基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法、系统、装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于微装配领域，具体涉及了一种基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法、系统、装置，旨在为了解决微器件的高精度装配过程中容易损坏的问题。本发明专利技术的方法包括：将微型轴零件和微型孔零件调整至主动约束状态；利用渐进式插入控制方法控制微型孔零件运动使微型轴零件插入微型孔零件；获取微型孔零件和微型轴零件间的力、力矩信息；通过主动约束状态控制方法调整微型孔零件的位置，主动柔顺控制方法调整微型轴零件的姿态，使得微型孔零件和微型轴零件间力和力矩一直处于阈值范围内，直至完成整微型孔零件和微型轴零件的装配。本发明专利技术有效避免微器件装配中的卡阻现象，可实现微器件的高精度无损装配，具有重要的应用意义。

【技术实现步骤摘要】
基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法、系统、装置
本专利技术属于微装配领域，具体涉及了一种基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法、系统、装置。
技术介绍
微力及力矩控制是微操作与微装配
里的关键技术之一，可广泛应用于微机电系统、精密光电子工程等领域。在微装配领域，微器件通常需要显微视觉来定位，与宏观装配相比，既提高了装配效率，也可避免搜孔操作对微器件带来的损害。然而，由于显微视觉景深小、视野范围小、易被遮挡等原因，显微视觉通常会在微器件插入阶段失效。对于装配精度要求较高或装配元件易损坏的情况，则需要在插入阶段实时监控微器件在装配时的受力以确保元件的无损装配。由于微器件间产生的力或力矩主要是由二者的位姿偏差造成的，所以在插入阶段需要解决如何根据力或力矩信息来消除微器件间的位姿置偏差从而实现无损装配。通过分析可知，微器件在装配时可能出现的配合情形较复杂，一种受力情形会对应多种位姿偏差情形，即一对多的映射问题。如何根据力或力矩的信息来估计位姿偏差从而实现最终的装配是一项值得深入研究的内容。目前国内外多维微力和力矩控制的文献比较有限，其中Qiao[1]等对轴孔装配做了一系列深入的研究，基于手腕式六维力传感器，详细讨论了如何通过力或力矩信息来分析轴在无倒角孔外接触情形的位姿偏差大小和方向以及相应的控制策略。总的来说，现有的微力及力矩控制方法不能避免微器件的卡阻现象，无法实现微器件的无损装配。以下文献是与本专利技术相关的技术背景资料：[1]QiaoH.,DalayB.S.andParkinR.M.Roboticpeg-holeinsertionoperationsusingasix-componentforcesensor,ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers,PartC:JournalofMechanicalEngineeringScience,1993,207:289-306.
技术实现思路
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决微器件的高精度装配过程中容易损坏的问题，本专利技术提供了一种基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法，包括：步骤S10，将微型轴零件和微型孔零件调整至主动约束状态；步骤S20，利用渐进式插入控制方法控制微型孔零件运动使微型轴零件插入微型孔零件；步骤S30，获取第一信息、第二信息；所述第一信息、所述第二信息分别为微型孔零件所受力、力矩；步骤S40，基于所述第一信息进行微型孔零件的位置调整，所述第二信息进行微型轴零件的姿态调整，并执行步骤S20，直至完成整微型孔零件和微型轴零件的装配。其中，所述位置调整和姿态调整包括：当所述第一信息大于预设的第一阈值时，通过主动约束状态控制方法调整微型孔零件的位置使所述第一信息小于等于所述第一阈值；当所述第二信息大于预设的第二阈值时，通过主动柔顺控制方法调整微型轴零件的姿态使所述第二信息小于等于所述第二阈值。在一些优选的实施例中，步骤S10中微型轴零件和微型孔零件所处于的主动约束状态为：Fxs＝0，Fys＝0，Mxs＝0，Mys＝0其中Fxs为微型孔零件受到的X轴方向的力，Fys为微型孔零件受到的Y轴方向的力，Mxs为微型孔零件受到的X轴方向的力矩，Mys微型孔零件受到的Y轴方向的力矩，X-Y为微型孔零件中孔的横切面的二维坐标系。在此状态下受力状态与位置姿态偏差变为一对一的映射关系，可以直接依据力矩信息进行微型孔零件和微型轴零件之间位置姿态偏差的调整。在一些优选的实施例中，步骤S20中所述渐进式插入控制方法为：按照预设的步长，分步控制微型孔零件在孔轴方向沿微型轴零件的轴方向的插入动作。插入动作通过开关sw2控制：其中，dz是微型孔零件的插入深度，Fzs为微型孔零件所受到的轴向力，和分别为dz和Fzs的最大值。在一些优选的实施例中，所述主动约束状态控制方法通过主动约束状态控制回路进行，所述主动约束状态控制回路包括旋转矩阵J1、PI控制器Ⅰ、三维直线运动平台、微力传感器和卡尔曼滤波器。所述主动约束状态控制回路的输入是二维微力差e1：e1＝[Fxs-Fxs*Fys-Fys*]T其中Fxs*和Fys*是微型孔零件的期望受力；Fxs和Fys为微型孔零件受到的力。所述旋转矩阵J1为运动平台坐标系和力传感器坐标系之间的旋转关系矩阵；所述PI控制器Ⅰ的输出量为三维直线运动平台的输入控制量[Δux(k),Δuy(k)]Τ：[Δux(k),Δuy(k)]Τ＝KP1J1(e1(k)-e1(k-1))+KI1J1e1(k)其中，Δux(k)、Δuy(k)分别为PI控制器Ⅰ控制微型孔零件X轴方向和Y轴方向的位置调整量；KP1和KI1分别为比例和积分系数；e1(k)和e1(k-1)分别为时刻k和时刻k-1的力误差。在一些优选的实施例中，所述主动柔顺控制方法通过主动柔顺控制回路进行；所述主动柔顺控制回路包括旋转矩阵J2、PI控制器Ⅱ、摆动运动平台、微力传感器和卡尔曼滤波器。所述主动柔顺控制回路的输入是二维微力矩差e2：e2＝[Mxs(k)-Mxs*Mys(k)-Mys*]T其中Mxs*和Mys*是微型孔零件的期望所受力矩，Mxs和Mys是微型孔零件受到的力矩。所述旋转矩阵J2为运动平台坐标系和力传感器坐标系之间的旋转关系矩阵；所述PI控制器Ⅱ的输出量为摆动运动平台的输入控制量[Δuθx(k),Δuθy(k)]T：[Δuθx(k),Δuθy(k)]T＝KP2J2(e2(k)-e2(k-1))+KI2J2e2(k)其中，Δuθx(k)、Δuθy(k)分别为PI控制器Ⅱ控制微型轴零件X轴方向和Y轴方向的姿态调整量；Kp2和KI2分别为比例和积分系数；e2(k)和e2(k-1)分别为时刻k和时刻k-1的力矩误差。在一些优选的实施例中，为了避免由于调整微型轴零件和微型孔零件位置姿态带来的两者间的受力剧烈增大，需要依据PI控制器II的输出量给出三维直线运动平台的控制补偿量[Δuxc(k),Δuyc(k)]T，并基于该补偿量进行位置调整量补偿：[Δuxc(k),Δuyc(k)]T＝KC[Δuθx(k),Δuθy(k)]T其中，Δuxc(k)、Δuyc(k)分别为PI控制器Ⅰ控制微型孔零件X轴方向和Y轴方向的位置调整补偿量，X-Y为微型孔零件中孔的横切面的二维坐标系；KC为通过离线标定得到的补偿系数。本专利技术的另一方面提出了一种基于主动约束状态多维微力及力矩控制系统，包括初始状态调整模块、插入控制模块、信息获取模块、位姿调整模块；所述初始状态调整模块，将微型轴零件和微型孔零件调整至主动约束状态；所述插入控制模块，利用渐进式插入控制方法控制微型孔零件运动使微型轴零件插入微型孔零件；所述信息获取模块，获取第一信息、第二信息；所述第一信息、所述第二信息分别为微型孔所受力、力矩；所述位姿调整模块，基于所述第一信息进行微型孔零件的位置调整，所述第二信息进行微型轴零件的姿态调整；其中，所述位姿调整模块包括位置调整模块、姿态调整模块：所述位置调整模块，配置为当所述第一信息大于预设的第一阈值时，通过主动约束状态控制方法调整微型孔零件的位置使所述第一信息小于等于所述第一阈值；所述姿态调整模块，配置为当所述第二信息大于预设的第二阈值时，通过主动柔顺控制方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法，其特征在于，包括：步骤S10，将微型轴零件和微型孔零件调整至主动约束状态；步骤S20，利用渐进式插入控制方法控制微型孔零件运动使微型轴零件插入微型孔零件；步骤S30，获取第一信息、第二信息；所述第一信息、所述第二信息分别为微型孔零件所受力、力矩；步骤S40，基于所述第一信息进行微型孔零件的位置调整，所述第二信息进行微型轴零件的姿态调整，并执行步骤S20，直至完成整微型孔零件和微型轴零件的装配；其中，所述位置调整和姿态调整包括：当所述第一信息大于预设的第一阈值时，通过主动约束状态控制方法调整微型孔零件的位置使所述第一信息小于等于所述第一阈值；当所述第二信息大于预设的第二阈值时，通过主动柔顺控制方法调整微型轴零件的姿态使所述第二信息小于等于所述第二阈值。

【技术特征摘要】
1.一种基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法，其特征在于，包括：步骤S10，将微型轴零件和微型孔零件调整至主动约束状态；步骤S20，利用渐进式插入控制方法控制微型孔零件运动使微型轴零件插入微型孔零件；步骤S30，获取第一信息、第二信息；所述第一信息、所述第二信息分别为微型孔零件所受力、力矩；步骤S40，基于所述第一信息进行微型孔零件的位置调整，所述第二信息进行微型轴零件的姿态调整，并执行步骤S20，直至完成整微型孔零件和微型轴零件的装配；其中，所述位置调整和姿态调整包括：当所述第一信息大于预设的第一阈值时，通过主动约束状态控制方法调整微型孔零件的位置使所述第一信息小于等于所述第一阈值；当所述第二信息大于预设的第二阈值时，通过主动柔顺控制方法调整微型轴零件的姿态使所述第二信息小于等于所述第二阈值。2.根据权利要求1所述的一种基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法，其特征在于，步骤S10中微型轴零件和微型孔零件所处于的主动约束状态为：Fxs＝0，Fys＝0，Mxs＝0，Mys＝0其中，Fxs为微型孔零件受到的X轴方向的力，Fys为微型孔零件受到的Y轴方向的力，Mxs为微型孔零件受到的X轴方向的力矩，Mys微型孔零件受到的Y轴方向的力矩，X-Y为微型孔零件中孔的横切面的二维坐标系。3.根据权利要求1所述的一种基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法，其特征在于，步骤S20中所述渐进式插入控制方法为：按照预设的步长，分步控制微型孔零件在孔轴方向沿微型轴零件的轴方向的插入动作；插入动作通过开关sw2控制：其中，dz是微型孔零件的插入深度，Fzs为微型孔零件所受到的轴向力，和分别为dz和Fzs的最大值。4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法，其特征在于，所述主动约束状态控制方法通过主动约束状态控制回路进行，所述主动约束状态控制回路包括旋转矩阵J1、PI控制器Ⅰ、三维直线运动平台、微力传感器和卡尔曼滤波器；所述主动约束状态控制回路的输入是二维微力差e1：e1＝[Fxs-Fxs*Fys-Fys*]T其中，Fxs*和Fys*是微型孔零件中孔横切面方向的期望受力；Fxs和Fys为微型孔零件受到的力；所述旋转矩阵J1为运动平台坐标系和力传感器坐标系之间的旋转关系矩阵；所述PI控制器Ⅰ的输出量为三维直线运动平台的输入控制量[Δux(k),Δuy(k)]Τ：[Δux(k),Δuy(k)]Τ＝KP1J1(e1(k)-e1(k-1))+KI1J1e1(k)其中，Δux(k)、Δuy(k)分别为PI控制器Ⅰ控制微型孔零件X轴方向和Y轴方向的位置调整量，X-Y为微型孔零件中孔的横切面的二维坐标系；KP1和KI1分别为比例和积分系数；e1(k)和e1(k-1)分别为时刻k和时刻k-1的力误差。5.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于主动约束状态多维微力及力矩控制方法，其特征在于，所述主动柔顺控制方法通过主动柔顺控制回...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈飞，苏虎，张正涛，徐德，张峰，杨化彬，史亚莉，
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