CN117531948A - 人机协作铆接系统及协作铆接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了人机协作铆接系统及协作铆接方法，以多自由度协作机械臂为人机协作铆接的协作执行机构，末端设有融合多功能的协作铆接末端执行器，机械臂工作空间内设有数控运动机构，其上安装有部件支撑托架，数控运动机构一侧或内部设置有协作铆接踏台可供工人驻留进行铆接工作，踏台近侧设置有铆接物料与工具库。设定的工人铆接作业区域内设置有助力辅助吊臂，通过弹簧助力系统吊挂有人工铆接末端执行器，其与协作机器人及协作铆接末端执行器配合完成人机协作铆接工作。本发明铆接过程实行人机交互式自动铆接并同步运行故障与错误监测及恢复功能，以确保整个人机协作铆接系统的稳定高效运行，可有效提高产品铆接效率，提高铆接工作安全性。

Description

人机协作铆接系统及协作铆接方法

技术领域

本发明属于智能制造技术领域，具体涉及人机协作铆接系统及协作铆接方法。

背景技术

铆接操作普遍存在于工业生产的装配制造过程中，对于大批量、铆接位置固定、铆钉规格单一的铆接任务，一定程度上可以通过完全自动化的机械结构实现。但对于批量小、更新迭代快、铆接要求高的产品，比如航空航天领域的产品铆接操作，铆接过程涉及的铆钉规格多、数量大，且还存在多规格铆钉交叉使用的情况，目前完全由人工配合完成铆接的方式，不仅工作量大、效率低，还极易出错，从而导致产生额外的时间成本。

借助于人机协作的方式进行铆接操作，可以将较为复杂的部分交由机器人系统执行。人机协作的方式可以充分发挥人与机器人各自的优点，两者配合工作，可以大幅度降低铆接工作的强度与时间消耗，从而提高铆接工作效率，有益于工业装配制造技术的升级与进步。

公开号为CN111284028A的专利公开了一种自动铆接人机协作系统。该系统包括自动铆接信号接收端、顶铁、信号输入器，操作人员将顶铁与自动铆接信号接收端的铆接装置协同工作，完成铆钉成形工作。该专利用于铆钉成形工作，不具备大范围运动能力、铆接区域位点的自动识别能力、多规格铆钉的任务适应能力、铆接孔位孔深的自动测量能力、铆接部件承载运动能力以及智能化的人机协作铆接能力等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供人机协作铆接系统及协作铆接方法，可以在人机共融条件下满足单人实现多种类规格铆钉的高效铆接需求，降低人工配合铆接的人力成本，且结合视觉检测、孔深测量、规格推荐、人机交互与碰撞检测算法，可有效提高人机协作铆接效率，并同时保障协作过程的安全性。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

人机协作铆接系统，包括电气柜、吊臂支撑座、部件支撑托架、数控运动机构、铆接物料与工具库、铆接工作踏台、机械臂支撑基座、人机协作铆接控制系统、多自由度协作机械臂、协作铆接末端执行器、人工铆接末端执行器、弹簧助力系统、助力辅助吊臂、协作触摸控制屏；

电气柜用于系统所有的电气连接、信号控制及电源供给；

吊臂支撑座支撑助力辅助吊臂；

数控运动机构安装于多自由度协作机械臂侧方，其上承载有部件支撑托架，其上可夹持安装需要进行铆接的部件；

部件相对于多自由度协作机械臂的另一侧设置有铆接工作踏台，工作人员可在此区域进行人机协同铆接工作；

铆接工作踏台一侧设置有铆接物料与工具库，用于取放铆接所用工具，其上设置有物料盒，盛放铆接所用的多种规格的钉帽与垫片；

物料盒的支撑框架上方设置有协作触摸控制屏支架，用于安装交互式协作触摸控制屏；

铆接工作踏台另一侧设有助力辅助吊臂，助力辅助吊臂末端连接有弹簧助力系统，弹簧助力系统下方挂载人工铆接末端执行器，用于辅助人工进行人机协作铆接工作；

人机协作铆接控制系统用于整套系统的整体交互与协作铆接控制；

多自由度协作机械臂通过机械臂支撑基座固定于工作空间之内；

协作铆接末端执行器与多自由度协作机械臂末端连接。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的数控运动机构通过高精度的转动或直线运动的形式，使得部件的全部待铆接区域处于多自由度协作机械臂的协作铆接工作空间覆盖范围之内；所述铆接工作踏台不随数控运动机构运动。

上述的协作铆接末端执行器包括视觉测量模块、孔深测量模块、铆钉限位及切换插钉模块、承力安装结构；承力安装结构，用于安装协作铆接末端执行器上的功能组件；视觉测量模块，用于视野内铆钉孔位的识别、定位与法向计算；孔深测量模块，用于待铆接区域铆钉孔的孔深或壁厚测量；铆钉限位及切换插钉模块，用于铆钉的插孔及顶紧。

上述的视觉测量模块包括顶部光源、光源支架、相机光源、3D视觉传感器以及视觉传感器支架；3D视觉传感器采用可调节支架安装，以保证视觉传感器可获取最佳观测视野，支架调节完成后位姿转换关系为固定值。

上述的孔深测量模块包括驱动电机、精密传动机构、孔深测量单元以及测深传感器；精密传动机构控制测深传感器匀速运行，测深传感器可沿轴线方向进行旋转，其指向与限位后的铆钉指向共线。

上述的铆钉限位及切换插钉模块包括横向切换气缸、带弹性外皮的铆钉卡爪、铆钉到位检测传感器、滑台以及隐藏于内部的滑台驱动气缸和铆钉顶紧机构；铆钉限位及切换插钉模块支持至少两种直径、多种长度的铆钉限位与机构切换插孔操作，并可进行铆钉的到位检测。

上述的人工铆接末端执行器上安装有铆枪组件，人工铆接末端执行器侧方设置有铆接启动/保险装置及快捷铆接交互扳钮。

人机协作铆接方法，包括：

步骤一：当人机协作铆接控制系统接收到需要铆接的点位序列后，首先根据目标点位序列控制协作机械臂运动到目标点位对应的就绪位置，启动协作铆接末端执行器对当前实际目标孔位的位置、法向及孔径进行测量与计算，并利用基于模板匹配的相对运动导引算法对目标孔深进行测量；

步骤二：人机协作铆接控制系统根据孔深、孔径与铆钉、钉帽及垫片规格的映射关系进行铆钉、钉帽及垫片规格推荐，同时记录实际孔位与推荐数据，可由协作触摸控制屏进行显示；

步骤三：多自由度协作机械臂运动至目标铆接点，协作铆接末端执行器的铆钉限位及切换插钉模块的横向切换气缸将对应直径的铆钉卡爪切换到等待位置；目标规格铆钉到达信号确认后，人机协作铆接控制系统将目标铆钉切换到铆接准备位置，并利用孔位的位置与法向数据引导多自由度协作机械臂将末端的目标铆钉轴线对准目标孔位，完成铆接孔位对准；

步骤四：人机协作铆接控制系统控制滑台气缸使铆钉限位及切换插钉模块的滑台伸出，令铆钉末端进入目标孔内，铆钉顶杆伸出并沿铆钉轴线将铆钉顶紧在部件铆接孔处；

步骤五：协作铆接人员确认铆钉规格正确后，根据协作触摸控制屏上推荐的钉帽与垫片规格信息，从铆接物料库中选取垫片或钉帽并套入铆钉杆完成铆接准备，然后控制人工铆接末端执行器完成铆接操作；

步骤六：通过人工铆接末端执行器或协作触摸控制屏将协作铆接末端执行器的滑台与顶杆自动收回，并令多自由度协作机械臂离开当前铆接任务点，进入下一目标孔位的协作铆接任务流程；

步骤七：当多自由度协作机械臂运动范围内的全部区域铆接任务完成后，人工确认后驱动数控运动机构运动，令部件的其余待铆接位点进入人机协作铆接区域，以进行分区域的循环铆接工作。

上述方法的协作铆接错误处理与恢复策略为：

1）：人工错误类型判别，协作铆接错误有两类，一类为协作机器人系统铆钉插入失败，一类为铆接孔位使用的铆钉规格错误，人工失误的处理措施等同于铆钉规格错误；

2）：若判断错误类型为机器人系统铆钉插入失败，则通过多自由度协作机械臂的关节力矩检测可检测到力矩值偏离正常工作值，系统自动进行错误处理流程，控制滑台与铆钉顶杆缩回，并使机械臂沿原前进路径返回，之后移动末端至废料盒处，顶杆推出进行抛钉操作，并返回就绪位置；

3）：若判断错误类型为铆钉规格错误或人工铆接失误，则通过协作触摸控制屏的退钉按钮控制协作铆接执行器的滑台与铆钉顶杆缩回，并使多自由度协作机械臂沿原前进路径返回就绪位置；之后借助控制屏进行铆钉规格人工选择；

4）：完成2）或3）的错误处理流程之后，人机协作铆接控制系统控制协作铆接末端执行器获取期望规格的铆钉，并转入正常人机协作铆接流程。

本发明具有以下有益效果：

本发明的人机协作铆接系统在人机协作铆接中以多自由度协作机械臂作为主体协作运动机构，工作范围大，以数控运动机构作为待铆产品的运动驱动单元，可配合机械臂实现待铆部件铆接区域的全覆盖，具备铆钉及配件规格推荐功能，可配合人工完成多规格铆钉的协作铆接任务。

本发明的协作铆接末端执行器，具备极强的任务适应性，可有效提高铆接智能化程度。其视觉测量模块，可对铆钉孔位进行识别、定位与法向计算；孔深测量模块可自动测量孔深或壁厚；铆钉限位及切换插钉模块可实现铆钉的插孔及顶紧；并可满足至少两种直径铆钉的协作铆接要求，其规格种类覆盖对应直径下可自动供钉的所有长度规格。

本发明在人机协作铆接过程中采用基于模板匹配的相对运动导引算法对孔位的插孔运动过程进行计算，以保证整个运动过程中孔位位置、法向的相对准确性，从而避免系统累积误差的影响，该基于模板匹配的相对运动导引算法具有模板建立便捷、过程处理简便、计算量小、位姿定位精度高等优势。

本发明在整个人机协作铆钉过程中，具有强稳定性、安全性和容错能力。本发明的人机协作铆接系统工作过程中，实时运行碰撞监测算法，且具备错误处理与人机交互功能，保障安全性的同时，具备较强的工作稳定性，可有效抑制运行过程中的不确定性对协作铆接造成的干扰。

附图说明

图1是本发明人机协作铆接系统三维示意图；

图2是本发明的协作铆接末端执行器立体示意图；

图3是本发明的协作铆接末端执行器侧视示意图；

图4是本发明的人工铆接末端执行器示意图；

图5是本发明人机协作铆接系统运行流程图；

图6是本发明基于模板匹配的相对运动导引算法流程图；

图7是本发明协作铆接错误处理与恢复策略流程图；

附图标记为：1-电气柜、2-吊臂支撑座、3-部件支撑托架、4-数控运动机构、5-铆接物料与工具库、6-铆接工作踏台、7-机械臂支撑基座、8-人机协作铆接控制系统、9-多自由度协作机械臂、10-协作铆接末端执行器、11-人工铆接末端执行器、12-弹簧助力系统、13-助力辅助吊臂、14-协作触摸控制屏、15-顶部光源、16-光源支架、17-安装法兰盘、18-承力安装结构、19-驱动电机、20-精密传动机构、21-孔深测量单元、22-测深传感器、23-横向切换气缸、24-铆钉卡爪、25-到位检测传感器、26-相机光源、27-滑台、28-高精导轨、29-3D视觉传感器、30-视觉传感器支架、31-连接线缆、32-悬挂基座、33-铆钉枪枪管组件、34-启动/保险装置、35-快捷功能扳钮、36-人工铆接末端执行器握把、37-气源接口、38-废钉杆出口、39-铆枪总成组件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。

如图1-图4所示，本发明实施例的人机协作铆接系统，可有效提高产品铆接效率，降低人工铆接工作强度，提高铆接工作安全性，且可适用于多规格铆钉的协作铆接场景，尤其适用于小批量、短周期、快速迭代的产品铆接任务，所述系统以多自由度协作机械臂作为人机协作铆接的协作执行机构，末端设计有融合铆钉孔位深度测量、位置识别、法向计算与自动插钉等功能的协作铆接末端执行器，机械臂工作空间内设置有数控运动机构，其上安装有部件支撑托架用以承载待执行铆接操作的部件。数控运动机构一侧或内部设置有协作铆接踏台可供工人驻留进行铆接工作，踏台近侧设置有铆接物料与工具库。设定的工人铆接作业区域内设置有助力辅助吊臂，通过弹簧助力系统吊挂有人工铆接末端执行器，其作为人机协作铆接的人工操纵工具与协作机器人及协作铆接末端执行器配合，完成人机协作铆接工作。整个铆接过程实行人机交互式自动铆接方法，并同步运行故障与错误监测及恢复功能，以确保整个人机协作铆接系统的稳定高效运行，具体包括电气柜1、吊臂支撑座2、部件支撑托架3、数控运动机构4、铆接物料与工具库5、铆接工作踏台6、机械臂支撑基座7、人机协作铆接控制系统8、多自由度协作机械臂9、协作铆接末端执行器10、人工铆接末端执行器11、弹簧助力系统12、助力辅助吊臂13、协作触摸控制屏14；

电气柜1用于系统所有的电气连接、信号控制及电源供给；

吊臂支撑座2支撑助力辅助吊臂13；

多自由度协作机械臂9通过机械臂支撑基座7固定于工作空间之内；

协作铆接末端执行器10通过法兰盘17与多自由度协作机械臂9末端连接；

协作铆接末端执行器10由视觉测量模块、孔深测量模块、铆钉限位及切换插钉模块、承力安装结构18组成；

承力安装结构18用于安装协作铆接末端执行器10上的功能组件；

视觉测量模块用于视野内铆钉孔位的识别、定位与法向计算，具体包括顶部光源15、光源支架16、相机光源26、3D视觉传感器29以及视觉传感器支架30；

孔深测量模块用于待铆接区域铆钉孔的孔深或壁厚测量，具体包括驱动电机19、精密传动机构20、孔深测量单元21以及测深传感器22；

铆钉限位及切换插钉模块用于铆钉的插孔及顶紧，具体包括横向切换气缸23、带弹性外皮的铆钉卡爪24、铆钉到位检测传感器25、滑台27以及隐藏于内部的滑台驱动气缸和铆钉顶紧机构。

数控运动机构4安装于多自由度协作机械臂9侧方，其上以标准化的接口承载有部件支撑托架3，其上可夹持安装需要进行铆接的部件；

隔部件相对于多自由度协作机械臂9的另一侧设置有铆接工作踏台6，工作人员可在此区域进行人机协同铆接工作；

铆接工作踏台6一侧设置有铆接物料与工具库5，用于取放铆接所用工具，其上设置有物料盒，可盛放铆接所用的多种规格的钉帽与垫片；

物料盒的支撑框架上方设置有协作触摸控制屏支架，用于安装交互式协作触摸控制屏14；

铆接工作踏台6另一侧设有助力辅助吊臂13，可进行折叠旋转与伸缩运动，助力辅助吊臂13末端连接有弹簧助力系统12，弹簧助力系统12下方挂载人工铆接末端执行器11，用于辅助人工进行人机协作铆接工作；

人机协作铆接控制系统8用于整套系统的整体交互与协作铆接控制。

如图5所示，本发明基于人机协作铆接系统实现协作铆接方法，系统运行流程包括：

人机协作铆接系统使用前执行初始化与标定工作；整个协作铆接流程中，实时运行碰撞监测与错误处理策略，有效保证工作过程的安全，实现高效的人机协作铆接工作。

人机协作铆接系统在部署之前，首先需要完成前期准备工作，具体包括标定工作、物料准备工作、铆钉及配件推荐算法映射关系表。其中，标定工作具体包括多自由度协作机械臂9标定、协作铆钉末端执行器10标定、数控运动机构4标定、部件支撑托架3标定以及上述各项相互之间的位姿关系标定；物料准备工具是指铆接物料与工具库5处铆接操作对应配件及工具的准备；铆钉及配件推荐算法映射关系表是指可由铆钉孔直径（孔径）及孔深所对应的铆钉、钉帽及垫片规格的映射关系。

人机协作铆接系统输入为需要进行协作铆接的位置参考序列或需要的铆接工作区域测量扫描轨迹，输出为铆钉规格正确且完成人机协作铆接任务。

步骤一：当人机协作铆接控制系统8接收到需要铆接的点位序列后，首先根据目标点位序列控制协作机械臂9运动到目标点位对应的就绪位置，启动协作铆接末端执行器10的视觉测量模块对当前实际目标孔位的位置、法向及孔径进行测量与计算，并利用基于模板匹配的相对运动导引算法控制协作铆接末端执行器10的孔深测量模块对目标孔深进行测量；此处可有选择地配合理论孔位参数进行数据比对；

步骤二：孔位数据测量完成后，人机协作铆接控制系统8根据孔深、孔径与铆钉、钉帽及垫片规格的映射关系进行铆钉、钉帽及垫片规格推荐，同时记录实际孔位与推荐数据，其可由协作触摸控制屏14进行显示；

步骤三：检测完成后，多自由度协作机械臂9运动至目标铆接点，协作铆接末端执行器10的铆钉限位及切换插钉模块的横向切换气缸23将对应直径的铆钉卡爪24切换到等待位置；目标规格铆钉到达信号确认后，人机协作铆接控制系统8将目标铆钉切换到铆接准备位置，并利用孔位的位置与法向数据引导多自由度协作机械臂9将末端的目标铆钉轴线对准目标孔位，完成铆接孔位对准；

步骤四：完成铆接孔位对准后，人机协作铆接控制系统8控制滑台气缸使铆钉限位及切换插钉模块的滑台27伸出，令铆钉末端进入目标孔内，铆钉顶杆伸出并沿铆钉轴线将铆钉顶紧在部件铆接孔处；人机协作铆接过程中顶杆对铆钉提供顶紧压力；

步骤五：协作铆接人员确认铆钉规格正确后，根据协作触摸控制屏14上推荐的钉帽与垫片规格信息，从铆接物料库中选取垫片或钉帽并套入铆钉杆完成铆接准备，然后控制人工铆接末端执行器11完成铆接操作；

步骤六：铆接完成后，通过人工铆接末端执行器11上的快捷功能扳钮35或协作触摸控制屏14上的确认按钮可与系统进行交互，将协作铆接末端执行器10的滑台与顶杆自动收回，并令多自由度协作机械臂9离开当前铆接任务点，进入下一目标孔位的协作铆接任务流程；

步骤七：当多自由度协作机械臂9运动范围内的全部区域铆接任务完成后，人工确认后驱动数控运动机构4运动，令部件的其余待铆接位点进入人机协作铆接区域，以进行分区域的循环铆接工作；

其中，为保障铆接成功率以及铆接过程的安全性，人机协作铆接完成与数控运动机构运动皆需要人工确认后，才能执行对应下一步操作；整个协作铆接流程中，实时运行碰撞监测与错误处理功能，有效保证工作过程的安全，实现高效的人机协作铆接工作。

本实施例中，数控运动机构4可以通过高精度的转动或直线运动的形式，使得部件的全部待铆接区域处于多自由度协作机械臂9的协作铆接工作空间覆盖范围之内；铆接工作踏台6相对安装位置保持固定，不随数控运动机构运动，可为铆接人员提供固定的工作位置。

协作铆接末端执行器10的3D视觉传感器29采用可调节支架30安装，以保证视觉传感器可获取最佳观测视野，支架调节完成后位姿转换关系为固定值，有利于有助于机械臂末端运动的精确引导；

协作铆接末端执行器10的孔深测量模块采用精密传动机构20控制测深传感器22匀速运行，其可沿轴线方向进行旋转，测深传感器指向与限位后的铆钉指向共线，有益于测量精度的提升，可有效避免孔位信息的冗余感知；

协作铆接末端执行器10铆钉限位及切换插钉模块，可支持至少两种直径、多种长度的铆钉限位与机构切换插孔操作，具备铆钉的到位检测功能，可提高协作铆接过程的鲁棒性。

人工工作区域设置协作触摸控制屏14，用人机协作铆接过程中人与机器人之间的交互，可以有效的提高人机协作铆接过程中人与机器人之间的可交互性；

人工铆接末端执行器11，其上安装有铆枪组件，其侧方设置有铆接启动/保险装置34及快捷铆接交互扳钮35，弹簧助力系统的设置可以令铆接工人以较小的力完成铆接操作，减轻手臂的疲劳程度，从而提高铆接的效率，降低铆接工作的强度。

进一步的，人机协作铆接过程中采用基于模板匹配的相对运动导引算法对孔位的插孔运动过程进行计算，以保证整个运动过程中孔位位置、法向的相对准确性，从而避免系统累积误差的影响。

基于模板匹配的相对运动导引算法与一般的直接以孔位位置进行绝对运动引导的形式相比，具有模板建立便捷、过程处理简便、计算量小、位姿定位精度高等优势。基于模板匹配的相对运动导引算法可分为模板建立、模板匹配、相对运动引导三个阶段。

如图6所示，在基于模板匹配的相对运动导引算法中，假设当前工作区域内待铆接孔位的集合为，首先为孔位构建匹配模板，任选一个区域内的铆接孔/>，然后调整协作机械臂使得协作铆接末端执行器的3D视觉传感器能够清晰捕捉到/>，记录此时的孔位特征；同时使末端执行器的就绪状态的铆钉指向与测深传感器的指向尽可能共线于目标铆接孔的轴线，记录此时/>在3D视觉传感器坐标系下的二维位置/>与三维位姿/>，并同时记录此时协作机械臂的位姿/>。

控制协作机械臂系统使测深传感器对准的中心轴，并确认传感器进动时可以沿的轴线在孔中心的小邻域内正常进出，记录此时的协作机械臂位姿/>；同理移动协作机械臂使就绪状态铆钉轴线对准孔位，确保滑台运动时可将铆钉认入孔内，铆钉顶杆可沿轴线将铆钉顶紧于孔位处，记录此时的协作机械臂位姿/>。则针对/>的测量与插孔相对运动量分别为：/>；

上述操作与结果计算完成后，如图6所示，对于任意一个待铆接区位的点位，视觉算法完成孔位特征的识别追踪后提取3D视觉传感器坐标系下的二维位置/>与三维位姿/>，则协作机械臂当前的位姿调整量为/>。当经过数次迭代满足以下表达式时，退出迭代循环过程；

；

其中，为由当前目标孔相对于3D视觉传感器的二维位置向量、三维位置向量与欧拉角数据构成的复合式向量形式，/>对应于/>，即为模板孔所对应的复合向量形式，上式中/>为所设定的无穷小量。

对于孔深测量操作，当协作机械臂满足上述不等式退出循环时，在其现有位姿的基础上叠加相对运动即可到达测量就绪位姿；同理，叠加相对运动/>即可到达协作铆接铆钉插孔的就绪位姿，从而可进行后续的人机协作铆接流程。

如图7所示，本发明中的协作铆接错误处理与恢复算法流程包括：

步骤1：人工错误类型判别，协作铆接错误有两类，一类为协作机器人系统铆钉插入失败，一类为铆接孔位使用的铆钉规格错误，人工失误的处理措施等同于铆钉规格错误；

步骤2：若判断错误类型为机器人系统铆钉插入失败，则通过机械臂的关节力矩检测可检测到力矩值偏离正常工作值，系统自动进行错误处理流程，控制滑台与铆钉顶杆缩回，并使机械臂沿原前进路径返回，之后移动末端至废料盒处，顶杆推出进行抛钉操作，并返回就绪位置；

步骤3：若判断错误类型为铆钉规格错误或人工铆接失误，则通过协作触摸控制屏的退钉按钮控制协作铆接执行器的滑台与铆钉顶杆缩回，并使机械臂沿原前进路径返回就绪位置；之后借助控制屏进行铆钉规格人工选择；

步骤4：完成上述步骤2或步骤3的错误处理流程之后，人机协作铆接控制系统8控制协作铆接末端执行器10获取期望规格的铆钉，并转入正常人机协作铆接流程。

其中多自由度机械臂9的动力学公式如下：

；

公式中代表关节力矩，/>分别表示机械臂的转动关节角度、角速度和角加速度向量，/>表示机械臂运动空间内的惯量矩阵，/>代表离心力和科里奥利力向量，/>表示重力矩阵，/>表示关节摩擦力矩，精度要求不高的条件下可以考虑库仑摩擦和粘滞摩擦力矩，表达式如下：

；

其中，分别为库伦摩擦系数和粘滞摩擦系数。对动力学公式进行线性变换，结合已辨识的机械臂参数可以得到其关节力矩矩阵为：/>；

上式中是关于关节位置、速度、加速度的非线性关系矩阵，而/>则表示多自由度机械臂动力学的基本参数集。

通过上述公式，可以实时计算多自由度机械臂9正常运行时的关节力矩值，结合设定的关节力矩包络阈值可以对协作铆接末端执行器10插钉失败所产生的较大应力进行检测，从而使人机协作铆接控制系统自动进入错误处理流程，保证人机协作铆接过程的稳定流畅运行。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.人机协作铆接系统，其特征在于，包括电气柜、吊臂支撑座、部件支撑托架、数控运动机构、铆接物料与工具库、铆接工作踏台、机械臂支撑基座、人机协作铆接控制系统、多自由度协作机械臂、协作铆接末端执行器、人工铆接末端执行器、弹簧助力系统、助力辅助吊臂、协作触摸控制屏；

电气柜用于系统所有的电气连接、信号控制及电源供给；吊臂支撑座支撑助力辅助吊臂；

数控运动机构安装于多自由度协作机械臂侧方，其上承载有部件支撑托架，其上可夹持安装需要进行铆接的部件；部件相对于多自由度协作机械臂的另一侧设置有铆接工作踏台，工作人员可在此区域进行人机协同铆接工作；铆接工作踏台一侧设置有铆接物料与工具库，用于取放铆接所用工具，其上设置有物料盒，盛放铆接所用的多种规格的钉帽与垫片；物料盒的支撑框架上方设置有协作触摸控制屏支架，用于安装交互式协作触摸控制屏；铆接工作踏台另一侧设有助力辅助吊臂，助力辅助吊臂末端连接有弹簧助力系统，弹簧助力系统下方挂载人工铆接末端执行器，用于辅助人工进行人机协作铆接工作；

人机协作铆接控制系统用于整套系统的整体交互与协作铆接控制；多自由度协作机械臂通过机械臂支撑基座固定于工作空间之内；协作铆接末端执行器与多自由度协作机械臂末端连接。

2.根据权利要求1所述的人机协作铆接系统，其特征在于，所述数控运动机构通过高精度的转动或直线运动的形式，使得部件的全部待铆接区域处于多自由度协作机械臂的协作铆接工作空间覆盖范围之内；所述铆接工作踏台不随数控运动机构运动。

3.根据权利要求1所述的人机协作铆接系统，其特征在于，所述协作铆接末端执行器包括视觉测量模块、孔深测量模块、铆钉限位及切换插钉模块、承力安装结构；承力安装结构，用于安装协作铆接末端执行器上的功能组件；视觉测量模块，用于视野内铆钉孔位的识别、定位与法向计算；孔深测量模块，用于待铆接区域铆钉孔的孔深或壁厚测量；铆钉限位及切换插钉模块，用于铆钉的插孔及顶紧。

4. 根据权利要求3所述的人机协作铆接系统，其特征在于，所述视觉测量模块包括顶部光源、光源支架、相机光源、3D视觉传感器以及视觉传感器支架； 3D视觉传感器采用可调节支架安装，以保证视觉传感器可获取最佳观测视野，支架调节完成后位姿转换关系为固定值。

5.根据权利要求3所述的人机协作铆接系统，其特征在于，所述孔深测量模块包括驱动电机、精密传动机构、孔深测量单元以及测深传感器；精密传动机构控制测深传感器匀速运行，测深传感器可沿轴线方向进行旋转，其指向与限位后的铆钉指向共线。

6.根据权利要求3所述的人机协作铆接系统，其特征在于，所述铆钉限位及切换插钉模块包括横向切换气缸、带弹性外皮的铆钉卡爪、铆钉到位检测传感器、滑台以及隐藏于内部的滑台驱动气缸和铆钉顶紧机构；铆钉限位及切换插钉模块支持至少两种直径、多种长度的铆钉限位与机构切换插孔操作，并可进行铆钉的到位检测。

7.根据权利要求1所述的人机协作铆接系统，其特征在于，所述人工铆接末端执行器上安装有铆枪组件，人工铆接末端执行器侧方设置有铆接启动/保险装置及快捷铆接交互扳钮。

8.根据权利要求1-7任一项所述人机协作铆接系统的人机协作铆接方法，其特征在于，包括：

步骤一：当人机协作铆接控制系统接收到需要铆接的点位序列后，首先根据目标点位序列控制协作机械臂运动到目标点位对应的就绪位置，启动协作铆接末端执行器对当前实际目标孔位的位置、法向及孔径进行测量与计算，并利用基于模板匹配的相对运动导引算法对目标孔深进行测量；

步骤二：人机协作铆接控制系统根据孔深、孔径与铆钉、钉帽及垫片规格的映射关系进行铆钉、钉帽及垫片规格推荐，同时记录实际孔位与推荐数据，可由协作触摸控制屏进行显示；

步骤三：多自由度协作机械臂运动至目标铆接点，协作铆接末端执行器的铆钉限位及切换插钉模块的横向切换气缸将对应直径的铆钉卡爪切换到等待位置；目标规格铆钉到达信号确认后，人机协作铆接控制系统将目标铆钉切换到铆接准备位置，并利用孔位的位置与法向数据引导多自由度协作机械臂将末端的目标铆钉轴线对准目标孔位，完成铆接孔位对准；

步骤四：人机协作铆接控制系统控制滑台气缸使铆钉限位及切换插钉模块的滑台伸出，令铆钉末端进入目标孔内，铆钉顶杆伸出并沿铆钉轴线将铆钉顶紧在部件铆接孔处；

步骤五：协作铆接人员确认铆钉规格正确后，根据协作触摸控制屏上推荐的钉帽与垫片规格信息，从铆接物料库中选取垫片或钉帽并套入铆钉杆完成铆接准备，然后控制人工铆接末端执行器完成铆接操作；

步骤六：通过人工铆接末端执行器或协作触摸控制屏将协作铆接末端执行器的滑台与顶杆自动收回，并令多自由度协作机械臂离开当前铆接任务点，进入下一目标孔位的协作铆接任务流程；

步骤七：当多自由度协作机械臂运动范围内的全部区域铆接任务完成后，人工确认后驱动数控运动机构运动，令部件的其余待铆接位点进入人机协作铆接区域，以进行分区域的循环铆接工作。

9.根据权利要求8所述的人机协作铆接方法，其特征在于，其协作铆接错误处理与恢复策略为：

1）：人工错误类型判别，协作铆接错误有两类，一类为协作机器人系统铆钉插入失败，一类为铆接孔位使用的铆钉规格错误，人工失误的处理措施等同于铆钉规格错误；

2）：若判断错误类型为机器人系统铆钉插入失败，则通过多自由度协作机械臂的关节力矩检测可检测到力矩值偏离正常工作值，系统自动进行错误处理流程，控制滑台与铆钉顶杆缩回，并使机械臂沿原前进路径返回，之后移动末端至废料盒处，顶杆推出进行抛钉操作，并返回就绪位置；

3）：若判断错误类型为铆钉规格错误或人工铆接失误，则通过协作触摸控制屏的退钉按钮控制协作铆接末端执行器的滑台与铆钉顶杆缩回，并使多自由度协作机械臂沿原前进路径返回就绪位置；之后借助控制屏进行铆钉规格人工选择；

4）：完成2）或3）的错误处理流程之后，人机协作铆接控制系统控制协作铆接末端执行器获取期望规格的铆钉，并转入正常人机协作铆接流程。