一种机械臂柔顺装配设备及控制方法技术

本发明专利技术提供一种机械臂柔顺装配设备及控制方法，包括装配工位单元和视觉定位单元；装配工位单元包括工作台、夹持装置、翻转板、翻转驱动机构、第一压力传感器阵列、第二压力传感器阵列、视觉定位单元和控制单元；视觉定位单元包括图像采集装置；本发明专利技术用压力传感器阵列代替末端力传感器，不需要在机械臂末端安装力觉传感器，只需要通过安装在PCB夹持板下安装多点力觉传感器，通过压力反馈，实现机械臂的力与位置的混合控制，增加装配柔顺性；减少相机使用，通过翻转机构与相机的平面移动，实现工件正反面装配，解决人工装配异型电子元器件效率低、成本高、质量难以保证的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种机械臂柔顺装配设备及控制方法
本专利技术属于机器人
，具体地说，涉及一种机械臂柔顺装配设备及控制方法。
技术介绍
随着现代科技的发展，电子产品更新迭代速度加快，其中印刷电路板PCB是电子产品的基础。电子产品的质量依赖于电路板组装线的装配精度，装配精度低将导致接触不良、断路等后果，影响电子产品消费者的体验。现有的技术中，表面组装技术SMT只可实现常规电子元器件的装配自动化，而异型电子元器件还需要大量的人工进行装配。人工进行装配的缺点是效率低、成本高、质量难以保证等。在工业机械臂装配领域，机械臂可以代替工人进行重复性劳动，具有装配效率高、综合成本低、质量易于管控的特点。因此，用多自由度机械臂进行装配作业可将人类从重复劳动中解放出来，且可提高装配精度。但是，在面向PCB的异型电子元器件装配领域的现有技术中，还存在着以下不足：一、现有的机械臂装配设备专用性强，对于异型电子元器件的组装操作适配性不好。二、机械臂刚性大，PCB刚性小，如果不对机械臂进行柔顺装配控制，轻则导致工件损害，重则导致机械臂电机过热，减少使用寿命，甚至损坏机械臂。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提供一种机械臂柔顺装配设备及控制方法，用压力传感器阵列代替末端力传感器，不需要在机械臂末端安装力觉传感器，只需要通过安装在PCB夹持板下安装多点力觉传感器，通过压力反馈，实现机械臂的力与位置的混合控制，增加装配柔顺性；减少相机使用，通过翻转机构与相机的平面移动，实现工件正反面装配，解决人工装配异型电子元器件效率低、成本高、质量难以保证的问题。本专利技术的技术方案是：一种机械臂柔顺装配设备，包括装配工位单元和所述视觉定位单元；所述装配工位单元包括工作台、夹持装置、翻转板、翻转驱动机构、第一压力传感器阵列、第二压力传感器阵列、视觉定位单元和控制单元；所述翻转板、翻转驱动机构、第一压力传感器阵列和第二压力传感器阵列分别设置在工作台上；所述第一压力传感器阵列和第二压力传感器阵列分别包括多个压力传感器；所述工作台上设有第一工位和第二工位，第一压力传感器阵列位于第一工位上，第二压力传感器阵列位于第二工位上；所述夹持装置固定于翻转板上，用于夹持工件；所述翻转驱动机构与翻转机构连接；翻转驱动机构驱动翻转板带动夹持装置转动变换工位；当工件位于第一工位时，翻转板底面与第一压力传感器阵列接触，第一压力传感器阵列用于测量翻转板与初始工件的压力；当工件位于第二工位时，夹持装置与第二压力传感器阵列接触，第二压力传感器阵列用于测量在第一工位装配后的工件与翻转板的压力；第一压力传感器阵列和第二压力传感器阵列分别与机械臂控制器连接，将测量到的压力信息传送给机械臂控制器；所述视觉定位单元包括图像采集装置；图像采集装置位于装配工位单元上方，用于采集第一工位和第二工位的图像，并发送到控制单元；所述控制单元分别与图像采集装置、翻转驱动机构和机械臂轨迹规划器连接；所述控制单元将图像采集装置采集到的图像进行处理得到工件坐标与姿态信息，并传递给机械臂轨迹规划器，经机械臂轨迹规划器规划获得期望轨迹信息并传送给机械臂控制器，机械臂控制器通过获得的轨迹规划信息以及机械臂实际测量的轨迹信息进行误差反馈控制机械臂的运动轨迹，通过得到的压力信息控制电机动力进行机械臂装配工作。上述方案中，所述图像采集装置包括工业相机、光源、平面移动机构和视觉单元固定装置；所述工业相机和光源安装在平面移动机构上，平面移动机构安装在视觉单元固定装置上；所述控制单元分别与工业相机和平面移动机构连接；所述工业相机能够在平面移动机构上进行平面运动；工业相机用于采集第一工位和第二工位的图像，并发送到控制单元。上述方案中，所述夹持装置包括两块扣板，两块扣板分别位于翻转板的两侧，扣板一侧设有插槽，工件通过插槽安装在翻转板上，通过此插槽可自适应更换以装配不同工件。上述方案中，所述翻转板中间镂空，便于安装工件背面。上述方案中，所述翻转驱动机构包括第一轴承座、第二轴承座、旋转轴、联轴器和电动机；所述旋转轴通过第一轴承座和第二轴承座安装在工作台上，电动机的输出轴通过联轴器和旋转轴连接。上述方案中，所述旋转轴为阶梯轴；所述翻转板一侧设有铁块；所述旋转轴内安装有电磁吸附装置；所述电磁吸附装置通电后可吸附位于翻转板一侧的铁块，用于固定翻转板。上述方案中，所述第一压力传感器阵列和第二压力传感器阵列分别包括四个压力传感器；四个压力传感器两两对称布置。上述方案中，所述控制单元为工控机或嵌入式图像处理器。一种根据所述机械臂柔顺装配设备的控制方法，包括以下步骤：将工件安装在所述第一工位的翻转板上通过夹持装置夹持；所述第一压力传感器阵列测量翻转板与初始工件的压力并发送给机械臂控制器；控制单元控制翻转板翻转，带动工件转动到第二工位；所述第二压力传感器阵列测量在第一工位装配后的工件与翻转板的压力并发送给机械臂控制器；所述机械臂控制器在工件表面法线方向即Z轴方向采用力控制，在其余自由度方向采用位置控制；所述机械臂控制器通过第一压力传感器阵列或第二压力传感器阵列获得机械臂与安装工件的法向接触力Fz控制机械臂电机动力；所述图像采集装置采集第一工位和第二工位的图像，并发送到控制单元；所述控制单元将图像采集装置采集到的图像进行处理得到工件坐标与姿态信息xc，将工件位姿信号xc传送给轨迹规划器，经机械臂动力学轨迹规划后，获得期望轨迹信息包括机械臂关节期望位置qd、机械臂关节期望速度机械臂关节期望加速度将轨迹规划信息qd、传送给机械臂控制器，机械臂控制器通过获得的轨迹规划信息以及机械臂实际测量的旋转角度qreal与旋转速度进行误差反馈控制，输出电机转矩τ，控制机械臂电机转动进行机械臂装配工作。上述方案中，所述机械臂控制器通过第一压力传感器阵列或第二压力传感器阵列获得机械臂与安装工件的法向接触力Fz通过一下方法计算：所述第一压力传感器阵列或第二压力传感器阵列分别包括四个压力传感器；四个压力传感器两两对称布置；四个压力传感器测得的压力值分别为F1、F2、F3、F4；令第一压力传感器阵列或第二压力传感器阵列形成的受力矩形边长为2a和2b，接触点受力为Fext，将Fext分解为Fx、Fy、Fz，都为未知参数，此处通过第一压力传感器阵列或第二压力传感器阵列得到Z轴方向受力，即不关心Fx、Fy；经过受力分析，在Z轴方向可联立：a(F1+F2-F3-F4)-nFz＝0b(F1+F4-F2-F3)-mFz＝0F1+F2-F3-F4-Fz＝0解得：F3＝Fz-F4-F1-F2其中，a为受力矩形面宽度的一半，b为受力矩形面高度的一半，m为受力点到受力矩形面y轴的距离，n为受力点到受力矩形面x轴的距离，、Fz未知，通过第一压力传感器阵列或第二压力传感器阵列获得压力传感器数值F1、F2、F3、F4，可解得Fz，若各式求出的Fz大小有差距，为摩擦力的原因，可取平均数，最后令Fext＝F本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机械臂柔顺装配设备，其特征在于，包括装配工位单元和所述视觉定位单元；/n所述装配工位单元包括工作台(6)、夹持装置(13)、翻转板(4)、翻转驱动机构(9)、第一压力传感器阵列(51)、第二压力传感器阵列(52)、视觉定位单元和控制单元；/n所述翻转板(4)、翻转驱动机构(9)、第一压力传感器阵列(51)和第二压力传感器阵列(52)分别设置在工作台(6)上；所述第一压力传感器阵列(51)和第二压力传感器阵列(52)分别包括多个压力传感器(5)；所述工作台(6)上设有第一工位(101)和第二工位(102)，第一压力传感器阵列(51)位于第一工位(101)上，第二压力传感器阵列(52)位于第二工位(102)上；所述夹持装置(13)固定于翻转板(4)上，用于夹持工件；所述翻转驱动机构(9)与翻转机构(4)连接；翻转驱动机构(9)驱动翻转板(4)带动夹持装置(13)转动变换工位；当工件位于第一工位(101)时，翻转板(4)底面与第一压力传感器阵列(51)接触，第一压力传感器阵列(51)用于测量翻转板(4)与初始工件的压力；当工件位于第二工位(102)时，夹持装置(13)与第二压力传感器阵列(52)接触，第二压力传感器阵列(52)用于测量在第一工位(101)装配后的工件与翻转板(4)的压力；第一压力传感器阵列(51)和第二压力传感器阵列(52)分别与机械臂控制器连接，将测量到的压力信息传送给机械臂控制器；/n所述视觉定位单元包括图像采集装置；图像采集装置位于装配工位单元上方，用于采集第一工位(101)和第二工位(102)的图像，并发送到控制单元；所述控制单元分别与图像采集装置、翻转驱动机构(9)和机械臂轨迹规划器连接；所述控制单元将图像采集装置采集到的图像进行处理得到工件坐标与姿态信息，并传递给机械臂轨迹规划器，经机械臂轨迹规划器规划获得期望轨迹信息并传送给机械臂控制器，机械臂控制器通过获得的轨迹规划信息以及机械臂实际测量的轨迹信息进行误差反馈控制机械臂的运动轨迹，通过得到的压力信息控制电机动力进行机械臂装配工作。/n...

【技术特征摘要】
1.一种机械臂柔顺装配设备，其特征在于，包括装配工位单元和所述视觉定位单元；
所述装配工位单元包括工作台(6)、夹持装置(13)、翻转板(4)、翻转驱动机构(9)、第一压力传感器阵列(51)、第二压力传感器阵列(52)、视觉定位单元和控制单元；
所述翻转板(4)、翻转驱动机构(9)、第一压力传感器阵列(51)和第二压力传感器阵列(52)分别设置在工作台(6)上；所述第一压力传感器阵列(51)和第二压力传感器阵列(52)分别包括多个压力传感器(5)；所述工作台(6)上设有第一工位(101)和第二工位(102)，第一压力传感器阵列(51)位于第一工位(101)上，第二压力传感器阵列(52)位于第二工位(102)上；所述夹持装置(13)固定于翻转板(4)上，用于夹持工件；所述翻转驱动机构(9)与翻转机构(4)连接；翻转驱动机构(9)驱动翻转板(4)带动夹持装置(13)转动变换工位；当工件位于第一工位(101)时，翻转板(4)底面与第一压力传感器阵列(51)接触，第一压力传感器阵列(51)用于测量翻转板(4)与初始工件的压力；当工件位于第二工位(102)时，夹持装置(13)与第二压力传感器阵列(52)接触，第二压力传感器阵列(52)用于测量在第一工位(101)装配后的工件与翻转板(4)的压力；第一压力传感器阵列(51)和第二压力传感器阵列(52)分别与机械臂控制器连接，将测量到的压力信息传送给机械臂控制器；
所述视觉定位单元包括图像采集装置；图像采集装置位于装配工位单元上方，用于采集第一工位(101)和第二工位(102)的图像，并发送到控制单元；所述控制单元分别与图像采集装置、翻转驱动机构(9)和机械臂轨迹规划器连接；所述控制单元将图像采集装置采集到的图像进行处理得到工件坐标与姿态信息，并传递给机械臂轨迹规划器，经机械臂轨迹规划器规划获得期望轨迹信息并传送给机械臂控制器，机械臂控制器通过获得的轨迹规划信息以及机械臂实际测量的轨迹信息进行误差反馈控制机械臂的运动轨迹，通过得到的压力信息控制电机动力进行机械臂装配工作。


2.根据权利要求1所述的机械臂柔顺装配设备，其特征在于，所述图像采集装置包括工业相机(2)、光源(3)、平面移动机构(7)和视觉单元固定装置(1)；所述工业相机(2)和光源(3)安装在平面移动机构(7)上，平面移动机构(7)安装在视觉单元固定装置(1)上；所述控制单元分别与工业相机(2)和平面移动机构(7)连接；所述工业相机(2)能够在平面移动机构(7)上进行平面运动；工业相机(2)用于采集第一工位(101)和第二工位(102)的图像，并发送到控制单元。


3.根据权利要求1所述的机械臂柔顺装配设备，其特征在于，所述夹持装置(13)包括两块扣板，两块扣板分别位于翻转板(4)的两侧，扣板一侧设有插槽，工件通过插槽安装在翻转板(4)上。


4.根据权利要求1所述的机械臂柔顺装配设备，其特征在于，所述翻转板(4)中间镂空。


5.根据权利要求1所述的机械臂柔顺装配设备，其特征在于，所述翻转驱动机构(9)包括第一轴承座(17)、第二轴承座(18)、旋转轴(10)、联轴器(11)和电动机(12)；所述旋转轴(10)通过第一轴承座(17)和第二轴承座(18)安装在工作台(6)上，电动机(12)的输出轴通过联轴器(11)和旋转轴(10)连接。


6.根据权利要求1所述的机械臂...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾寄南，姜岩，庞晨涛，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32