一种机器人装配姿态纠偏的软体致动器控制方法与流程

本发明涉及一种软体致动器控制方法，尤其是一种机器人装配姿态纠偏的软体致动器控制方法。

背景技术：

对于广泛存在于低压电器、塑料玩具以及3c等产品中的异构非刚性零件，这类零件的装配过程中接触力以及零件之间的配合情况复杂，在此类零件的自动化装配中，传统的刚性末端执行器所执行的的夹紧-定位-安装这样的装配动作，通常会由于零件的制造误差、定位误差以及装配执行系统刚度过大等原因造成零件损坏。在当前的机器人自动化装配领域中，为了保证此类异构非刚性零件的有效装配，多采用刚性末端夹持器进行零件夹持。在机器人末端关节安装力反馈传感器，通过装配接触力反馈进行零件装配姿态感知，然后根据所感知的零件装配姿态，控制装配机器人对装配姿态进行调整。这类机器人装配姿态纠偏控制方法需要额外安装力传感器，且需要在机器人运行控制程序中增加特定的装配姿态纠偏算法，即增加了成本，降低了姿态纠偏方法对于不同机器人的适应性，又降低了机器人自动化装配的运行的效率。

相比于刚性夹持机构，采用橡胶材料制造的气动软体致动器具有多自由度以及对复杂力作用环境适应性高的特点，使得气动软体致动器对应用于装配姿态纠偏具有很好的潜力。但是目前对弹性气动软体的形变控制只对单一形变方向的大变形量进行控制，并不适用于装配姿态纠偏时多形变方向、小变形量的情况。

技术实现要素：

为了克服已有装配姿态纠偏控制方法硬件成本高、适应性不强的不足，本发明提出了一种机器人装配姿态纠偏的软体致动器控制方法，实现异构非刚性零件机器人装配过程中的装配姿态感知以及装配姿态纠偏。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种机器人装配姿态纠偏的软体致动器控制方法，对于能向任意方向偏转的多腔室气动软体致动器，采用一种结合偏转方向向量以及偏转角度的方法表示软体致动器的变形情况；根据气动软体致动器气压控制以及弹性变形的特点，将装配姿态纠偏控制过程分为装配姿态感知以及装配姿态调整两个阶段：

在装配姿态感知阶段，将气动软体机器人视为一个弯曲形变传感器，根据各腔室的气压值可以得到软体形变的偏转方向向量，根据各腔室的气压值反馈以及理想气体状态方程计算软体形变过程的体积变化，进而根据弹性材料变形的曲率连续准则计算当前体积变化下的弯曲角；

在装配姿态调整阶段，将多腔室软体视为气动弯曲致动器，根据弹性体的yeoh本构模型以及虚功原理可以得到气压做功与弯曲角度的关系，通过控制各腔室的气压使软体向指定的方向以指定的角度弯曲，从而实现装配姿态纠偏。

进一步，对于一个具有n个腔室的软体致动器，软体致动器控制方法包括以下步骤：

步骤一：确定软体致动器各腔室的弯曲方向向量

选择软体致动器的底部截面作为投影基准面，选取软体致动器底部中心点为原点，在投影基准面上建立平面坐标系，使气动软体致动器的各腔室控制气压相等，然后增加软体致动器的第i(1～n)腔室的控制气压使软体致动器产生弯曲，将气动致动器轴线在投影基准面投影方向上的单位向量作为第i腔室的弯曲方向向量；

步骤二：采集标准装配过程的各腔室气压变化情况

在机器人完成标准装配的过程中，每间隔相同时间采集n·k组软体致动器各腔室的气压数据pi,j，其中i＝1～n代表软体致动器各不同腔室，j＝1～k代表执行装配动作时采集得到的各腔室气压值序号；

步骤三：评判装配偏差状况

在机器人执行装配任务时，间隔与步骤一相同的时间采集软体致动器第i腔室不同时刻的气压反馈值p’i,j，比较pi,j与p’i,j差值，若

|pi,j-p’i,j|>δ(1)

则认为装配过程出现误差，记录当前各腔室气压值p’i并通知机器人停止装配动作退回到安全位置，其中δ为所设定的允许误差范围；

步骤四：出现装配误差时的软体姿态感知

当装配过程产生误差时，软体致动器在外力作用下产生弯曲，其弯曲方向即为外力作用方向，根据力的相互作用，此时作用在软体致动器上的外力与各腔室气压对软体制动器的合力反向；根据步骤一中确定的各腔室弯曲方向向量以及弯曲情况下各腔室的气压值p’i，可以得到误差状况下各腔室气压对软体致动器合力的弯曲方向向量为

则软体致动器在误差状况下的弯曲方向与此方向向量相反，即

对于装配误差情况下的软体致动器弯曲形变过程作假设以简化分析，根据理想气体状态方程，气体体积v与气压p之间的关系为

其中n为气体物质量，r为气体常量，t为温度，则根据软体致动器弯曲形变前的空腔体积、气压，弯曲形变后的气压值以及公式(4)得到形变发生后的软体致动器气腔体积vm；

进一步，根据软体致动器的截面形状得到弯曲形变之后的弯曲角θ与软体致动器体积vm的关系

θ＝f(vm)(5)

则根据公式(3)提供的软体致动器弯曲方向以及公式(5)提供的弯曲角确定装配误差时的软体致动器装配姿态；

步骤五：软体致动器装配姿态调整

根据零件装配过程的接触力、配合类型分析以及步骤(4)中装配偏差时的装配姿态感知，得到当前误差状况下的正确装配姿态，即进行正确装配时的软体致动器的偏转方向向量以及偏转角度θc；

由公式(2)中所表达的各腔室气压对软体致动器合力的弯曲方向向量，则有

其中pin,i为各气腔输入气体压强；

基于步骤四中的假设以及公式(5)得到软体致动器弯曲角度为θc时各气腔体积

vm,i＝gi(θc)(i＝1～n)(7)

其中n为软体致动器气腔个数，gi()为弯曲角度θc与各气腔体积vm,i之间的函数关系；

在软体致动器装配姿态调整过程中，压缩气体所做的功完全用于克服外部约束力以及橡胶材料内部应力所做的功，根据虚功原理，建立平衡表达式

其中dvc,i为姿态调整前后气腔体积变化量，vr，i为各气腔橡胶材料体积，wou为克服外部约束所做的功，w为橡胶材料能量密度函数，采用二阶yeoh本构模型应变能量密度函数，则

其中，c10，c20为材料参数，λ为致动器轴向主伸长比；

联立公式(6)～(9)，代入各部分已知量求得软体致动器姿态纠偏控制所需的各气腔输入气体压强pin,i，通过控制输入气体压强达到所需值即可调整气动软体致动器到正确装配姿态，并返回步骤三重新执行装配动作。

所述第四步中，对于装配误差情况下的软体致动器弯曲形变过程，作以下假设以简化分析：

4.1)气动软体致动器无径向膨胀，即截面外部轮廓尺寸不变；

4.2)气动软体致动器气腔外壁的橡胶材料均匀变化；

4.3)不考虑应变限制层对整体变形过程产生的力学影响；

4.4)形变前后弹性基体的总体体积保持不变；

4.5)多腔室气动软体致动器在弯曲变形过程中曲率均匀变化。

本发明的主要技术构思为：采用一种投影的方法将气动软体致动器的弯曲方向表示为各气腔气压合力的作用方向，利用气动软体执行器的各气腔气压反馈实现机器人自动化装配过程的装配姿态感知，通过对软体执行器的气压控制使气动软体以指定的方式发生弯曲形变从而达到装配姿态纠偏调整的目的。

本发明的有益效果主要表现在：提出了一种应用于机器人装配姿态纠偏的软体致动器控制方法，相较于其他的装配姿态识别纠偏，能降低硬件成本、提高异构非刚性零件机器人装配的效率以及适用性。

附图说明

图1为机器人装配姿态纠偏的软体致动器控制方法的流程图。

图2为软体气动致动器应用示例。

图3为图2的a-a截面图，其中，1为末端执行器底板，2为可动顶珠安装杆，3为顶珠安装杆，4为三腔室柱形气动软体装置，5为夹持机构安装杆，6为固定顶珠，7为顶紧气缸，8为气缸安装板，9为顶珠弹簧，10为夹持机构固定板，11为夹持机构。

图4为软体气动致动器偏转示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种机器人装配姿态纠偏的软体致动器控制方法，对于能向任意方向偏转的多腔室气动软体致动器，采用一种结合偏转方向向量以及偏转角度的方法表示软体致动器的变形情况。根据气动软体致动器气压控制以及弹性变形的特点，将装配姿态纠偏控制过程分为装配姿态感知以及装配姿态调整两个阶段。在装配姿态感知阶段，将气动软体机器人视为一个弯曲形变传感器，根据各腔室的气压值可以得到软体形变的偏转方向向量，根据各腔室的气压值反馈以及理想气体状态方程计算软体形变过程的体积变化，进而根据弹性材料变形的曲率连续准则计算当前体积变化下的弯曲角。在装配姿态调整阶段，将多腔室软体视为气动弯曲致动器，根据弹性体的yeoh本构模型以及虚功原理可以得到气压做功与弯曲角度的关系，通过控制各腔室的气压可以使软体向指定的方向以指定的角度弯曲，从而实现装配姿态纠偏。

以一个应用了三腔室软体气动执行器(附图2中零件4)的刚软复合机器人末端执行器为对象对本发明作进一步描述，软体致动器控制方法包括以下步骤：

步骤一：确定软体致动器各腔室的弯曲方向向量

选择软体致动器的底部截面作为投影基准面，选取软体致动器底部中心点为原点，在投影基准面上建立平面坐标系。使气动软体致动器的各腔室控制气压相等，然后增加软体致动器的某一腔室的控制气压使软体致动器产生弯曲(如图3所示)，由于该三气腔软体气动执行器各气腔以120°为间隔排列，其各气腔在投影基准面上的单位向量分别为(如图3所示)。

步骤二：采集标准装配过程的各腔室气压变化情况

在机器人完成标准装配的过程中，每间隔相同时间采集n·k组软体致动器各腔室的气压数据pi,j。其中i＝1～3代表软体致动器各不同腔室，j＝1～k代表执行装配动作时采集得到的各腔室气压值序号。

步骤三：评判装配偏差状况

在机器人执行装配任务时，间隔与步骤一相同的时间采集软体致动器第i腔室不同时刻的气压反馈值p’i,j，比较pi,j与p’i,j差值，若

|pi,j-p’i,j|>0.1pa(1)

则认为装配过程出现误差，记录当前各腔室气压值p’i并通知机器人停止装配动作退回到安全位置。

步骤四：出现装配误差时的软体姿态感知

当装配过程产生误差时，软体致动器在外力作用下产生弯曲(如图3所示)，其弯曲方向即为外力作用方向，根据力的相互作用，此时作用在软体致动器上的外力与各腔室气压对软体制动器的合力反向。根据步骤一中确定的各腔室弯曲方向向量以及弯曲情况下各腔室的气压值pi，可以得到误差状况下各腔室气压对软体致动器合力的弯曲方向向量为

则软体致动器在误差状况下的弯曲方向与此方向向量相反，即

对于装配误差情况下的软体致动器弯曲形变过程，可以作以下假设以简化分析：

4.1)气动软体致动器无径向膨胀，即截面外部轮廓尺寸不变；

4.2)气动软体致动器气腔外壁的橡胶材料均匀变化；

4.3)不考虑应变限制层对整体变形过程产生的力学影响；

4.4)形变前后弹性基体的总体体积保持不变；

4.5)多腔室气动软体致动器在弯曲变形过程中曲率均匀变化。

基于以上假设，根据理想气体状态方程，气体体积v与气压p之间的关系为

其中n为气体物质量，r为气体常量，t为温度。则可以根据软体致动器弯曲形变前的空腔体积、气压，弯曲形变后的气压值以及公式(4)得到形变发生后的软体致动器气腔体积vm。进一步，基于以上假设4.1)，4.4)，4.5)根据软体致动器的截面形状得到弯曲形变之后的弯曲角θ与软体致动器体积vm的关系

θ＝f(vm)(5)

则可以根据公式(3)提供的软体致动器弯曲方向以及公式(5)提供的弯曲角确定装配误差时的软体致动器装配姿态。

步骤五：软体致动器装配姿态调整

根据零件装配过程的接触力、配合类型分析以及步骤(4)中装配偏差时的装配姿态感知，可以得到当前误差状况下的正确装配姿态，即进行正确装配时的软体致动器的偏转方向向量以及偏转角度θc。

由公式(2)中所表达的各腔室气压对软体致动器合力的弯曲方向向量，则有

其中pin,i为各气腔输入气体压强。

基于步骤四中的假设4.1)～4.5)以及公式(5)可以得到软体致动器弯曲角度为θc时各气腔体积

vm,i＝gi(θc)(i＝1～3)(7)

其中gi()为弯曲角度θc与各气腔体积vm,i之间的函数关系；

在软体致动器装配姿态调整过程中，压缩气体所做的功完全用于克服外部约束力以及橡胶材料内部应力所做的功，根据虚功原理，建立平衡表达式

其中dvc,i为姿态调整前后气腔体积变化量，vr，i为各气腔橡胶材料体积，wou为克服外部约束所做的功，w为橡胶材料能量密度函数，采用二阶yeoh本构模型应变能量密度函数，则

其中，c10，c20为材料参数由橡胶材料取c10＝0.11mpa，c20＝0.02mpa，λ为致动器轴向主伸长比。

在所应用的示例中该三气腔气动致动器固连在夹钳安装杆上，且所固连的夹钳安装杆受弹簧弹力约束(如图2所示)，因而在姿态调整过程中有

其中，m为弹簧个数，ki，li分别为各个顶紧弹簧的弹簧系数以及姿态调整时的形变量，g和h分别为固连在软体致动器上的物体重量及其在姿态调整过程中的位移。

联立公式(6)～(10)，代入各部分已知量求得软体致动器姿态纠偏控制所需的各气腔输入气体压强pin,i，通过控制输入气体压强达到所需值即可调整气动软体致动器到正确装配姿态。