步的，在接头定位过程中，其主要通过CCD相机对接头特征进行识别以实现对接头中心的定位。在本发明中采用支持向量机(SVM)、AdaBoost算法、模板匹配、旋转定位、找圆、求交点等融合的算法，其中采用支持向量机(SVM)根据CCD相机获取的实时照片输入到训练的分类模型中将抓取结果分为抓取成功与抓取失败2类，当抓取失败将报警信号反馈给PLC，当抓取成功后将CCD相机实时照片输入到AdaBoost算法得出与模板的匹配概率。将CCD相机实时照片输出到模板匹配、旋转定位、找圆以及求交点等识别算法中获取接头中心。最后基于AdaBoost算法得出与模板的匹配概率、识别中心、标定中心三者结合计算最终的旋转中心，以下为计算公式：

其中x_final、y_final为最终识别中心，x_cali、y_cali为标定中心，x_real、y_real为识别中心，β为匹配概率。

进一步的，在对安装孔位定位时，其计算中心的方式与接头定位过程相同。当获取到安装孔位中心后，采用以接头中心为旋转中心，上下相机获取的特征角度偏差为θ，将孔位中心绕着接头定位中心旋转角度偏差θ，将旋转后的结果与标定结果相比较获取X和Y方向的补偿值并将该值经PLC发送给机器人，以下为计算公式：

其中x_up、y_up、x_down、y_down分别为上下相机基于前述算法获取的中心，x_roat、y_roat为上相机获取的中心绕下相机获取中心旋转的角度偏差θ后的旋转中心值，x_cali、y_cali为标定时的旋转中心值，x_recup、y_recup为补偿值。

进一步的，当机器人获取了组件装配过程中的X和Y方向的补偿值时，机器人以位置控制模式运动到补偿后的指定位置，机器人到位后发送到位信号给PLC端，PLC端对横梁位置进行二次定位已补偿机器人在运动过程中由于自身重量较大导致的横梁误差。横梁运动到位后，机器人将控制模式更改为阻抗控制模式同时控制夹爪竖直气缸伸出，延时0.4s后浮动头打开，从而实现机器人与末端执行器系统均处于柔性控制模式，一方面保护待作业面板，另一方面保护接头密封圈不被损伤。接头装配完成后，相机识别各个螺钉孔的位置并带动电批实现螺钉孔的锁付任务。

进一步的，基于阻抗控制公式当设备处于装配接头过程中，其/>和/>均约定于0，故阻抗控制公式可简化为kx＝F，机器人实时将末端Z方向力经PLC传递给上位机，上位机获取到力后，根据工艺提出的接头最后受力，结合末端重量可计算获取末端刚度实时计算公式如下：

其中，F_Z为机器人经PLC传递给上位机的力矩值，G_末端为末端执行器的重力，F_max为接头工艺最大允许受力值，k为当前机械臂刚度矩阵，x为当前机械臂末端位姿矩阵。

机器人装配接头完成后，机器人抬高到安全高度到位后发送到位信息给PLC控制器，PLC收到后控制横梁运动到抓取接头指定位置，进行下一组接头装配任务。

在整个作业过程中，PLC、机器人、上位机、视觉对其收到的指令和发送的结果进行判断，如PLC对上位机发送的孔位信息与其横梁限位值进行判断以避免由于输入值有误对设备造成不必要的损伤等，该过程可实现整个系统即使受到不可预知的因素影响也保证产品与设备的安全性。

进一步的，PLC、机器人、上位机、视觉等四个系统不仅对各自分系统控制的组件提供限位等保护，同时也对各自输出的值提供核验以及对接收的数值再校验，如视觉补偿值不能大于5等，从而实现整个系统即使受到不可预知的因素影响也保证产品与设备的安全性。

本发明以军工产品高精度、高可靠性、高质量的装配工艺需求为基础，提出了一种面向军工产品接头组件装配的柔性高精度控制方法，该方法相比于现有常规方法在视觉方面提出了支持向量机(SVM)、AdaBoost算法、模板匹配、旋转定位、找圆、求交点等融合的算法，有效提高了视觉识别的准确性和稳定性。在装配或抓取过程中，提出了自适应变阻抗控制策略，有效融合了机器人位置控制、阻抗控制以及末端元器件各自的特性，有效提高了设备的柔性，保证作业产品与接头的可靠性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步阐明。

图1为本发明的系统总体布局图；

图2为本发明的通信流程图；

图3为本发明的动作流程图；

图4为本发明的视觉识别算法流程图。

具体实施方式

结合图1-图4，本发明的以PLC作为控制中心，横梁、机器人作为动作执行主体，视觉作为定位引导，上位机作为算法处理核心，装配模组作为柔性执行元器件，提出了一种接头组件装配的柔性高精度控制方法，该方法融合了将位置控制、阻抗控制、机器学习、视觉识别等算法，研制了一套改进的双视觉识别算法和机器人自适应阻抗控制算法，有效提高了装配的可靠性、稳定性以及质量，非常好的满足了军工产品高精度、高可靠性、高质量的装配工艺需求。

本发明基于横梁、机器人、上位机、视觉识别和装配模组等组成的硬件系统实现，其中机器人可沿横梁在XY方向运动，具体包括如下步骤：横梁移动到抓取位置、机器人关节控制运动到过渡点、机器人位置控制运动到抓取点、横梁二次定位、抓取接头、机器人抬高到安全高度、下相机对装配接头定位、横梁运动到作业孔位、计算补偿值并发送给机器人、机器人运动到补偿后的位置、装配接头、机器人转为阻抗控制、完成末端所有接头装配。

具体的，在接头抓取过程中，上位机软件下发待安装孔位置给PLC控制器，PLC基于安装孔位置控制横梁移动到指定位置，横梁到位后发送到位信号给机器人，机器人运动轨迹分为2段，第一段采用关节控制模式运动到抓取的过渡点，第二段采用笛卡尔位置控制模式运动到抓取点。待机器人运动到位后，机器人反馈到位信号给PLC控制器，由于机器人与末端装配模组重量较大，在整个运动过程中横梁会产生一定的偏移值，故PLC控制器在收到机器人到位信号后对自身位置进行二次定位并在定位完成后反馈到位信号给机器人，机器人接收到PLC二次定位完成信号后，控制夹爪竖直气缸伸出，延时0.4s后，浮动头打开，抓取完成后控制夹爪气缸夹紧并控制竖直气缸缩回以及浮动头关闭以完成整个抓取任务。整个过程中通过横梁二次定位与机器人定位实现高精度的接头抓取，以浮动头与气缸组成的执行元器件实现抓取过程的柔性抓取。

在接头定位过程中，其主要通过CCD相机对接头特征进行识别以实现对接头中心的定位。在本发明中采用支持向量机(SVM)、AdaBoost算法、模板匹配、旋转定位、找圆、求交点等融合的算法，其中采用支持向量机(SVM)根据CCD相机获取的实时照片输入到训练的分类模型中将抓取结果分为抓取成功与抓取失败2类，当抓取失败将报警信号反馈给PLC，当抓取成功后将CCD相机实时照片输入到AdaBoost算法得出与模板的匹配概率。将CCD相机实时照片输出到模板匹配、旋转定位、找圆以及求交点等识别算法中获取接头中心。最后基于AdaBoost算法得出与模板的匹配概率、识别中心、标定中心三者结合计算最终的旋转中心，以下为计算公式：

在对安装孔位定位时，其计算中心的方式与接头定位过程相同。当获取到安装孔位中心后，采用以接头中心为旋转中心，上下相机获取的特征角度偏差为θ，将孔位中心绕着接头定位中心旋转角度偏差θ，将旋转后的结果与标定结果相比较获取X和Y方向的补偿值并将该值经PLC发送给机器人，以下为计算公式：

当机器人获取了组件装配过程中的X和Y方向的补偿值时，机器人以位置控制模式运动到补偿后的指定位置，机器人到位后发送到位信号给PLC端，PLC端对横梁位置进行二次定位已补偿机器人在运动过程中由于自身重量较大导致的横梁误差。横梁运动到位后，机器人将控制模式更改为阻抗控制模式同时控制夹爪竖直气缸伸出，延时0.4s后浮动头打开，从而实现机器人与末端执行器系统均处于柔性控制模式，一方面保护待作业面板，另一方面保护接头密封圈不被损伤。接头装配完成后，相机识别各个螺钉孔的位置并带动电批实现螺钉孔的锁付任务。

基于阻抗控制公式当设备处于装配接头过程中，其/>和/>均约定于0，故阻抗控制公式可简化为kx＝F，机器人实时将末端Z方向力经PLC传递给上位机，上位机获取到力后，根据工艺提出的接头最后受力，结合末端重量可计算获取末端刚度实时计算公式如下：

PLC、机器人、上位机、视觉等四个系统不仅对各自分系统控制的组件提供限位等保护，同时也对各自输出的值提供核验以及对接收的数值再校验，如视觉补偿值不能大于5等，从而实现整个系统即使受到不可预知的因素影响也保证产品与设备的安全性。

本发明基于提出了双视觉组合算法以达到对安装接口与孔位的高精度定位，由于本发明中机器人处于置顶安装模式，末端重量较大，在整个装配过程中，机器人高速运动会对横梁的定位产生一定的影响，针对该问题提出了横梁二次定位的方法，保证装配过程和抓取过程中横梁的定位准备，以此军工产品的高精度、高可靠性、高质量的装配。相比于现有常规方法在视觉方面提出了支持向量机(SVM)、AdaBoost算法、模板匹配、旋转定位、找圆、求交点等融合的算法，有效提高了视觉识别的准确性和稳定性。在装配或抓取过程中，提出了自适应变阻抗控制策略，有效融合了机器人位置控制、阻抗控制以及末端元器件各自的特性，有效提高了设备的柔性，保证作业产品与接头的可靠性。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种接头组件装配的柔性高精度控制方法，其特征在于：基于横梁、机器人、上位机、视觉识别和装配模组组成的硬件系统，以PLC作为控制中心，横梁、机器人作为动作执行主体，视觉识别作为定位引导，上位机作为算法处理核心，装配模组作为柔性执行元器件；将装配过程分为接头抓取、接头定位、安装孔位定位、组件装配、螺钉锁付五部分，对各个部分施行独立的控制策略；

在接头定位过程中，主要通过CCD相机对接头特征进行识别以实现对接头中心的定位；

采用支持向量机算法根据CCD相机获取的实时照片输入到训练的分类模型中，将抓取结果分为抓取成功与抓取失败2类，当抓取失败将报警信号反馈给PLC，当抓取成功后将CCD相机实时照片输入到AdaBoost算法得出与模板的匹配概率；

将CCD相机实时照片输出到模板匹配、旋转定位、找圆以及求交点识别算法中获取接头中心；最后基于AdaBoost算法得出与模板的匹配概率、识别中心、标定中心，三者结合计算最终识别中心，以下为计算公式：

其中x_final、y_final为最终识别中心，x_cali、y_cali为标定中心，x_real、y_real为识别中心，β为匹配概率；

在对安装孔位定位时，其计算中心的方式与接头定位过程相同；

当获取到安装孔位中心后，采用以接头中心为旋转中心，上下相机获取的特征角度偏差为θ，将安装孔位中心绕着接头中心旋转角度偏差θ，将旋转后的结果与标定结果相比较获取X和Y方向的补偿值并将该值经PLC发送给机器人，以下为计算公式：

其中x_up、y_up、x_down、y_down分别为上下相机基于前述算法获取的安装孔位中心，x_roat、y_roat为上相机获取的中心绕下相机获取中心旋转的角度偏差θ后的旋转中心值，x_cali、y_cali为标定时的旋转中心值，x_recup、y_recup为补偿值。

2.根据权利要求1所述的接头组件装配的柔性高精度控制方法，其特征在于：装配过程包括：横梁移动到抓取位置、机器人关节控制运动到过渡点、机器人位置控制运动到抓取点、横梁二次定位、抓取接头、机器人抬高到安全高度、下相机对装配接头定位、横梁运动到作业孔位、计算补偿值并发送给机器人、机器人运动到补偿后的位置、装配接头、机器人转为阻抗控制、完成末端所有接头装配。

3.根据权利要求1所述的接头组件装配的柔性高精度控制方法，其特征在于：在接头抓取过程中，上位机软件下发待安装孔位置给PLC控制器，PLC基于安装孔位置控制横梁移动到指定位置，横梁到位后发送到位信号给机器人；

机器人运动轨迹分为两段，第一段采用关节控制模式运动到抓取的过渡点，第二段采用笛卡尔位置控制模式运动到抓取点，待机器人运动到位后，机器人反馈到位信号给PLC控制器；

PLC控制器在收到机器人到位信号后对自身位置进行二次定位并在定位完成后反馈到位信号给机器人，机器人接收到PLC二次定位完成信号后，控制夹爪竖直气缸伸出，延时后，浮动头打开，抓取完成后控制夹爪气缸夹紧并控制竖直气缸缩回以及浮动头关闭以完成整个抓取任务。

4.根据权利要求1所述的接头组件装配的柔性高精度控制方法，其特征在于：当机器人获取了组件装配过程中的X和Y方向的补偿值时，机器人以位置控制模式运动到补偿后的指定位置，机器人到位后发送到位信号给PLC端，PLC端对横梁位置进行二次定位以补偿机器人在运动过程中由于自身重量较大导致的横梁误差；横梁运动到位后，机器人将控制模式更改为阻抗控制模式同时控制夹爪竖直气缸伸出，延时后浮动头打开，从而实现机器人与末端执行器系统均处于柔性控制模式；接头装配完成后，相机识别各个螺钉孔的位置并带动电批实现螺钉孔的锁付任务。

5.根据权利要求4所述的接头组件装配的柔性高精度控制方法，其特征在于：基于阻抗控制公式当设备处于装配接头过程中，其/>和/>均约定于0，阻抗控制公式可简化为kx＝F，机器人实时将末端Z方向力经PLC传递给上位机，上位机获取到力后，根据工艺提出的接头最后受力，结合末端重量可计算获取末端刚度实时计算公式如下：

6.根据权利要求1所述的接头组件装配的柔性高精度控制方法，其特征在于：在整个作业过程中，PLC、机器人、上位机、视觉对其收到的指令和发送的结果进行判断。

7.根据权利要求1所述的接头组件装配的柔性高精度控制方法，其特征在于：PLC、机器人、上位机、视觉四个系统不仅对各自分系统控制的组件提供限位等保护，同时也对各自输出的值提供核验以及对接收的数值再校验。

8.根据权利要求1所述的接头组件装配的柔性高精度控制方法，其特征在于：PLC与上位机之间的通信方式为OPC与TCP相结合的方式，机器人与PLC之间的通信方式为Profinet总线方式，机器人与上位机之间通过PLC实现实时通信，PLC与视觉通信方式为TCP。