一种基于力反馈的机器人装配自动寻孔方法技术

本发明专利技术公开了一种基于力反馈的机器人装配自动寻孔方法，属于工业机器人智能控制技术领域，不需要视觉图像处理，基于六维力传感器反馈信息，合理估计孔相对于轴的偏移方向和偏移距离，规划寻孔策略。通过装配中轴与孔的尺寸值，在控制之前计算偏移距离与等效力臂一一对应的数学关系。然后在控制过程中通过六维力传感器监测力信号得到水平面上综合力矩和轴向力的大小，计算寻孔过程的等效力臂，然后根据该等效力臂与偏移距离的关系确定偏移距离。同时，根据力矩各分量大小求得正确的偏移方向，之后根据已知的偏移距离和偏移方向采取变步长的调整方案，实现寻孔方案。最后，利用导纳控制原理在寻孔过程结束后主动柔顺地将轴插入孔中。本发明专利技术的优点在于：不需要复杂的视觉图像处理，且具有高效率和通用性。 1

An automatic drilling method for robot assembly based on force feedback

The invention discloses a robot assembly automatic hole finding method based on force feedback, which belongs to the field of industrial robot intelligent control technology. It does not need visual image processing. Based on the feedback information of six dimensional force sensor, it is reasonable to estimate the offset direction and offset distance of the pore phase to the axis, and to plan the hole seeking strategy. By assembling the size values of the shaft and the hole, the mathematical relationship between the offset distance and the equivalent force arm is calculated before the control. In the control process, the magnitude of the comprehensive torque and axial force on the horizontal plane is obtained by the six - dimensional force sensor monitoring force signal. The equivalent force arm of the process is calculated, and the offset distance is determined according to the relationship between the equivalent force arm and the offset distance. At the same time, the correct deviation direction is obtained according to the magnitude of the moment, and then the variable step length adjustment scheme is adopted according to the known offset distance and the offset direction, and the hole finding scheme is realized. Finally, the admittance control principle is used to actively and smoothly insert the shaft into the hole after the hole searching process is finished. The advantage of the invention is that it does not require complex visual image processing, and has high efficiency and versatility. One

【技术实现步骤摘要】
一种基于力反馈的机器人装配自动寻孔方法
本专利技术属于工业机器人智能控制
，具体涉及一种基于力反馈的机器人装配自动寻孔方法，基于六维力传感器反馈信息，合理估计孔相对于轴的偏移方向和偏移距离，规划寻孔策略。
技术介绍
在工业任务中，轴孔装配是最常见的工业作业之一，而轴孔最初接触过程中，首先面临的问题是“轴孔对中”，即“自动寻孔”问题。随着智能化程度的提高，对于初始位置不精确，轴与孔的中心位置存在一定的误差的情况，仅仅靠单纯的位置控制无法完成装配任务，则需要根据实际情况智能地调整轴孔相对位置。针对寻孔过程，目前的做法有两种，其一是利用视觉信息，经过图片处理实时计算轴孔的相对位置，但是该方法需要实时处理图片信息，对于工业装配控制器的处理频率要求较高，在普通的工业任务中一般较难满足；另一种是利用六维力传感器的力反馈信息，根据力矩值求得的方向以恒定步长运动，但是这种方法会存在低效率和非通用性问题，低效率性体现在均匀步长的调整过程比较迟缓，而非通用性表现在较小偏差下较大调整步长的情况下无法适应所有的轴孔间隙。
技术实现思路
鉴于以上问题，本专利技术的目的是针对现有的轴孔装配中寻孔过程的低效率恒定步长的寻孔方法在时效上和通用性的不足，提出一种基于力反馈的机器人装配自动寻孔方法。该方法采用了变步长方法，通过六维力传感器信息计算轴孔相对移动的偏移量和偏移方向，引入了等效力臂的概念，使得偏移量和等效力臂成一一对应关系，同时通过变步长的控制策略，达到了加速且稳定的轴孔装配寻孔效果，具有较强的通用性和可调节性。本方法主要是基于力反馈的机器人装配自动寻孔方法，分为以下步骤：步骤1：对于固定尺寸的圆轴圆孔装配过程，根据力传感器反馈值设计合理的对中方案，假设轴端面和接触孔的端面均匀接触，则轴孔之间受力均匀，接触力与接触面积有关，根据所述轴与所述孔的尺寸，离线地计算不同偏移距离下的等效力臂，并用固定阶数的函数拟合等效力臂和孔尺寸的转换关系；步骤2：在寻孔过程中，对所述轴与所述孔接触过程的接触力利用力传感器进行信息采集，判断轴孔之间是否已经接触，若是，则继续后续步骤，否则继续采集接触力信息；步骤3：以所述轴端面圆心为坐标原点建立坐标系，根据力传感器在轴上的安装位置，利用力传感器采集信号，将经过滤波处理的力传感器信号的力矩和力转换为相对于所述轴端面坐标系的力矩和力；步骤4：根据转换后的力矩值确定孔相对于轴的偏移方向，根据该偏移方向确定微调方向；步骤5：提取出步骤3中所述六维力传感器转换后的接触力/力矩信息，根据所述轴轴向方向的作用力和另外两个方向的接触力矩，计算当前作用力与作用力矩下的等效力臂；步骤6：根据步骤1中所述拟合函数的对应关系求得步骤5所述等效力臂下的偏移距离；步骤7：将步骤6所述偏移距离乘以可选的比例因子，再将所述比例因子与偏移距离的乘积加上固定的较小的数值，使求和结果作为寻孔策略的微调距离；步骤8：利用机械臂控制将轴从步骤3所述接触点抬起小段距离，之后根据步骤4所述微调方向和步骤7所述微调距离移动，再次将所述轴向下移动，若轴能向下移动超过端面2毫米，则进入下一步骤；步骤9：根据导纳控制原理，在轴插入孔中2mm之后，根据所述力传感器力反馈信息，分别将各个方向的力/力矩值调整为相应方向上的位移/旋转变化量；步骤10：随着轴不断深入孔中，若轴插入深度大于孔深的0.8倍，则停止装配，否则，继续重复步骤9。所述步骤1中，在控制前根据轴孔的几何关系确定等效力臂与偏移距离的关系，是变步长寻孔方案的重要步骤。所属步骤3中，将六维力传感器信息根据传感器安装位置，通过坐标转换将六维力信号转换为轴端坐标系的六维力信息，其中，所属坐标转换关系为三维力根据检测力在轴坐标中的坐标系分量发生转换，而三维力矩根据检测检测力矩在轴坐标中的坐标系分量发生转换，同时加上三维力所产生的力矩的矢量和。所属步骤5和步骤6中，利用所述转换后的力矩除以轴向作用力为等效力臂，在离线计算中，所述等效力臂只与轴孔尺寸和偏移距离有关，则利用等效力臂与偏移距离的一一对应关系的离线计算的拟合函数求得偏移距离。所述步骤7中，所述微调距离的值由两部分之和组成，其一为固定的较小的偏移量数值，其二为所述求得偏移距离与比例系数的乘积，这两部分共同形成了变步长的微调距离。如上所述，本专利技术基于力反馈的机器人装配自动寻孔方法的优点在于：引入离线计算等效力臂的概念，等效力臂的计算只与轴孔尺寸和偏移距离有关，在实际运用中等效力臂与偏移距离一一对应，当接触力任意变化时具有通用性；变步长的微调方案避免了恒定步长下低效率和非通用性问题，在实际应用中增大了寻孔效率，对不同尺寸的轴孔具有较强的适应性，同时计算过程简单，适用于实际工业任务中。附图说明图1为自动寻孔方案流程图；图2为寻孔方案示意图；图3为轴孔接触二维视图模型图；图4为偏移距离计算简化模型图；图5为等效力臂计算流程图；图6为等效力臂-偏移距离曲线图；图7为拟合曲线与原等效力臂-偏移距离曲线对比图；图8为轴孔寻孔方案仿真结果图；具体实施方式本专利技术在于提供一种基于等效力臂的变步长寻孔方法，应用于工业装配过程，解决孔的对中问题，加速寻孔过程。其中，采用了结合离线在线综合计算手段，在轴孔接触过程中变步长的自动寻孔方案，利用六维力传感器信息，面向实际操作中目标位置的不精确条件下轴和孔之间的目标点位置存在未知误差情况下，使轴能根据受力方向和偏移方向做出相应的调整，达到变步长自动寻孔的效果，具有增快寻孔过程的优势，在工业装配中面向不精确目标下的寻孔过程提供了一种新的具有可实践性的方案，在不精确的目标位置下仍然能够实现轴孔装配过程，具有较强的现实意义。以下结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的说明，但本专利技术实施方式不限于此。本专利技术可应用于基于位置控制方式的多自由度机械臂机器人上，针对大部分普通的工业机器人均具有较强的通用性。对于不精确的目标位置下的轴孔装配过程，本专利技术主要解决轴孔之间的主动调整运动过程，如图1所示自动寻孔方案过程分为以下步骤：步骤1：在控制方案之前根据轴孔尺寸离线计算等效力臂与偏移距离的数学关系。在步骤1中，对于固定尺寸的圆轴圆孔装配过程，根据力传感器反馈值设计合理的对中方案，假设轴端面和接触孔的端面均匀接触，则轴孔之间受力均匀，接触力与接触面积有关，根据所述轴与所述孔的尺寸，离线地计算不同偏移距离下的等效力臂，并用固定阶数的函数拟合等效力臂和孔尺寸的转换关系。假设轴端面和接触孔的端面均匀接触，则轴孔之间受力均匀，接触力分布与接触面积有关，如图2所示。建立二维接触模型如图3所示。其中，根据二维模型，已知条件为轴端受到的力矩和力，求解对象为轴末端在当前状态下应对中平移的距离和方向。本方法首先计算出轴端应该移动距离，然后在根据X和Y方向的力矩值确定移动方向。首先，为了方便计算偏移距离，如图4所示简化二维模型。设定在接触点作用力均匀分布的条件下，孔端面对轴在Z轴负方向的作用力Fz恒定条件下，Fz均匀作用在接触面积S上，如图4所示，在考虑偏移距离时，不考虑偏移方向，则将轴孔放置在如下图4所示的坐标系中X轴线上，之后根据轴端与孔圆心的偏差距离，在作用力F0下，计算在接触面积(如图4所示阴影部分)产生的的力矩。首先，如图3所示，根据力矩关系可知：其中，总本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于力反馈的机器人装配自动寻孔方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

【技术特征摘要】
1.一种基于力反馈的机器人装配自动寻孔方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)在控制前，根据所述轴与所述孔的尺寸，离线地计算不同偏移距离下的等效力臂，并用固定阶数的函数拟合等效力臂和偏移距离的对应关系；(2)根据力信号判定所述轴孔是否接触；(3)换算所述轴在所述轴坐标系下的受力分量；(4)根据步骤(3)所述受力分量中的力矩值确定孔相对于轴的偏移方向；(5)根据步骤(3)所述受力分量中轴向力和接触力矩，计算等效力臂；(6)根据步骤(1)所述拟合函数的对应关系求得步骤(5)所述等效力臂下的偏移距离；(7)根据步骤(6)所述偏移距离乘以可选的比例因子，再将所述比例因子与偏移距离的乘积加上固定的较小的数值，使求和结果作为寻孔策略的微调距离；(8)利用机械臂控制将所述轴从步骤(3)所述接触点抬起小段距离，之后根据步骤(4)所述微调方向和步骤(7)所述微调距离移动，再次将所述轴向下移动，若轴能向下移动超过所述孔端面一定距离，则进入下一步骤，若不能则继续步骤(3)；(9)利用力反馈信息，所述轴根据导纳控制原理继续进行插孔任务；(10)随着所述轴不断深入孔中，若轴插入深度大于孔深的0.8倍，则停止装配，否则，继续重复步骤(9)。2.如权利要求1所述的一种基于力反馈的机器人装配自动寻孔方法，其特征在于，所述步骤(1)中根据等效力臂与偏移距离的一一对应关系，离线拟合出所述等效力臂...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋荆洲，廖琳静，陈庆乐，宋佳润，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11