一种基于视觉和力反馈控制的机器人装配方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于视觉和力反馈的机器人装配系统，该系统包括：工业机器人、工件轮廓检测单元、装配力检测单元、夹持单元和系统控制主机，其中：工业机器人根据系统控制主机的控制指令带动末端运动；装配力检测单元用于获得装配过程中轴工件和孔之间的接触力；夹持单元用于夹持轴工件；工件轮廓检测单元用于获取工件轮廓的测量数据；系统控制主机用于接收位置和力数据，并根据接收到的数据对装配工件进行定位，产生控制指令发送给工业机器人。本发明专利技术还公开了一种基于视觉和力反馈的机器人装配方法。本发明专利技术根据检测孔轮廓的三维数据以及轴孔装配时的力反馈数据，进行快速孔定位并规划装配的最优路径，从而实现轴孔的高精度自主装配。

【技术实现步骤摘要】
一种基于视觉和力反馈控制的机器人装配方法与系统
本专利技术涉及机器人装配
，尤其涉及一种基于视觉和力反馈的机器人方法 与系统。
技术介绍
装配是工业生产环节中非常关键的部分，装配的质量往往影响产品的最终质量。 随着航空航天、汽车、国防等领域的高精尖技术的发展，对装配技术提出了具有挑战性的要 求，例如RV减速器、航空发动机等高精度装配仍然是一个难题。 由于人工装配工作量大、效率低，有时候工作环境还很危险，并且工件装配的质量 也得不到保证，所以实现自动化装配是形势所趋；而传统工业机器人装配由于不能很好的 适应装配过程中的变化因素，只能进行一些简单的、低精度的工业装配，因此研制高精度工 业机器人自主装配系统具有重要的应用意义。 专利技术专利申请号CN-102218652-A(-种利用机器人柔性实现轴孔装配的装置和 方法）利用视觉传感器获取孔的中心位置，提供了一种在工件的位置和方位无法精确固定 的情况下，将轴装入工件上的孔中的柔性装置；CN-101041220-A (利用低精度机器人实现 高精度轴孔装配的方法）公开了一种利用低精度的机器人本体实现高精度轴孔装配的方 法，该方法利用轴孔空间中的碗状约束域实现了轴孔间的装配；CN-103203755-A(机器 人控制装置、机器人系统以及机器人控制方法）提供了一种进行修正值相对于力的方向不 对称的阻抗控制的机器人控制装置、机器人系统以及机器人控制方法等。 上述方法和装置均是在对对孔精确定位的情况下展开的工作，但实际的自主装配 过程中搜孔的算法多采用传统的螺旋搜孔法，较为耗时；而且，由于高精度轴孔装配是一个 复杂的过程，装配路径的规划也限制这些方法在实际生产中的推广应用。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供一种新的高精度工业机器人自主装配方法与系统。 根据本专利技术的一方面，提出一种基于视觉和力反馈的机器人装配系统，该系统包 括：工业机器人、工件轮廓检测单元、装配力检测单元、夹持单元和系统控制主机，其中： 所述工业机器人的末端连接所述装配力检测单元，输入端连接所述系统控制主机 的输出端，接收系统控制主机发出的控制指令，并根据所述控制指令带动末端运动； 所述装配力检测单元与所述夹持单元连接，用于获得装配过程中轴工件和孔之间 的接触力，并将采集到的力数据发送给所述系统控制主机； 所述夹持单元与所述装配力检测单元连接，用于夹持轴工件； 所述工件轮廓检测单元固定在所述夹持单元上，用于获取工件轮廓的测量数据， 并将采集到的数据发送给所述系统控制主机； 所述系统控制主机与所述工业机器人、工件轮廓检测单元、装配力检测单元连接， 用于接收所述工件轮廓检测单元和装配力检测单元采集到的数据，根据接收到的数据对于 装配工件进行定位，并产生控制指令发送给所述工业机器人。 根据本专利技术的另一方面，还提出一种基于视觉和力反馈的机器人装配方法，所述 装配方法包括以下步骤： 步骤1，将孔部件固定在工作台上，孔部件中孔的实际位置记为Ph(xh，y h); 步骤2,通过工件轮廓检测单元采集孔部件视觉装配中心的位置数据，通过统计方 法得到真实孔所在的区域； 步骤3,根据装配力检测单元检测得到的轴工件与孔之间的接触力，在真实孔所在 的区域内搜索得到孔的位置； 步骤4,根据工件轮廓检测单元和装配力检测单元获取得到的接触点的位置和力 数据，预测得到最优装配路径，并根据所述最优装配路径对于所述轴工件和孔进行装配。 本专利技术能够根据在线检测的工件表面轮廓信息、机器人与工件的接触力信息，进 行快速有效的孔定位，规划轴孔装配的最优路径，实现轴孔的快速、高精度装配。 【附图说明】 图1是根据本专利技术一实施例的基于视觉和力反馈的机器人装配系统的结构示意 图。 图2是根据本专利技术一实施例的视觉检测的孔中心概率分布示意图。 图3是根据本专利技术一实施例的系统控制主机的控制结构图。 图4是根据本专利技术一实施例的基于视觉和力反馈的机器人装配方法流程图。 【具体实施方式】 为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本专利技术进一步详细说明。 图1是根据本专利技术一实施例的基于视觉和力反馈的机器人装配系统的结构示意 图，如图1所示，为实现上述目的，本专利技术基于视觉和力反馈的机器人装配系统为一种能够 检测工件轮廓并实时调整工件位姿及运动轨迹的工业机器人装配系统，该装配系统包括工 业机器人1、工件轮廓检测单元2、装配力检测单元3、夹持单元4和系统控制主机5,其中： 所述工业机器人1的末端连接所述装配力检测单元3,输入端连接所述系统控制 主机5的输出端，接收系统控制主机5发出的装配工件速度、加速度和位置等控制指令，并 根据所述控制指令带动末端按照指定的速度移动到指定的位置； 其中，所述工业机器人1可通过以太网等方式与所述系统控制主机5连接。 在本专利技术一实施例中，所述工业机器人1为六自由度工业机器人，可采用FANUC公 司的工业机器人M6_iB。 所述装配力检测单元3与所述夹持单元4连接，用于获得装配过程中轴工件6和 孔7之间的接触力，并将采集到的力数据发送给所述系统控制主机5 ; 所述装配力检测单元3进一步包括连接法兰31、力传感器32、连接法兰33、数据采 集模块34,其中： 所述力传感器32与所述数据采集模块34连接，并通过连接法兰31与所述工业机 器人1连接，通过连接法兰33与夹持单元4连接，用于实时监测装配过程中轴工件6和孔 7之间的接触力，并将采集到的力数据发送给所述数据采集模块34 ; 在本专利技术一实施例中，所述力传感器32为六维力传感器，其可测量空间X方向、Y 方向、Z方向的力以及绕X轴、Y轴和Z轴的力矩，比如可采用AT I Gamma 130-10力矩传感器。 所述数据采集模块34与所述力传感器32和系统控制主机5连接，用于采集、转换 所述力传感器32测量得到的力数据，并将转换后的数据输入至所述系统控制主机5中。 其中，所述转换为模拟数据到数字数据的转换。 其中，所述数据采集模块34可采用NI PCI-6254数据采集卡。 所述夹持单元4与所述装配力检测单元3连接，用于夹持轴工件6 ; 其中，所述夹持单元4通过气动驱动控制其张开与合紧，在本专利技术一实施例中，所 述夹持单元4为SMC MHS4四指机械手爪。 所述工件轮廓检测单元2固定在所述夹持单元4上，用于获取工件轮廓的测量数 据，并将采集到的数据发送给所述系统控制主机5 ; 所述工件轮廓检测单元2进一步包括视觉传感器21和图像采集模块22,其中： 所述视觉传感器21用于获取孔工件轮廓的测量数据，并将获得的数据发送给所 述图像采集模块22 ; 所述图像采集模块22通过以太网与所述系统控制主机6连接，用于对于接收到的 数据进行处理，将其转换为可用的数据形式，并将处理后的数据传输给所述系统控制主机 5,由所述系统控制主机5计算得到视觉装配中心点P v的坐标，即对于视觉装配中心点Pv进 行定位，所述工件轮廓检测单元2检测到的孔中心概率分布示意图如图2所示。 在本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于视觉和力反馈的机器人装配系统，其特征在于，该系统包括：工业机器人、工件轮廓检测单元、装配力检测单元、夹持单元和系统控制主机，其中：所述工业机器人的末端连接所述装配力检测单元，输入端连接所述系统控制主机的输出端，接收系统控制主机发出的控制指令，并根据所述控制指令带动末端运动；所述装配力检测单元与所述夹持单元连接，用于获得装配过程中轴工件和孔之间的接触力，并将采集到的力数据发送给所述系统控制主机；所述夹持单元与所述装配力检测单元连接，用于夹持轴工件；所述工件轮廓检测单元固定在所述夹持单元上，用于获取工件轮廓的测量数据，并将采集到的数据发送给所述系统控制主机；所述系统控制主机与所述工业机器人、工件轮廓检测单元、装配力检测单元连接，用于接收所述工件轮廓检测单元和装配力检测单元采集到的数据，根据接收到的数据对于装配工件进行定位，并产生控制指令发送给所述工业机器人。

【技术特征摘要】
1. 一种基于视觉和力反馈的机器人装配系统，其特征在于，该系统包括：工业机器人、 工件轮廓检测单元、装配力检测单元、夹持单元和系统控制主机，其中： 所述工业机器人的末端连接所述装配力检测单元，输入端连接所述系统控制主机的输 出端，接收系统控制主机发出的控制指令，并根据所述控制指令带动末端运动； 所述装配力检测单元与所述夹持单元连接，用于获得装配过程中轴工件和孔之间的接 触力，并将采集到的力数据发送给所述系统控制主机； 所述夹持单元与所述装配力检测单元连接，用于夹持轴工件； 所述工件轮廓检测单元固定在所述夹持单元上，用于获取工件轮廓的测量数据，并将 采集到的数据发送给所述系统控制主机； 所述系统控制主机与所述工业机器人、工件轮廓检测单元、装配力检测单元连接，用于 接收所述工件轮廓检测单元和装配力检测单元采集到的数据，根据接收到的数据对于装配 工件进行定位，并产生控制指令发送给所述工业机器人。2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述装配力检测单元包括连接法兰、力传 感器、连接盘、数据采集模块，其中： 所述力传感器与所述数据采集模块连接，并通过连接法兰与所述工业机器人连接，通 过连接盘与夹持单元连接，用于实时监测装配过程中轴工件和孔之间的接触力，并将采集 到的力数据发送给所述数据采集模块； 所述数据采集模块与所述力传感器和系统控制主机连接，用于采集、转换所述力传感 器测量得到的力数据，并将转换后的数据输入至所述系统控制主机中。3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述夹持单元通过气动驱动控制其张开 与合紧。4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述工件轮廓检测单元包括视觉传感器 和图像采集模块，其中： 所述视觉传感器用于获取孔工件轮廓的测量数据，并将获得的数据发送给所述图像采 集模块； 所述图像采集模块通过以太网与所述系统控制主机连接，用于对于接收到的数据进行 处理，将其转换为可用的数据形式，并将处理后的数据传输给所述系统控制主机。5. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统控制主机包括装配路径规划模 块、孔定位模块和装配力控制模块，其中： 所述路径规划模块的输出端连接所述工业机器人的输入端，用于向所述工业机器人输 出制定好的运动路径； 所述孔定位模块的输入端连接所述工件轮廓检测单元的输出端，用于根据所述工件轮 廓检测单元发送的数据对于装配工件进行定位，并产生相应的位置控制指令； 所述装配力控制模块的输入端连接所述装配力检测单元的输出端，用于根据所述装配 力检测单元发送的数据产生装配力控制指令。6. -种基于视觉和力反馈的机器人装配方法，其特征在于，所述装配方法包括以下步 骤： 步骤1，将孔部件固定在工作台上，孔部...

【专利技术属性】
技术研发人员：王阵贺，乔红，苏建华，曹恩华，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11