基于力反饋的工業(yè)機器人輔助裝配柔性對接方法與流程

本發(fā)明屬于航天設(shè)備裝配技術(shù)領(lǐng)域。具體來說，涉及一種用于航天設(shè)備干涉檢測、位姿調(diào)整及柔性對接的工業(yè)機器人輔助裝配柔性對接方法。

技術(shù)背景

目前，工業(yè)機器人具有載重量大、調(diào)整精度高等特點，可實現(xiàn)大重量零部件的穩(wěn)定保持與精確調(diào)整。為了將工業(yè)機器人與航天設(shè)備的安裝結(jié)合，現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)公開了兩項中國發(fā)明專利兩項：(1)《一種航天器機械臂柔性隨動控制方法》，申請?zhí)枺篊N2013105721 78.9；(2)《一種航天器機械臂柔性隨動控制重力補償方法》，申請?zhí)枺篊N201310552492.0。以上兩種方法已在試驗中實現(xiàn)安裝設(shè)備在工業(yè)機器人輔助下，隨人手動作進(jìn)行移動和轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)安裝設(shè)備的位姿調(diào)整。

但在具體使用時存在一個問題：工業(yè)機器人在控制端輸入信號的控制下運動，對于外界環(huán)境的接觸力不具有柔性調(diào)節(jié)的能力，采用的末端執(zhí)行器也為剛性結(jié)構(gòu)，沒有柔性環(huán)節(jié)；應(yīng)用中需要依靠人眼觀察實現(xiàn)對接面對接，人眼觀察無法保證工件對接面與艙體表面緊密切合；如果兩個貼合面間存在間隙，則在緊固件擰緊時會對艙體機構(gòu)造成牽拉，存在損壞艙體結(jié)構(gòu)的風(fēng)險，如果貼合過緊，工件對艙體表面壓力過大，也可能損壞艙體結(jié)構(gòu)。

因此，如何使兩個對接面完全貼合，又能使接觸力保持在安全的范圍，是工業(yè)機器人輔助裝配系統(tǒng)需要解決的一個問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對裝配對接中遇到的對接面不平行造成的受力不均等問題，本發(fā)明在工業(yè)機器人通過六維傳感器得到裝配過程中工件受到的外部干涉力，進(jìn)一步采用力位控制方法，實現(xiàn)了接觸對接過程中工件位姿的柔性調(diào)整，既使對接 面間的完全貼合，又將接觸力控制在安全的范圍內(nèi)，同時，采用“對接柔順控制”使工業(yè)機器人末端順應(yīng)工件邊界，并能將接觸力保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。

本發(fā)明中的干涉檢測是當(dāng)工業(yè)機器人末端工件與安裝設(shè)備接觸時，六維力傳感器接收到接觸時產(chǎn)生的接觸力反饋，接觸力超過預(yù)定值時，控制系統(tǒng)認(rèn)為接觸發(fā)生，并采取相應(yīng)的控制策略。

本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

基于力反饋的工業(yè)機器人輔助裝配柔性對接方法，其特征在于，通過人手推動或扭轉(zhuǎn)小六維力傳感器，使工業(yè)機器人末端工件進(jìn)行相應(yīng)的即時運動，微調(diào)工件對接位姿，實現(xiàn)安裝工件的位姿調(diào)整，同時，根據(jù)大六維力傳感器的反饋信息，結(jié)合力/位混合的控制方法，由實際作用力與理想作用力之間的誤差對工業(yè)機器人的運動軌跡進(jìn)行實時修正，使接觸力保持在期望范圍內(nèi)，實現(xiàn)柔性對接。

其中，通過工控機對大六維力傳感器、小六維力傳感器信號進(jìn)行采集與融合處理，根據(jù)受力信息及柔性力控制方法生成工業(yè)機器人運動信號，發(fā)送至工業(yè)機器人控制器中，控制工業(yè)機器人運動，實現(xiàn)工件的位姿調(diào)整。

其中，根據(jù)接觸產(chǎn)生的力與力矩信息調(diào)整被安裝工件位姿，使兩個對接面不斷貼近，趨于平行，直至在保證安全接觸力的前提下無法繼續(xù)貼近，即完成了對接面的對接。

其中，在安裝面定義機器人基坐標(biāo)系，記為BASE，定義垂直于安裝面向外的方向為BASE的Z軸，工件與安裝面發(fā)生接觸后，工件受到的外力垂直于安裝面，得到BASE的Z軸在工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系下的方向向量為：

機器人工具坐標(biāo)系Z軸的方向向量為：

定義BASE的X軸在工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系中的方向向量為：

則BASE的Y軸在機器人工具坐標(biāo)系中的方向向量為：

以上定義了BASE坐標(biāo)軸在工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系下的方向向量，其中Z軸垂直于安裝面，X、Y軸構(gòu)成的平面平行于安裝面，在柔性對接中對X、Y、Z軸方向的速度獨立控制，實現(xiàn)保持接觸力的同時工件能夠沿安裝面移動。

其中，控制中實時獲取負(fù)載受到的外部力/力矩信息，根據(jù)不同的外部作用信息進(jìn)行判斷控制：

(a)未接觸時移動：首先判斷外力的合力是否大于預(yù)設(shè)的閾值Fs1，若則認(rèn)為未發(fā)生接觸，按照在自由空間的控制策略控制工業(yè)機器人向安裝面移動；若則認(rèn)為接觸發(fā)生，按照力/位控制的策略控制工業(yè)機器人使工件柔性對接；

(b)接觸時移動：時認(rèn)為接觸發(fā)生，可根據(jù)外力按照上述定義算法得到BASE坐標(biāo)系3個坐標(biāo)軸方向向量，并對BASE坐標(biāo)系X、Y、Z軸方向的速度獨立控制。由小六維力傳感器受力信息換算至BASE坐標(biāo)系X、Y軸的分量，得到BASE坐標(biāo)系X、Y方向的速度。BASE坐標(biāo)系Z方向的速度則根據(jù)大六維力傳感器感知到接觸力的大小進(jìn)行反饋控制，當(dāng)時，工件做回退運動，當(dāng)時，工件做前進(jìn)運動；

(c)接觸時轉(zhuǎn)動：時認(rèn)為接觸發(fā)生，判斷外力矩大小是否大于預(yù)設(shè)的閾值Ms，若則認(rèn)為不需要旋轉(zhuǎn)，若則根據(jù)力矩分量換算工業(yè)機器人角速度分量，對工件進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。

本發(fā)明通過力反饋和算法控制使安裝設(shè)備和安裝面完全貼合，貼合精度 遠(yuǎn)高于利用人眼觀察并通過人手隨動調(diào)整貼合。由于不用反復(fù)通過人眼觀測對接狀況并調(diào)整設(shè)備位姿，對接效率也大大提高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的工業(yè)機器人柔性力控系統(tǒng)的組成示意圖。

圖2為本發(fā)明的工業(yè)機器人柔性對接位姿調(diào)整示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的工業(yè)機器人柔性力控系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說明，這些具體實施方式僅僅是示例性的，并不旨在對本發(fā)明的保護(hù)范圍進(jìn)行任何限制。

參見圖1，圖1顯示了本發(fā)明的工業(yè)機器人柔性力控系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)中的系統(tǒng)相類似，該系統(tǒng)主要由工控機、工業(yè)機器人控制器、工業(yè)機器人、大小兩個六維力傳感器、末端執(zhí)行器、工件等組成。其中，大六維力傳感器的量程較大，安裝在工業(yè)機器人末端與負(fù)載(即末端執(zhí)行器與工件)之間，通過重力補償算法消除負(fù)載重力的影響后，可感知負(fù)載受到的外部作用力。小六維力傳感器的量程較小，測量靈敏度高，專用于感知人手的操作力。

本發(fā)明可以按照具體安裝位置需要，通過人手推動或扭轉(zhuǎn)小六維力傳感器，使工業(yè)機器人末端工件進(jìn)行相應(yīng)的即時運動，微調(diào)工件對接位姿，實現(xiàn)安裝工件的位姿調(diào)整。在一具體的實施方式中，根據(jù)大、小六維力傳感器的力覺反饋信息，結(jié)合力/位混合的控制方法，根據(jù)實際作用力與理想作用力之間的誤差對工業(yè)機器人的運動軌跡進(jìn)行實時修正，使接觸力保持在要求的范圍內(nèi)，實現(xiàn)柔性對接。

本發(fā)明的工業(yè)機器人柔性對接位姿調(diào)整方法的示意圖如圖2所示。通過人手推動六維傳感器(小)，使工件移動至安裝面處。兩對接面在不平行的情況下相互接觸時，首先發(fā)生點接觸或線接觸，此時需要在保持接觸力在安 全范圍的同時，根據(jù)接觸產(chǎn)生的力與力矩信息調(diào)整被安裝工件位姿，使兩個對接面不斷貼近，趨于平行，直至在保證安全接觸力的前提下無法繼續(xù)貼近，即完成了對接面的對接。

在安裝面定義機器人基坐標(biāo)系，記為BASE，定義垂直于安裝面向外的方向為BASE的Z軸，工件與安裝面發(fā)生接觸后，工件受到的外力垂直于安裝面，因此可得到BASE的Z軸在工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系下的方向向量為：

機器人工具坐標(biāo)系Z軸的方向向量為：

定義BASE的X軸在工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系中的方向向量為：

則BASE的Y軸在機器人工具坐標(biāo)系中的方向向量為：

以上定義了BASE坐標(biāo)軸在工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系下的方向向量，其中Z軸垂直于安裝面，X、Y軸構(gòu)成的平面平行于安裝面，在柔性對接中可以對X、Y、Z軸方向的速度獨立控制，實現(xiàn)保持接觸力的同時工件能夠沿安裝面移動。

控制中實時獲取負(fù)載受到的外部力/力矩信息，根據(jù)不同的外部作用信息進(jìn)行判斷控制：

(a)未接觸時移動：首先判斷外力的合力是否大于預(yù)設(shè)的閾值Fs1，若則認(rèn)為未發(fā)生接觸，按照在自由空間的控制策略控制工業(yè)機器人向安裝面移動；若則認(rèn)為接觸發(fā)生，按照力/位控制的策略控制工業(yè) 機器人使工件柔性對接；

(b)接觸時移動：時認(rèn)為接觸發(fā)生，可根據(jù)外力按照上述定義算法得到BASE坐標(biāo)系3個坐標(biāo)軸方向向量，并對BASE坐標(biāo)系X、Y、Z軸方向的速度獨立控制。由小六維力傳感器受力信息換算至BASE坐標(biāo)系X、Y軸的分量，得到BASE坐標(biāo)系X、Y方向的速度。BASE坐標(biāo)系Z方向的速度則根據(jù)大六維力傳感器感知到接觸力的大小進(jìn)行反饋控制，當(dāng)時，工件做回退運動，當(dāng)時，工件做前進(jìn)運動。

(c)接觸時轉(zhuǎn)動：時認(rèn)為接觸發(fā)生，判斷外力矩大小是否大于預(yù)設(shè)的閾值Ms，若則認(rèn)為不需要旋轉(zhuǎn)，若則根據(jù)力矩分量換算工業(yè)機器人角速度分量，對工件進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。

具體而言，本發(fā)明的基于力反饋的工業(yè)機器人輔助裝配柔性對接方法，通過工控機對大六維力傳感器、小六維力傳感器信號進(jìn)行采集與融合處理，根據(jù)受力信息及柔性力控算法生成工業(yè)機器人運動指令，發(fā)送至工業(yè)機器人控制器中，控制工業(yè)機器人運動，實現(xiàn)工件的位姿調(diào)整。大六維力傳感器的量程較大，安裝在工業(yè)機器人末端與負(fù)載(即末端執(zhí)行器與工件)之間，通過重力補償算法消除負(fù)載重力的影響后，可感知負(fù)載受到的外部作用力，用于干涉檢測、位姿調(diào)整及柔性對接。小六維力傳感器的量程較小，測量靈敏度高，專用于感知人手的操作力，可實現(xiàn)工業(yè)機器人末端的人手隨動控制。

盡管上文對本發(fā)明的具體實施方式給予了詳細(xì)描述和說明，但是應(yīng)該指明的是，我們可以依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想對上述實施方式進(jìn)行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。