CN116766206A - 力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法、装置及设备 - Google Patents

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CN116766206A
CN116766206A CN202310945598.0A CN202310945598A CN116766206A CN 116766206 A CN116766206 A CN 116766206A CN 202310945598 A CN202310945598 A CN 202310945598A CN 116766206 A CN116766206 A CN 116766206A
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任昊
张炜才
何玉厚
张继文
陈玉成
程承
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Tsinghua University
Changhe Aircraft Industries Group Co Ltd
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Tsinghua University
Changhe Aircraft Industries Group Co Ltd
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Abstract

本申请涉及航空航天领域，特别涉及一种力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法、装置及设备。包括：基于预设的第一力位混合信息，控制工业机械臂根据目标长桁零件的长桁截面和长桁姿态抓取目标长桁零件；在工业机械臂抓取完成后，结合数模中敷设轨迹重规划工业机械臂轨迹得到配准轨迹；在工业机械臂到待装配位置后，基于配准轨迹和壁板的待敷设表面截面，控制工业机械臂调整目标长桁零件的姿态，并基于预设的第二力位混合信息，控制工业机械臂敷设目标长桁零件至壁板。由此，通过利用多模态传感器和辅助定位硬件，解决以长桁为代表的长条状钣金零件自动装配过程中的检测、控制问题，在工件姿态未知、刚性较弱等复杂工况下实现特定零件自动化装配。

Description

力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法、装置及设备
技术领域
本申请涉及航空航天领域，特别涉及一种力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法、装置及设备。
背景技术
在航空航天领域当中，长桁一般指长条状的钣金零件，可以用于敷设在薄壁金属壁板背面，用于强化壁板结构的抗弯、抗扭性能。长桁零件数量较多，本身刚性较弱，且装配需要保证长桁零件的位置精度、彼此平行度等等，需要人工反复费时费力地调整，存在大量重复性工作。
相关技术中，机器人自动敷设长桁是有效提升航空航天装配效率、减少人工重复工作的可行解决方案。
然而，长桁结构本身尺寸较长、截面形状复杂、本身刚性尤其是抗扭能力较弱的特点，使得长桁的自动敷设依然比较困难，亟待解决。
发明内容
本申请提供一种力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法、装置及设备，解决以长桁为代表的长条状钣金零件自动装配过程中的检测、控制问题，在工件姿态部分未知、刚性较弱等复杂工况下实现特定零件的自动化装配。
为达到上述目的，本申请第一方面实施例提出一种力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法，包括以下步骤：
获取目标长桁零件的长桁截面和长桁姿态，并基于预设的第一力位混合信息，控制工业机械臂根据所述长桁截面和所述长桁姿态抓取所述目标长桁零件；
在所述工业机械臂抓取完成后，结合数模中敷设轨迹重规划所述工业机械臂轨迹，得到配准轨迹；以及
在所述工业机械臂到待装配位置后，基于所述配准轨迹和壁板的待敷设表面截面，控制所述工业机械臂调整所述目标长桁零件的姿态，并基于预设的第二力位混合信息，控制所述工业机械臂敷设所述目标长桁零件至所述壁板。
根据本申请的一个实施例，所述控制工业机械臂根据所述长桁截面和所述长桁姿态抓取所述目标长桁零件，包括：
根据所述长桁截面和所述长桁姿态确定所述目标长桁零件的空间位置和空间姿态；
根据所述空间位置和所述空间姿态确定所述工业机械臂的抓取位置和抓取姿态；
根据所述抓取位置和所述抓取姿态抓取所述目标长桁零件。
根据本申请的一个实施例，所述空间位置和所述空间姿态分别为：
其中，为所述目标长桁零件的所述空间位置，/>为所述目标长桁零件的所述空间姿态，/>为长桁料架的定位二维码标记在端面测量相机测量坐标系中的姿态，/>为长桁料架的定位二维码标记在端面测量相机测量坐标系中的位置，/>为长桁零件的位置，为长桁零件的姿态，/>为端面测量相机测量坐标系在末端执行器中的位置，/>为端面测量相机测量坐标系在末端执行器中的姿态，/>为工业机械臂末端的位置，/>为工业机械臂末端的姿态。
根据本申请的一个实施例，所述抓取位置和所述抓取姿态分别为：
其中，为所述抓取位置，/>为所述抓取姿态，/>为截面测量线激光传感器在末端执行器中的位置，/>为截面测量线激光传感器在末端执行器中的姿态，Δypick为预留距离。
根据本申请的一个实施例，所述配准轨迹包括工业机械臂的目标位置和目标姿态，其中，所述目标位置和所述目标姿态分别为：
其中，为所述目标位置，/>为所述目标姿态，/>为待敷设壁板零件坐标系在工业机械臂坐标系中的位置，/>为待敷设壁板零件坐标系在工业机械臂坐标系中的姿态，为待敷设的长桁零件在数模中规定的理论位置，/>为待敷设的长桁零件在数模中规定的理论姿态，ΔyS为预设敷设开始的安全距离。
根据本申请的一个实施例，所述控制所述工业机械臂调整所述目标长桁零件的姿态，包括：
基于预设的调姿目标点位置和预设的调姿目标点姿态，控制所述工业机械臂调整所述目标长桁零件的姿态，其中，所述预设的调姿目标点位置和所述预设的调姿目标点姿态分别为：
其中，为所述预设的调姿目标点位置，/>为所述预设的调姿目标点姿态，为工业机械臂当前抓持长桁零件的位置，/>为工业机械臂当前抓持长桁零件的姿态，l0为长桁零件受到的潜在合力位置，ΔθC为预测z向角度偏差，ΔyV为垂直方向的力控补偿距离，ΔyC为截面测量线激光传感器实测沿y向截面误差，kadj为角度调整权重系数，L0为长桁长度方向尺寸，kv为导纳力控柔顺参数，FT为目标敷设力，F1、F2为长桁零件与壁板发生接触沿y向的接触力。
根据本申请实施例提出的力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法，通过基于预设的第一力位混合信息，控制工业机械臂根据目标长桁零件的长桁截面和长桁姿态抓取目标长桁零件，在工业机械臂抓取完成后，结合数模中敷设轨迹重规划工业机械臂轨迹得到配准轨迹，在工业机械臂到待装配位置后，基于配准轨迹和壁板的待敷设表面截面，控制工业机械臂调整目标长桁零件的姿态，并基于预设的第二力位混合信息，控制工业机械臂敷设目标长桁零件至壁板。由此，通过利用多模态传感器和辅助定位硬件，解决以长桁为代表的长条状钣金零件自动装配过程中的检测、控制问题，在工件姿态部分未知、刚性较弱等复杂工况下实现特定零件的自动化装配。
为达到上述目的，本申请第二方面实施例提出一种力位混合的长桁零件机器人自动敷设装置，包括：
第一控制模块，用于获取目标长桁零件的长桁截面和长桁姿态，并基于预设的第一力位混合信息，控制工业机械臂根据所述长桁截面和所述长桁姿态抓取所述目标长桁零件；
重规划模块，用于在所述工业机械臂抓取完成后，结合数模中敷设轨迹重规划所述工业机械臂轨迹，得到配准轨迹；
第二控制模块，用于在所述工业机械臂到待装配位置后，基于所述配准轨迹和壁板的待敷设表面截面，控制所述工业机械臂调整所述目标长桁零件的姿态，并基于预设的第二力位混合信息，控制所述工业机械臂敷设所述目标长桁零件至所述壁板。
根据本申请的一个实施例，所述第一控制模块，具体用于：
根据所述长桁截面和所述长桁姿态确定所述目标长桁零件的空间位置和空间姿态；
根据所述空间位置和所述空间姿态确定所述工业机械臂的抓取位置和抓取姿态；
根据所述抓取位置和所述抓取姿态抓取所述目标长桁零件。
根据本申请的一个实施例，所述空间位置和所述空间姿态分别为：
其中，为所述目标长桁零件的所述空间位置，/>为所述目标长桁零件的所述空间姿态，/>为长桁料架的定位二维码标记在端面测量相机测量坐标系中的姿态，/>为长桁料架的定位二维码标记在端面测量相机测量坐标系中的位置，/>为长桁零件的位置，为长桁零件的姿态，/>为端面测量相机测量坐标系在末端执行器中的位置，/>为端面测量相机测量坐标系在末端执行器中的姿态，/>为工业机械臂末端的位置，/>为工业机械臂末端的姿态。
根据本申请的一个实施例，所述抓取位置和所述抓取姿态分别为：
其中，为所述抓取位置，/>为所述抓取姿态，/>为截面测量线激光传感器在末端执行器中的位置，/>为截面测量线激光传感器在末端执行器中的姿态，Δypick为预留距离。
根据本申请的一个实施例，所述配准轨迹包括工业机械臂的目标位置和目标姿态，其中，所述目标位置和所述目标姿态分别为：
其中，为所述目标位置，/>为所述目标姿态，/>为待敷设壁板零件坐标系在工业机械臂坐标系中的位置，/>为待敷设壁板零件坐标系在工业机械臂坐标系中的姿态，为待敷设的长桁零件在数模中规定的理论位置，/>为待敷设的长桁零件在数模中规定的理论姿态，ΔyS为预设敷设开始的安全距离。
根据本申请的一个实施例，所述第二控制模块，具体用于：
基于预设的调姿目标点位置和预设的调姿目标点姿态，控制所述工业机械臂调整所述目标长桁零件的姿态，其中，所述预设的调姿目标点位置和所述预设的调姿目标点姿态分别为：
其中，为所述预设的调姿目标点位置，/>为所述预设的调姿目标点姿态，为工业机械臂当前抓持长桁零件的位置，/>为工业机械臂当前抓持长桁零件的姿态，l0为长桁零件受到的潜在合力位置，ΔθC为预测z向角度偏差，ΔyV为垂直方向的力控补偿距离，ΔyC为截面测量线激光传感器实测沿y向截面误差，kadj为角度调整权重系数，L0为长桁长度方向尺寸，kv为导纳力控柔顺参数，FT为目标敷设力，F1、F2为长桁零件与壁板发生接触沿y向的接触力。
根据本申请实施例提出的力位混合的长桁零件机器人自动敷设装置，通过基于预设的第一力位混合信息，控制工业机械臂根据目标长桁零件的长桁截面和长桁姿态抓取目标长桁零件，在工业机械臂抓取完成后，结合数模中敷设轨迹重规划工业机械臂轨迹得到配准轨迹，在工业机械臂到待装配位置后，基于配准轨迹和壁板的待敷设表面截面，控制工业机械臂调整目标长桁零件的姿态，并基于预设的第二力位混合信息，控制工业机械臂敷设目标长桁零件至壁板。由此，通过利用多模态传感器和辅助定位硬件，解决以长桁为代表的长条状钣金零件自动装配过程中的检测、控制问题，在工件姿态部分未知、刚性较弱等复杂工况下实现特定零件的自动化装配。
为达到上述目的，本申请第三方面实施例提出一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如上述实施例所述的力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法。
为达到上述目的，本申请第四方面实施例提出一种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，以用于实现如上述实施例所述的力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本申请实施例提供的一种力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法的流程图；
图2为根据本申请的一个实施例的长桁零件机器人自动敷设系统的示意图；
图3为根据本申请的一个实施例的长桁零件机器人自动敷设系统末端执行器传感器布置示意图；
图4为根据本申请的一个实施例的力、位混合调姿敷设过程的示意图；
图5为根据本申请实施例的力位混合的长桁零件机器人自动敷设装置的方框示意图；
图6为根据本申请实施例的电子设备的结构示意图。
附图标记：1-末端执行器、2-长桁零件、3-长桁料架、4-长桁零件、5-(六轴)工业机械臂、10-端面测量相机、11-截面测量线激光传感器、12-六维力/扭传感器、20-力位混合的长桁零件机器人自动敷设装置、100-第一控制模块、200-重规划模块、300-第二控制模块、601-存储器、602-处理器、603-通信接口。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面参照附图描述根据本申请实施例提出的力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法、装置及设备，首先将参照附图描述根据本申请实施例提出的力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法。
图1是本申请一个实施例的力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法的流程图。
在介绍本申请实施例提出的力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法之前，先简单介绍下力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法涉及的长桁零件机器人自动敷设系统和长桁零件机器人自动敷设系统中的末端执行器1。
如图2所示，长桁零件机器人自动敷设系统包括：末端执行器1、长桁零件2、长桁料架3、长桁零件4和(六轴)工业机械臂5。其中，末端执行器1携带抓取中的长桁零件2，安装在工业机械臂5末端，由工业机械臂5提供运动和调姿能力，携带长桁零件2运动，工业机械臂5还可以携带末端执行器1前往长桁料架3处对长桁料架3的定位二维码进行测量，获取长桁料架3以及长桁料架3上的长桁零件4的位置信息。
如图3所示，长桁零件机器人自动敷设系统中的末端执行器1包括以下测量设备：端面测量相机10、截面测量线激光传感器11和六维力/扭传感器12。其中，端面测量相机10可以对装配过程进行监测，并确定长桁端面位置；截面测量线激光传感器11可以对长桁零件2的抓取姿态进行测量，并进一步对待装配壁板的局部法矢进行测量；手爪和六维力/扭传感器12可以在抓取和敷设过程当中时刻，测量末端执行器1对长桁零件2的施力，并进一步通过接触模型判断长桁零件2与待装配壁板的接触关系。
具体地，如图1所示，该力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法包括以下步骤：
在步骤S101中，获取目标长桁零件的长桁截面和长桁姿态，并基于预设的第一力位混合信息，控制工业机械臂5根据长桁截面和长桁姿态抓取目标长桁零件。
具体而言，在长桁零件抓取过程中，首先需要测量目标长桁零件的长桁截面并识别长桁姿态，在预设的第一力位混合信息指导下控制工业机械臂5根据长桁截面和长桁姿态调整目标长桁零件的姿态并抓取目标长桁零件。
进一步地，在一些实施例中，控制工业机械臂5根据长桁截面和长桁姿态抓取目标长桁零件，包括：根据长桁截面和长桁姿态确定目标长桁零件的空间位置和空间姿态；根据空间位置和空间姿态确定工业机械臂5的抓取位置和抓取姿态；根据抓取位置和抓取姿态抓取目标长桁零件。
其中，在一些实施例中，空间位置和空间姿态分别为：
其中，为目标长桁零件的空间位置，/>为目标长桁零件的空间姿态，/>为长桁料架3的定位二维码标记在端面测量相机10测量坐标系中的姿态，/>为长桁料架3的定位二维码标记在端面测量相机10测量坐标系中的位置，/>为长桁零件4的位置，/>为长桁零件4的姿态，/>为端面测量相机10测量坐标系在末端执行器1中的位置，/>为端面测量相机10测量坐标系在末端执行器1中的姿态，/>为工业机械臂5末端的位置，/>为工业机械臂5末端的姿态。
进一步地，在一些实施例中，抓取位置和抓取姿态分别为：
其中，为抓取位置，/>为抓取姿态，/>为截面测量线激光传感器11在末端执行器1中的位置，/>为截面测量线激光传感器11在末端执行器1中的姿态，Δypick为预留距离。
具体而言，结合图2和图3所示，工业机械臂5携带末端执行器1，前往长桁料架3处，使用末端执行器1当中的端面测量相机10测量长桁料架3上的定位二维码标记，由此可以得到长桁料架3的定位二维码标记在端面测量相机10测量坐标系中的位置和姿态/>长桁料架3上的各个长桁零件4的位置和姿态被仿形托架约束，可以被独立计算得到长桁零件4位置/>和姿态/>其中，i对应长桁料架3上的不同长桁零件4；端面测量相机10测量坐标系在末端执行器1中的位置/>和姿态/>可以通过标定得到，工业机械臂5末端位置/>和姿态/>可以通过机械臂控制器采集。此时，基于齐次变换原理，可以得到任意长桁料架3中长桁零件4的空间理论位置/>和姿态/>如式(1)所示。
进一步地，定义长桁零件4的坐标原点为长桁中部的理论位置，如图3所示，抓取前预留一定距离Δypick供截面测量线激光传感器11测量，截面测量线激光传感器11在末端执行器1中的位置和姿态/>同样可以通过标定得到，且截面测量线激光传感器11在末端执行器1中的姿态/>与端面测量相机10测量坐标系在末端执行器1中的姿态/>相同，此时，驱动工业机械臂5到达待抓取料架中长桁零件4的抓取位置/>和抓取姿态/>如式(2)所示。
更进一步地，使用截面测量线激光传感器11测量得到实际长桁零件4的坐标系位置和x向偏角Δθx，记为理论位置的增量，位置差为HΔP＝[0 Δyh Δzh]T，姿态变换矩阵为HM，即长桁零件4绕长度方向的转动，其旋转矩阵记为HM＝rotx(Δθx)。
需要说明的是，参考图3，在笛卡尔空间坐标系中，长桁零件4沿x向平动，沿y向和z向转动被长桁料架3约束。
工业机械臂5调姿后接近料架中长桁零件4，使用替换/>使用/>替换/>重新计算抓取长桁零件4的抓取位置/>和抓取姿态/>经过调姿，视为手爪和六维力/扭传感器12的坐标系与长桁零件4的坐标系重合，此时沿/>方向运动，平行接近长桁零件4。
基于预设的第一力位混合信息，控制工业机械臂5根据长桁截面和长桁姿态调整目标长桁零件的姿态并抓取目标长桁零件，接近过程中，工业机械臂5可以监控沿进给方向上的运动量，两台六维力/扭传感器12可以监测末端执行器1与长桁零件4的接触力。如图4所示，接触力F1、F2主要沿y向，接触力的差异表现了长桁零件4沿z向的微小转动误差，在这一过程中，截面测量线激光传感器11始终监控长桁零件4沿y向距离和沿x向转动角度，确保末端执行器1与长桁零件4保持平行并接触，使得接触力F1和F2相等并在y向达到阈值FT，最终手爪和六维力/扭传感器12中的手爪合并，抓持料盘中长桁零件4，并沿一开始运动方向反向脱离长桁料架3之后，即为末端执行器1夹持的长桁零件2，跟随工业机械臂5运动。
在步骤S102中，在工业机械臂5抓取完成后，结合数模中敷设轨迹重规划工业机械臂5轨迹，得到配准轨迹。
可以理解的是，在工业机械臂5携带长桁零件2时，结合数模中敷设轨迹重规划工业机械臂5轨迹，计算得到配准后轨迹，最终运动到待敷设位置。
其中，在一些实施例中，配准轨迹包括工业机械臂5的目标位置和目标姿态，其中，目标位置和目标姿态分别为：
其中，为目标位置，/>为目标姿态，/>为待敷设壁板零件坐标系在工业机械臂5坐标系中的位置，/>为待敷设壁板零件坐标系在工业机械臂5坐标系中的姿态，/>为待敷设的长桁零件2在数模中规定的理论位置，/>为待敷设的长桁零件2在数模中规定的理论姿态，ΔyS为预设敷设开始的安全距离。
具体而言，如图3所示，在敷设任务前，通过工件坐标系配准，可以得到待敷设壁板零件坐标系在工业机械臂5坐标系中的位置和姿态/>对于待敷设的长桁零件2，在数模中规定的理论位置和姿态可以记为/>和姿态/>与壁板敷设侧表面贴合，需要说明壁板可能包含平面壁板和弧形壁板，弧形壁板每个待敷设长桁零件2的坐标系存在差异，但局部坐标系的x向轴线相互平行。长桁敷设一般沿局部坐标系-y方向，预设敷设开始的安全距离为ΔyS，此时得到重规划的工业机械臂5轨迹的目标位置/>和姿态/>如式(3)所示。
进一步地，工业机械臂5沿空间运动到目标位置和目标姿态，并完成运动过程中的避障等任务，运动过程中两台端面测量相机10全程监控长桁零件2和末端执行器1的周围环境，避免潜在的碰撞。
在步骤S103中，在工业机械臂5到待装配位置，基于配准轨迹和壁板的待敷设表面截面，控制工业机械臂5调整目标长桁零件的姿态，并基于预设的第二力位混合信息，控制工业机械臂5敷设目标长桁零件至壁板。
进一步地，在一些实施例中，控制工业机械臂5调整目标长桁零件的姿态，包括：基于预设的调姿目标点位置和预设的调姿目标点姿态，控制工业机械臂5调整目标长桁零件的姿态，其中，预设的调姿目标点位置和预设的调姿目标点姿态分别为：
其中，为预设的调姿目标点位置，/>为预设的调姿目标点姿态，/>为工业机械臂5当前抓持长桁零件的位置，/>为工业机械臂5当前抓持长桁零件的姿态，l0为长桁零件2受到的潜在合力位置，ΔθC为预测z向角度偏差，ΔyV为垂直方向的力控补偿距离，ΔyC为截面测量线激光传感器11实测沿y向截面误差，kadj为角度调整权重系数，L0为长桁长度方向尺寸，kv为导纳力控柔顺参数，FT为目标敷设力，F1、F2为长桁零件2与壁板发生接触沿y向的接触力。
具体而言，在长桁零件敷设过程中，测量壁板待敷设表面截面，控制工业机械臂5调整目标长桁零件(即长桁零件2)的姿态，接近壁板，在第二力位混合信息指导下，控制工业机械臂5敷设长桁零件2至壁板。由于壁板结构刚性较弱，且长桁敷设任务对操作精度和平行度要求较高，此时壁板存在潜在变形的趋势，导致长桁实际铺设的位置偏离于数模位置。当长桁零件2接近壁板待铺设位置时，利用截面测量线激光传感器11对长桁零件2及壁板进行测量，并测量壁板与长桁零件2安装表面的交角ΔθD，壁板与长桁零件2安装平面的潜在距离，当壁板零件存在一定弧度时，壁板的安装平面采用弧度圆拟合推算得到。当交角超过阈值时，视为壁板变形过大，此时需要暂停任务；当交角ΔθD小于一定阈值，且在一批零件的装配过程中保持稳定时，视为壁板装配误差较小。截面测量线激光传感器11对长桁零件2和壁板的测量重点输出了沿长桁坐标系y向与理论位置的位置误差ΔyD和沿x向的转动误差ΔθD，进而基于工业机械臂5目标位置/>和目标姿态/>推算得到壁板结构待敷设局部相较于理论位置/>和理论姿态/>的相对误差，实测位置/>和实测姿态/>可以表示为：
实测位置和实测姿态/>是壁板零件在潜在变形后，理论数模在变形平面上的投影，当位置误差ΔyD和转动误差ΔθD较小时，实测位置能够保证长桁零件2之间的距离。调姿后的工业机械臂5运动到待敷设位置/>和姿态/>沿/>方向可以将长桁敷设到壁板上。
更进一步地，基于预设的第二力位混合信息，控制工业机械臂5敷设目标长桁零件至壁板，进给过程中，工业机械臂5监控沿进给方向上的运动量，截面测量线激光传感器11实时监控了长桁零件2的姿态和与壁板的相对距离，两台六维力/扭传感器12监测了长桁零件4与壁板的接触力。接触力F1和F2主要沿y向，接触力的差异表现了长桁零件相对于壁板沿z向的微小转动误差，表征了壁板零件潜在变形在z向方向的转动，两台端面测量相机10在此过程中全程监控端面与壁板的接触过程，不对称的接触力F1和F2表征了z向转动的潜在误差，并指导基于预设的第二力位混合信息，控制工业机械臂5敷设目标长桁零件至壁板的过程。
由此，本申请可以通过采集截面、端面、位置、力信息，指导工业机器人完成长桁零件的自动抓取、自动转运和自主敷设，具有定位精度高、姿态准确、力控过程柔顺、装配效率高的特点，能够有效指导长桁零件机器人自动敷设过程。
为便于本领域技术人员的理解，下面结合潜在场景进一步描述基于预设的第二力位混合信息，控制工业机械臂5敷设目标长桁零件至壁板的过程，如图4所示，当长桁零件2与壁板发生接触时，工业机械臂5当前抓持长桁零件2位置和姿态/>长桁零件2和壁板整体刚性均相对较弱，长桁零件2在机器人上完全定位，且长桁零件2已经与壁板发生接触，沿y向的接触力分别为F1和F2，长桁零件2沿y向受力的不对称体现了沿z向的微小转动误差，当两套手爪和六维力/扭传感器12监控力产生不对称时，长桁零件2受到的潜在合力位置l0表示为：
其中，lS为传感器沿z向安装距离。
进一步地，截面测量线激光传感器11实测沿y向截面误差为ΔyC，围绕z向进行远心调姿，调姿目标点位置和姿态/>如式(4)所示。此时，工业机械臂5的潜在的运动趋势均匀控制F1和F2达到目标敷设力FT。通过上述调姿过程的迭代，可以动态规划工业机械臂5敷设轨迹贴近壁板，完成敷设过程。
此时，长桁零件2与壁板连接，末端执行器1控制手爪和六维力/扭传感器12释放长桁零件2，完成单条长桁零件的敷设过程。
最后对力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法的精度进行一下分析，结合图3和图4所示，壁板零件在本申请中定位后，其主要的误差是由于沿y向即敷设方向的弱刚性引起的沿x向和沿z向的微小转动误差，其平动误差受到重规划工业机械臂5轨迹过程的约束，其绝对精度由装配工装等手段保证。长桁零件2本身的误差包括了笛卡尔坐标系中三个方向的平动误差和转动误差，长桁零件2沿x向的平动误差由长桁料架3与工业机械臂5的相对定位精度约束；长桁零件2沿y向、沿z向的平动误差由末端执行器1中手爪和六维力/扭传感器12的机械结构约束；长桁零件2沿x向的转动误差由截面测量线激光传感器11测量得到，且被手爪和六维力/扭传感器12的机械结构约束，并被测量壁板待敷设表面截面和调整长桁零件2姿态的调姿过程调节；长桁零件2沿y向的转动误差由工业机械臂5本身重复定位精度确保，以保证一批次长桁的相互平行度；长桁零件2沿z向的转动误差由基于预设的第二力位混合信息在线调姿过程约束。
综上，本申请的力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法可以利用多模态传感器和辅助定位硬件完成弱刚性条状长桁零件的精确定位和柔顺敷设，在各个方向上约束弱刚性长条状长桁零件与弱刚性壁板的误差，提升长桁零件敷设过程当中的绝对精度和重复精度，并作为自动化的机器人控制方法，提升长桁敷设装配过程的智能性和自动化程度，具有减少重复劳动、提升装配质量的有益效果。
根据本申请实施例提出的力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法，通过基于预设的第一力位混合信息，控制工业机械臂根据目标长桁零件的长桁截面和长桁姿态抓取目标长桁零件，在工业机械臂抓取完成后，结合数模中敷设轨迹重规划工业机械臂轨迹得到配准轨迹，在工业机械臂到待装配位置，基于配准轨迹和壁板的待敷设表面截面，控制工业机械臂调整目标长桁零件的姿态，并基于预设的第二力位混合信息，控制工业机械臂敷设目标长桁零件至壁板。由此，通过利用多模态传感器和辅助定位硬件，解决以长桁为代表的长条状钣金零件自动装配过程中的检测、控制问题，在工件姿态部分未知、刚性较弱等复杂工况下实现特定零件的自动化装配。
其次参照附图描述根据本申请实施例提出的力位混合的长桁零件机器人自动敷设装置。
图5是本申请一个实施例的力位混合的长桁零件机器人自动敷设装置的方框示意图。
如图5所示，该力位混合的长桁零件机器人自动敷设装置20包括：第一控制模块100、重规划模块200和第二控制模块300。
其中，第一控制模块100，用于获取目标长桁零件的长桁截面和长桁姿态，并基于预设的第一力位混合信息，控制工业机械臂根据长桁截面和长桁姿态抓取目标长桁零件；
重规划模块200，用于在工业机械臂抓取完成后，结合数模中敷设轨迹重规划工业机械臂人轨迹，得到配准轨迹；
第二控制模块300，用于在工业机械臂到待装配位置，基于配准轨迹和壁板的待敷设表面截面，控制工业机械臂调整目标长桁零件的姿态，并基于预设的第二力位混合信息，控制工业机械臂敷设目标长桁零件至壁板。
进一步地，在一些实施例中，第一控制模块100，具体用于：
根据长桁截面和长桁姿态确定目标长桁零件的空间位置和空间姿态；
根据空间位置和空间姿态确定工业机械臂的抓取位置和抓取姿态；
根据抓取位置和抓取姿态抓取目标长桁零件。
进一步地，在一些实施例中，空间位置和空间姿态分别为：
/>
其中，为目标长桁零件的空间位置，/>为目标长桁零件的空间姿态，/>为长桁料架的定位二维码标记在端面测量相机测量坐标系中的姿态，/>为长桁料架的定位二维码标记在端面测量相机测量坐标系中的位置，/>为长桁零件的位置，/>为长桁零件的姿态，/>为端面测量相机测量坐标系在末端执行器中的位置，/>为端面测量相机测量坐标系在末端执行器中的姿态，/>为工业机械臂末端的位置，/>为工业机械臂末端的姿态。
进一步地，在一些实施例中，抓取位置和抓取姿态分别为：
其中，为抓取位置，/>为抓取姿态，/>为截面测量线激光传感器在末端执行器中的位置，/>为截面测量线激光传感器在末端执行器中的姿态，Δypick为预留距离。
进一步地，在一些实施例中，配准轨迹包括工业机械臂的目标位置和目标姿态，其中，目标位置和目标姿态分别为：
其中，为目标位置，/>为目标姿态，/>为待敷设壁板零件坐标系在工业机械臂坐标系中的位置，/>为待敷设壁板零件坐标系在工业机械臂坐标系中的姿态，/>为待敷设的长桁零件在数模中规定的理论位置，/>为待敷设的长桁零件在数模中规定的理论姿态，ΔyS为预设敷设开始的安全距离。
进一步地，在一些实施例中，第二控制模块300，具体用于：
基于预设的调姿目标点位置和预设的调姿目标点姿态，控制工业机械臂调整目标长桁零件的姿态，其中，预设的调姿目标点位置和预设的调姿目标点姿态分别为：
其中，为预设的调姿目标点位置，/>为预设的调姿目标点姿态，/>为工业机械臂当前抓持长桁零件的位置，/>为工业机械臂当前抓持长桁零件的姿态，l0为长桁零件受到的潜在合力位置，ΔθC为预测z向角度偏差，ΔyV为垂直方向的力控补偿距离，ΔyC为截面测量线激光传感器实测沿y向截面误差，kadj为角度调整权重系数，L0为长桁长度方向尺寸，kv为导纳力控柔顺参数，FT为目标敷设力，F1、F2为长桁零件与壁板发生接触沿y向的接触力。
需要说明的是，前述对力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法实施例的解释说明也适用于该实施例的力位混合的长桁零件机器人自动敷设装置，此处不再赘述。
根据本申请实施例提出的力位混合的长桁零件机器人自动敷设装置，通过基于预设的第一力位混合信息，控制工业机械臂根据目标长桁零件的长桁截面和长桁姿态抓取目标长桁零件，在工业机械臂抓取完成后，结合数模中敷设轨迹重规划工业机械臂轨迹得到配准轨迹，在工业机械臂到待装配位置后，基于配准轨迹和壁板的待敷设表面截面，控制工业机械臂调整目标长桁零件的姿态，并基于预设的第二力位混合信息，控制工业机械臂敷设目标长桁零件至壁板。由此，通过利用多模态传感器和辅助定位硬件，解决以长桁为代表的长条状钣金零件自动装配过程中的检测、控制问题，在工件姿态部分未知、刚性较弱等复杂工况下实现特定零件的自动化装配。
图6为本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。该电子设备可以包括：
存储器601、处理器602及存储在存储器601上并可在处理器602上运行的计算机程序。
处理器602执行程序时实现上述实施例中提供的力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法。
进一步地，电子设备还包括：
通信接口603，用于存储器601和处理器602之间的通信。
存储器601，用于存放可在处理器602上运行的计算机程序。
存储器601可能包含高速RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)存储器，也可能还包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器。
如果存储器601、处理器602和通信接口603独立实现，则通信接口603、存储器601和处理器602可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。总线可以是ISA(IndustryStandard Architecture，工业标准体系结构)总线、PCI(Peripheral Component，外部设备互连)总线或EISA(Extended Industry Standard Architecture，扩展工业标准体系结构)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图6中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
可选的，在具体实现上，如果存储器601、处理器602及通信接口603，集成在一块芯片上实现，则存储器601、处理器602及通信接口603可以通过内部接口完成相互间的通信。
处理器602可能是一个CPU(Central Processing Unit，中央处理器)，或者是ASIC(Application Specific Integrated Circuit，特定集成电路)，或者是被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。
本申请实施例还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实现如上的力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取目标长桁零件的长桁截面和长桁姿态，并基于预设的第一力位混合信息，控制工业机械臂根据所述长桁截面和所述长桁姿态抓取所述目标长桁零件；
在所述工业机械臂抓取完成后，结合数模中敷设轨迹重规划所述工业机械臂轨迹，得到配准轨迹；
在所述工业机械臂到待装配位置后，基于所述配准轨迹和壁板的待敷设表面截面，控制所述工业机械臂调整所述目标长桁零件的姿态，并基于预设的第二力位混合信息，控制所述工业机械臂敷设所述目标长桁零件至所述壁板。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制工业机械臂根据所述长桁截面和所述长桁姿态抓取所述目标长桁零件，包括：
根据所述长桁截面和所述长桁姿态确定所述目标长桁零件的空间位置和空间姿态；
根据所述空间位置和所述空间姿态确定所述工业机械臂的抓取位置和抓取姿态；
根据所述抓取位置和所述抓取姿态抓取所述目标长桁零件。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述空间位置和所述空间姿态分别为：
其中，为所述目标长桁零件的所述空间位置，/>为所述目标长桁零件的所述空间姿态，/>为长桁料架的定位二维码标记在端面测量相机测量坐标系中的姿态，/>为长桁料架的定位二维码标记在端面测量相机测量坐标系中的位置，/>为长桁零件的位置，/>为长桁零件的姿态，/>为端面测量相机测量坐标系在末端执行器中的位置，/>为端面测量相机测量坐标系在末端执行器中的姿态，/>为工业机械臂末端的位置，/>为工业机械臂末端的姿态。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述抓取位置和所述抓取姿态分别为：
其中，为所述抓取位置，/>为所述抓取姿态，/>为截面测量线激光传感器在末端执行器中的位置，/>为截面测量线激光传感器在末端执行器中的姿态，Δypick为预留距离。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述配准轨迹包括工业机械臂的目标位置和目标姿态，其中，所述目标位置和所述目标姿态分别为：
其中，为所述目标位置，/>为所述目标姿态，/>为待敷设壁板零件坐标系在工业机械臂坐标系中的位置，/>为待敷设壁板零件坐标系在工业机械臂坐标系中的姿态，/>为待敷设的长桁零件在数模中规定的理论位置，/>为待敷设的长桁零件在数模中规定的理论姿态，ΔyS为预设敷设开始的安全距离。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制所述工业机械臂调整所述目标长桁零件的姿态，包括：
基于预设的调姿目标点位置和预设的调姿目标点姿态，控制所述工业机械臂调整所述目标长桁零件的姿态，其中，所述预设的调姿目标点位置和所述预设的调姿目标点姿态分别为：
其中，为所述预设的调姿目标点位置，/>为所述预设的调姿目标点姿态，/>为工业机械臂当前抓持长桁零件的位置，/>为工业机械臂当前抓持长桁零件的姿态，l0为长桁零件受到的潜在合力位置，ΔθC为预测z向角度偏差，ΔyV为垂直方向的力控补偿距离，ΔyC为截面测量线激光传感器实测沿y向截面误差，kadj为角度调整权重系数，L0为长桁长度方向尺寸，kv为导纳力控柔顺参数，FT为目标敷设力，F1、F2为长桁零件与壁板发生接触沿y向的接触力。
7.一种力位混合的长桁零件机器人自动敷设装置，其特征在于，包括：
第一控制模块，用于获取目标长桁零件的长桁截面和长桁姿态，并基于预设的第一力位混合信息，控制工业机械臂根据所述长桁截面和所述长桁姿态抓取所述目标长桁零件；
重规划模块，用于在所述工业机械臂抓取完成后，结合数模中敷设轨迹重规划所述工业机械臂轨迹，得到配准轨迹；以及
第二控制模块，用于在所述工业机械臂到待装配位置后，基于所述配准轨迹和壁板的待敷设表面截面，控制所述工业机械臂调整所述目标长桁零件的姿态，并基于预设的第二力位混合信息，控制所述工业机械臂敷设所述目标长桁零件至所述壁板。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一控制模块，具体用于：
根据所述长桁截面和所述长桁姿态确定所述目标长桁零件的空间位置和空间姿态；
根据所述空间位置和所述空间姿态确定所述工业机械臂的抓取位置和抓取姿态；
根据所述抓取位置和所述抓取姿态抓取所述目标长桁零件。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如权利要求1-6任一项所述的力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法。
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，以用于实现如权利要求1-6任一项所述的力位混合的长桁零件机器人自动敷设方法。
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