用于大型弱刚性结构件装配的双机器人协同柔顺装调方法技术

本发明专利技术提供了一种用于大型弱刚性结构件装配的双机器人协同柔顺装调方法，包括：对机器人系统进行机电耦合分析，通过加速度多体系统传递矩阵法建立机械子系统的动力学模型，与建立PMSM数学模型相结合，得到机器人机电耦合动力学模型；通过视觉识别支架及安装面的空间位姿，以机电耦合动力学模型为基础设计阻抗控制器，结合视觉跟踪、重力补偿、防碰撞机制实现支架的柔顺装调。本发明专利技术的柔顺装调方法，装调柔顺性好、响应快，同时通过双机器人协作实现了多型号支架的自主识别、自动抓取、在线补偿与防碰撞处理。

【技术实现步骤摘要】
用于大型弱刚性结构件装配的双机器人协同柔顺装调方法
本专利技术属于大型结构件装配
，具体涉及用于大型弱刚性结构件装配的双机器人协同柔顺装调方法。
技术介绍
随着新一代航空航天产品性能需求逐渐提升，其零部件结构逐渐呈现大尺寸、弱刚性、一体化等加工需求。如大型弱刚性舱体结构件的支架，存在种类多、规格不一、定位面朝向多变的特点，在采用机器人进行自动装夹及柔顺装调时，需要考虑不同支架的装夹状态、重力及重心、安装面与支架孔位相匹配等因素，并且视觉识别、跟踪定位、轨迹控制等过程存在不可避免的误差，同时舱体及支架存在弱刚性特点，为防止装调过程中发生刚性碰撞损坏零件，需要采用视觉定位、引导与基于力信息的柔顺装调相结合的移动式双机器人协同装调方法。阻抗控制方法是实现柔顺控制的主要方式，中国专利“CN109571484A，一种自组装任务的空间机械臂柔顺装配控制方法”，通过建立舱体-机械臂-底座的封闭链结构动力学模型，结合阻抗控制规律，实现空间机械臂稳定可靠完成舱体自组装任务。中国专利“CN111319042A，一种基于遗忘因子动态参数的机器人柔顺装配控制方法”，采用遗忘因子函数动态改变阻抗控制初始位置值，然后基于阻抗控制获取机器人末端运动位置。上述两项专利方案在动力学建模过程中，均没有考虑电机对机械臂控制的影响，降低了动力学模型的准确性，影响装调的柔顺性。中国专利“CN109940605A，融合三维视觉与接触力分析的柔顺装配系统及方法”，通过深度相机将采集的数据转化为位置信息，规划装配路线；结合六维力传感器采集不同装配条件下的数据，训练神经网络模型并建立映射关系，对装配过程中的力与力矩进行预测，保障装调动作的柔顺性和准确性。但该方法仍存在不足：采用基于视觉的离线轨迹规划，忽视了装调过程中轴孔无法完全匹配及意外碰撞等情况；同时，采用神经网络计算装调过程力传感器数据中重力的影响因素，只能对单一规格产品固定装夹及安装姿态进行重力补偿。现有的机器人柔顺装调方法主要是针对固定装调产品与对象，通过视觉或离线编程的方式确定初始安装轨迹，结合力传感器计算装调接触力进行柔顺控制。但在面对多规格产品、变安装面且开敞性较差的装调任务时，会因没有全程视觉引导及通用的重力补偿方法而发生产品与安装面或环境碰撞的情况，损坏产品。同时，现有的基于动力学的阻抗控制模型多是建立机器人及装配对象的动力学模型，忽视了机器人电机对控制效果的影响，影响装配过程的稳定性，严重时将导致柔顺装调过程中发生颤振。
技术实现思路
针对上述
技术介绍
中所指出的现有技术存在的不足，本专利技术提出一种用于大型弱刚性结构件装配的双机器人协同柔顺装调方法。本专利技术所采用的技术方案为：用于大型弱刚性结构件装配的双机器人协同柔顺装调方法，采用的双机器人协同柔顺装调系统包括第一AGV移动平台和第二AGV移动平台，所述第一AGV移动平台上搭载有装调机器人，所述装调机器人末端安装有用于抓住待安装支架的气动夹爪，所述气动夹爪和所述装调机器人末端法兰盘间安装有六维力传感器；所述第二AGV移动平台上搭载有视觉跟踪机器人，所述视觉跟踪机器人末端安装有双目深度相机；所述双机器人协同柔顺装调方法包括如下步骤：步骤S1、对双机器人协同柔顺装调系统进行机电耦合结构分析，将整个系统分为电气子系统、传动子系统和机械子系统，并将电气子系统和传动子系统合并作为交流永磁伺服电机传动系统；步骤S2、建立交流永磁伺服电机传动系统的数学模型，通过Clarke变换，将包括电机电压、电机电流的三相正交交流量转换为两相正交交流量；步骤S3、再Park变换，将两相正交交流量转换为两相正交直流量；步骤S4、通过步骤S2和S3确定输出扭矩与定子电流的关联关系，并获得三相交流永磁伺服电机数学模型，确定电机电流与输出扭矩之间的关系；步骤S5、将机械子系统分解为包括移动平台、连杆、关节和末端的多体系统，并根据各部分自然属性，分为“体”元件和“铰”元件，并建立拓扑结构图；步骤S6、求解机械子系统“体”元件与“铰”元件各部件传递矩阵和传递方程，通过固定机器人姿态下的系统边界条件，求解系统特征方程，得到系统未知状态变量及边界点状态矢量，获得机械子系统的动力学传递方程；在机械子系统的动力学传递方程的基础上，结合参数识别、系统的边界条件，求解机械子系统的动力学方程；步骤S7、将步骤S4的三相交流永磁伺服电机数学模型带入机械子系统的动力学方程中，获得机器人系统机电耦合动力学模型；步骤S8、完成所述六维力传感器、所述气动夹爪的空间位置标定及手眼标定；步骤S9、对所述六维力传感器进行零点标定及滤波处理；步骤S10、通过所述视觉跟踪机器人对待安装支架进行扫描定位，确定待安装支架空间位置，将空间位置经过双机器人当前空间位置转换后发送给所述装调机器人，完成对待安装支架的自动识别与装夹；步骤S11、在所述装调机器人夹持待安装支架后，采集机器人6组重力标定姿态下的机器人位姿和所述六维力传感器的读数，通过空间转换求得所述气动夹爪及待安装支架的重力和重心；步骤S12、经步骤S11计算得到当前气动夹爪及所述待安装支架的重力和重心后，通过视觉识别安装面的空间位置及安装姿态，按照步骤S10中的空间位置转换方法，将待安装支架的安装位置及姿态经过转换后发送给所述装调机器人；步骤S13、所述装调机器人夹持待安装支架进行装调的过程包括定位与姿态调整过程、预接触过程及柔顺装调过程；在定位与姿态调整过程中，所述装调机器人根据步骤S12中的待安装支架的安装位置及姿态，在进入预接触过程前达到安装位置L，并完成安装姿态的调整；在预接触过程中，降低机器人当前运行速度，并开启柔顺控制功能；在柔顺装调过程中，利用步骤S7中得到的机器人系统机电耦合动力学模型，设计阻抗控制器，并以步骤S12中得到的安装位姿为期望位姿，通过阻抗控制方式实现柔顺装调；在预接触过程和柔顺装调过程中，根据步骤S11求得的气动夹爪及待安装支架的重力和重心，进行实时重力补偿，消除所述气动夹爪及待安装支架的重力对装调柔顺控制的影响；在所述装调机器人夹持待安装支架进行装调的整个过程中，采用所述视觉跟踪机器人进行全程跟踪、预判，保证所述装调机器人平稳有序的完成支架柔顺装调；步骤S14、除步骤S13中的视觉跟踪进行防碰撞外，在进入预接触过程后，还为所述六维力传感器设置各方向上的最大接触力阈值，当超过阈值后则停止机器人当前动作，并朝着力减小的方向进行调整，直至六维力信息小于设置的阈值；同时，还设置单向力瞬间改变值阈值，当某一方向发生单向力信息瞬间变化超过瞬间改变阈值，则机器人急停；步骤S15、在保证步骤S12至S14顺利执行的前提下，当所述装调机器人达到期望安装位置和姿态，六维力信息达到期望力信息后，则完成当前待安装支架的柔顺装调；当安装新的支架时，则重复步骤S10至S15，实现对不同形状、大小及安装面的支架的自动化柔顺装调。进一步地，步骤S2中，Clarke变换本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于大型弱刚性结构件装配的双机器人协同柔顺装调方法，其特征在于，采用的双机器人协同柔顺装调系统包括第一AGV移动平台(1)和第二AGV移动平台(7)，第一AGV移动平台(1)上搭载有装调机器人(2)，装调机器人(2)末端安装有用于抓住待安装支架(8)的气动夹爪(4)，气动夹爪(4)和装调机器人(2)末端法兰盘间安装有六维力传感器(3)；第二AGV移动平台(7)上搭载有视觉跟踪机器人(6)，视觉跟踪机器人(6)末端安装有双目深度相机(5)；/n所述双机器人协同柔顺装调方法包括如下步骤：/n步骤S1、对双机器人协同柔顺装调系统进行机电耦合结构分析，将整个系统分为电气子系统、传动子系统和机械子系统，并将电气子系统和传动子系统合并作为交流永磁伺服电机传动系统；/n步骤S2、建立交流永磁伺服电机传动系统的数学模型，通过Clarke变换，将包括电机电压、电机电流的三相正交交流量转换为两相正交交流量；/n步骤S3、再Park变换，将两相正交交流量转换为两相正交直流量；/n步骤S4、通过步骤S2和S3确定输出扭矩与定子电流的关联关系，并获得三相交流永磁伺服电机数学模型，确定电机电流与输出扭矩之间的关系；/n步骤S5、将机械子系统分解为包括移动平台、连杆、关节和末端的多体系统，并根据各部分自然属性，分为“体”元件和“铰”元件，并建立拓扑结构图；/n步骤S6、求解机械子系统“体”元件与“铰”元件各部件传递矩阵和传递方程，通过固定机器人姿态下的系统边界条件，求解系统特征方程，得到系统未知状态变量及边界点状态矢量，获得机械子系统的动力学传递方程；在机械子系统的动力学传递方程的基础上，结合参数识别、系统的边界条件，求解机械子系统的动力学方程；/n步骤S7、将步骤S4的三相交流永磁伺服电机数学模型带入机械子系统的动力学方程中，获得机器人系统机电耦合动力学模型；/n步骤S8、完成六维力传感器(3)、气动夹爪(4)的空间位置标定及手眼标定；/n步骤S9、对六维力传感器(3)进行零点标定及滤波处理；/n步骤S10、通过视觉跟踪机器人(6)对待安装支架(8)进行扫描定位，确定待安装支架(8)空间位置，将空间位置经过双机器人当前空间位置转换后发送给装调机器人(2)，完成对待安装支架(8)的自动识别与装夹；/n步骤S11、在装调机器人(2)夹持待安装支架(8)后，采集机器人6组重力标定姿态下的机器人位姿和六维力传感器(3)的读数，通过空间转换求得气动夹爪(4)及待安装支架(8)的重力和重心；/n步骤S12、经步骤S11计算得到当前气动夹爪(4)及待安装支架(8)的重力和重心后，通过视觉识别安装面的空间位置及安装姿态，按照步骤S10中的空间位置转换方法，将待安装支架(8)的安装位置及姿态经过转换后发送给装调机器人(2)；/n步骤S13、装调机器人(2)夹持待安装支架(8)进行装调的过程包括定位与姿态调整过程、预接触过程及柔顺装调过程；/n在定位与姿态调整过程中，装调机器人(2)根据步骤S12中的待安装支架(8)的安装位置及姿态，在进入预接触过程前达到安装位置L，并完成安装姿态的调整；/n在预接触过程中，降低机器人当前运行速度，并开启柔顺控制功能；/n在柔顺装调过程中，利用步骤S7中得到的机器人系统机电耦合动力学模型，设计阻抗控制器，并以步骤S12中得到的安装位姿为期望位姿，通过阻抗控制方式实现柔顺装调；/n在预接触过程和柔顺装调过程中，根据步骤S11求得的气动夹爪(4)及待安装支架(8)的重力和重心，进行实时重力补偿，消除气动夹爪(4)及待安装支架(8)的重力对装调柔顺控制的影响；/n在装调机器人(2)夹持待安装支架(8)进行装调的整个过程中，采用视觉跟踪机器人(6)进行全程跟踪、预判，保证装调机器人(2)平稳有序的完成支架柔顺装调；/n步骤S14、除步骤S13中的视觉跟踪进行防碰撞外，在进入预接触过程后，还为六维力传感器(3)设置各方向上的最大接触力阈值，当超过阈值后则停止机器人当前动作，并朝着力减小的方向进行调整，直至六维力信息小于设置的阈值；同时，还设置单向力瞬间改变值阈值，当某一方向发生单向力信息瞬间变化超过瞬间改变阈值，则机器人急停；/n步骤S15、在保证步骤S12至S14顺利执行的前提下，当装调机器人(2)达到期望安装位置和姿态，六维力信息达到期望力信息后，则完成当前待安装支架(8)的柔顺装调；当安装新的支架时，则重复步骤S10至S15，实现对不同形状、大小及安装面的支架的自动化柔顺装调。/n...

【技术特征摘要】
1.用于大型弱刚性结构件装配的双机器人协同柔顺装调方法，其特征在于，采用的双机器人协同柔顺装调系统包括第一AGV移动平台(1)和第二AGV移动平台(7)，第一AGV移动平台(1)上搭载有装调机器人(2)，装调机器人(2)末端安装有用于抓住待安装支架(8)的气动夹爪(4)，气动夹爪(4)和装调机器人(2)末端法兰盘间安装有六维力传感器(3)；第二AGV移动平台(7)上搭载有视觉跟踪机器人(6)，视觉跟踪机器人(6)末端安装有双目深度相机(5)；
所述双机器人协同柔顺装调方法包括如下步骤：
步骤S1、对双机器人协同柔顺装调系统进行机电耦合结构分析，将整个系统分为电气子系统、传动子系统和机械子系统，并将电气子系统和传动子系统合并作为交流永磁伺服电机传动系统；
步骤S2、建立交流永磁伺服电机传动系统的数学模型，通过Clarke变换，将包括电机电压、电机电流的三相正交交流量转换为两相正交交流量；
步骤S3、再Park变换，将两相正交交流量转换为两相正交直流量；
步骤S4、通过步骤S2和S3确定输出扭矩与定子电流的关联关系，并获得三相交流永磁伺服电机数学模型，确定电机电流与输出扭矩之间的关系；
步骤S5、将机械子系统分解为包括移动平台、连杆、关节和末端的多体系统，并根据各部分自然属性，分为“体”元件和“铰”元件，并建立拓扑结构图；
步骤S6、求解机械子系统“体”元件与“铰”元件各部件传递矩阵和传递方程，通过固定机器人姿态下的系统边界条件，求解系统特征方程，得到系统未知状态变量及边界点状态矢量，获得机械子系统的动力学传递方程；在机械子系统的动力学传递方程的基础上，结合参数识别、系统的边界条件，求解机械子系统的动力学方程；
步骤S7、将步骤S4的三相交流永磁伺服电机数学模型带入机械子系统的动力学方程中，获得机器人系统机电耦合动力学模型；
步骤S8、完成六维力传感器(3)、气动夹爪(4)的空间位置标定及手眼标定；
步骤S9、对六维力传感器(3)进行零点标定及滤波处理；
步骤S10、通过视觉跟踪机器人(6)对待安装支架(8)进行扫描定位，确定待安装支架(8)空间位置，将空间位置经过双机器人当前空间位置转换后发送给装调机器人(2)，完成对待安装支架(8)的自动识别与装夹；
步骤S11、在装调机器人(2)夹持待安装支架(8)后，采集机器人6组重力标定姿态下的机器人位姿和六维力传感器(3)的读数，通过空间转换求得气动夹爪(4)及待安装支架(8)的重力和重心；
步骤S12、经步骤S11计算得到当前气动夹爪(4)及待安装支架(8)的重力和重心后，通过视觉识别安装面的空间位置及安装姿态，按照步骤S10中的空间位置转换方法，将待安装支架(8)的安装位置及姿态经过转换后发送给装调机器人(2)；
步骤S13、装调机器人(2)夹持待安装支架(8)进行装调的过程包括定位与姿态调整过程、预接触过程及柔顺装调过程；
在定位与姿态调整过程中，装调机器人(2)根据步骤S12中的待安装支架(8)的安装位置及姿态，在进入预接触过程前达到安装位置L，并完成安装姿态的调整；
在预接触过程中，降低机器人当前运行速度，并开启柔顺控制功能；
在柔顺装调过程中，利用步骤S7中得到的机器人系统机电耦合动力学模型，设计阻抗控制器，并以步骤S12中得到的安装位姿为期望位姿，通过阻抗控制方式实现柔顺装调；
在预接触过程和柔顺装调过程中，根据步骤S11求得的气动夹爪(4)及待安装支架(8)的重力和重心，进行实时重力补偿，消除气动夹爪(4)及待安装支架(8)的重力对装调柔顺控制的影响；
在装调机器人(2)夹持待安装支架(8)进行装调的整个过程中，采用视觉跟踪机器人(6)进行全程跟踪、预判，保证装调机器人(2)平稳有序的完成支架柔顺装调；
步骤S14、除步骤S13中的视觉跟踪进行防碰撞外，在进入预接触过程后，还为六维力传感器(3)设置各方向上的最大接触力阈值，当超过阈值后则停止机器人当前动作，并朝着力减小的方向进行调整，直至六维力信息小于设置的阈值；同时，还设置单向力瞬间改变值阈值，当某一方向发生单向力信息瞬间变化超过瞬间改变阈值，则机器人急停；
步骤S15、在保证步骤S12至S14顺利执行的前提下，当装调机器人(2)达到期望安装位置和姿态，六维力信息达到期望力信息后，则完成当前待安装支架(8)的柔顺装调；当安装新的支架时，则重复步骤S10至S15，实现对不同形状、大小及安装面的支架的自动化柔顺装调。


2.根据权利要求1所述的用于大型弱刚性结构件装配的双机器人协同柔顺装调方法，其特征在于，步骤S2中，Clarke变换具体为：
将励磁磁场的轴线称为直轴，记为d；电枢磁场的轴线称为交轴，记为q；电机三相电abc产生的磁场V，大小及旋转角速度不变，将其投影到αβ坐标系，得到：



公式(1)中，Vα为...

【专利技术属性】
技术研发人员：田威，王品章，李波，廖文和，梁爽，李宇飞，崔光裕，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32