专利名称：一种用于自动装配的具有受控灵活性和仿真力的工业机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于自动装配的方法和装置，该自动装配采用具有受控灵活性和系统固有仿真力的工业机器人以简化机器装配过程。
背景技术：
在最近40年，工业机器人已在制造自动化中得到了多种应用。已滞后于期望的机器人自动化的一个重要应用领域是机械装配和材料去除过程。机器人装配比人工装配有很多优点，因为手工劳动是枯燥、劳累，且可引起重复运动压力损伤以及因工人在装配中操纵重物引起的损伤。这些对人的影响导致维持质量、效率、工作满意度和健康的问题。在机器人可执行工作的那些应用中，这些考虑可使自动化非常吸引人。
当前的工业机器人是快速、精确和可靠的。但是，在配合部件之间的相对位置极重要的装配应用中，机器人自身的定位准确度不是那么有关，因为部件的相对位置比其绝对位置重要。在那些应用中，机器人不得不宽容并适应装配容限而不是位置不确定度。装配之前良好的绝对位置可能有助于在装配期间减小搜索范围，因为位置控制用来到达用于装配的起始点。在将要配合的部件达到接触之前给出相对位置的视觉系统可帮助减小无目标的搜索。
现有技术装置可概括地分成两种类型被动装置和主动装置。这样的被动设备中的一种类型，即，在美国专利No.4,720,923、美国专利No.4,627,169和美国专利No.4,537,557中说明的远程中心依从设备，对产生将它们设计用于的特定部件的装配非常有效。但是，这些被动设备缺乏通用性，不能不借助另一部分特定设备覆盖一大类装配任务，且不主动地相对于彼此定位并旋转配合部件，这导致较长的装配时间、对机器人较高准确度的需求和机器人故障的较高风险。
另一方面，在主动装置的情况下，例如配备有力传感器的工业机器人，互作用力被测量、反馈到控制器并用于修改、或甚至在线生成机器人端执行器的所需轨迹。亦众所周知的是，与机器人模型组合的电机扭矩可用于确定端执行器的所需轨迹。使用电机扭矩和机器人模型得到的准确度不如使用力传感器得到的准确度好。
虽然具有主动力控制的机器人具有多样性和可针对不同应用编程的优点，但其需要更先进的控制系统以及适合的编程以规定机器人必须怎样与外部约束交互。过去的和现在的研究集中在研究和实施控制策略以使机器人当与环境交互的同时能建立稳定和柔和的接触。现在，不存在用以开发力控制能力的高级编程语言或简单编程概念。
将力反馈引入工业机器人仅使机器人能响应于环境力，其决不命令机器人应如何向部件配合移动。换言之，成功的力反馈控制只独自试图避免高接触力或分离趋势，且缺乏根据其几何外形将部件绑定在一起的机制。例如在传动装置的装配中，尽管使能力控制的依从机器人将保证不发生阻塞/磨损，但它不会使机器人正确对准配合工件。如果在配合部件不确定度高且可能的部件接触状况的组合很多的情形下决不是不可能实施、且在数学上不可能处理，则基于互作用力修改机器人位置的传统思想是麻烦和困难的。
因此期望的是，提供一种方法和装置，用于基于简单和有效的力控制的装配策略以便成功地进行部件配合。还期望的是，提供一种装配策略和编程概念，其可容易地建立在现有位置受控机器人上以执行复杂的装配任务。进一步期望的是，该装配策略和编程概念应当可应用于多种控制策略，包括但不限于基于准许控制的力控制策略。
发明内容
工业机器人具有但不限于机器人控制器、用于保持将要与保持在机器人控制器不精确知道的位置和取向的第二工件配合的第一工件的端执行器、以及预定数目的接合关节，每一关节具有其自己的致动设备和运动测量设备。
机器人控制器响应于来自机器人的力测量，用于将至少一个力矢量叠加在力测量上，该力矢量使端执行器承受一个力，该力使端执行器将第一工件向其中保持第二工件的平面移动。
一种用于操作工业机器人的方法，该工业机器人具有机器人控制器、用于保持将要与保持在机器人控制器不精确知道的位置和取向的第二工件配合的第一工件的端执行器、以及预定数目的接合关节，每一关节具有其自己的致动设备和运动测量设备。该方法包括但不限于将至少一个力矢量叠加在来自机器人的力测量上，该力矢量使端执行器承受一个力，该力使端执行器将第一工件向其中保持第二工件的平面移动。
图1示出了用于本发明的机器人系统的优选实施例。
图2示出了可用于本发明的典型程序语法。
图3示出了有关用于汽车组件装配的机器人位置的互作用力的一个例子。
图4示出了用于本发明的另一实施例。
具体实施例方式
图1图示了可容易地针对装配任务编程的机器人系统的优选实施例。
图1所示为与实施本发明的方法的计算机控制器12对接的经接合的工业机器人10。计算机控制器12包括关节速度控制器12a、准许控制12b以及用于机器人10的每一接合关节10a的机械致动设备或驱动12c和运动测量12d。图1中未示出的是为控制器12的一部分的处理器。
在典型的工业机器人中，有4至7个接合关节，且当被同步控制时，机器人10的端执行器15可在三维任务空间中移动并遵循预设计的轨迹。如上所述，每一关节将具有其自己的机械致动设备或驱动12c和测量设备12d，驱动12c典型地是伺服电机，测量设备12d典型地是测量关节角的分解器或编码器。控制12b所提供的准许功能响应于施加到端执行器的环境力而被限定为机器人端执行器15的速度，并且用于分析和综合力反馈控制以实现稳定性和敏捷性。因此，准许功能限定输入到关节速度控制器12a的基准速度如何受测得的力变化影响的动力学。
在传统工业机器人中，计算机控制器从每一关节位置测量得到输入，并驱动伺服电机，使得端执行器可准确定位于任务空间中。此装置及其控制方法对于其中例如在着色和电弧焊应用中机器人控制器知道工作对象位置并且机器人与工作对象之间的接触最小的任务是足够的。
对于如图1所示的简单应用，其中由机器人10保持的销14必须插入孔16，其位置和取向不为机器人控制器12精确知道，阻塞、磨损和不理想的长完成时间对于执行该任务的传统机器人是最常见问题。
把接触力测量引入机器人控制器12是处理问题的很自然的第一步，如DE专利No.3439495中所指出。但是，这样做会在以下方面根本改变工业机器人首先，必须在反馈控制环中充分地处理接触动力学，使得可实现所需的接触行为(例如，稳定的和柔和的)。在传统的位置受控机器人中，稳定的和柔和的接触行为很大程度上被忽略并被看作干扰。此外，要配合的部件之间的互作用力不能超过最大值，因为超过该值增大了将由机器人装配的产品将具有较短寿命、较低性能或使用时甚至可能损坏的风险。
其次，仅有保证的柔和接触不会导致成功的装配。相反，正是如何命令机器人对例如插入汽车传动配件中的花键轴的困难的接触状况起反应指示了可多快地执行任务。如前面所指出的，传统的机器人位置编程概念难以适用于这些应用。
为此，图1所示的优选实施例提供了处理上述问题的整体方法。
从安装在机器人腕部的六轴力/扭矩传感器20得到在图1中由力测量18表示的输入，由计算机控制器12中未示出的处理器生成的吸引力矢量26在优选方向或取向上叠加到测得的力上。吸引力矢量26在规定在由处理器执行的程序中。应当理解，力矢量26也可是排斥力矢量，因为其在配合部件的装配期间可能是需要的，并且由无论吸引的还是排斥的该矢量提供的力都无须恒定。
吸引力矢量26施加在机器人上，使得其中安装有诸如例如销14的配合部件之一的机器人端执行器15总是承受可能是恒定的力，即该矢量的绝对值。当端执行器15没与其中定位有诸如例如孔16的配合部件中的另一个的板22建立接触时，该吸引力将总是向该位置拖端执行器15直到建立适当的接触。
以如图1所示的孔中销装配为例，如果板22放置于机器人端执行器15下面，其中孔16的位置未知，且施加向下的吸引力(例如60N)，则这个向下的力在获得60N接触力之前将趋向于把销14向下拖向板22。在这种情况下，没有位置命令必须发送给机器人控制器12。换言之，机器人控制器12不必预先知道是否板22距销14顶端100mm或200mm。吸引力矢量的其它用途将在后面说明。
一旦与板22建立接触，就主要在准许控制块12b中处理接触行为，在控制块12b中，力/扭矩值转换为速度命令值，并且参数针对稳定的和柔和的接触来设计。如图1所示，到准许控制块12b的输入是力测量18的输出与吸引力矢量26之和。准许控制块12b的输出是到关节速度控制器12a的一个输入，关节速度控制器12a调节驱动12c使得最小化销14与板22的接触力。虽然准许控制块的此功能是本领域普通技术人员所公知的并且在Wyatt S.Newman“Stability and Performance Limits of Interaction Controllers”ASMEJournal of Dynamic Systems and Control，1992中描述，其与吸引力矢量26相结合的使用直到本发明才知道。
假设销14的顶端现在与板22的顶表面接触，但是机器人控制器12不知道孔16的位置。如图1所示，在与板表面平行的平面上的搜索速度模式24由控制器12中的处理器叠加在来自准许控制块12b的速度命令28上。这种情况下的搜索模式的一个例子可以是用以覆盖孔的可能位置的在与板表面平行的平面上的圆周运动或螺旋运动。只要孔位置的不确定度在搜索模式的可能范围内，最终销14将与孔16具有完美相配，这时，吸引力将再次自动向下拖机器人以插入孔16。可以理解，搜索范围应选定为覆盖孔16在板22上的位置的最大可能的不确定度。再次，机器人控制器12不必提供驱动机器人向下去的位置命令。虽然在这里描述的实施例中，搜索速度模式24在与板表面平行的平面上，应当理解，在其它应用中，该模式可以以使工件的配合成为可能的至少两个方向和取向。
在整个过程中，机器人计算机控制器12只必须提供1)经设计的施加适当的吸引力或排斥力；2)包含部件不确定度的合适的搜索模式；以及3)知道任务何时完成的准则。
图2示出完成以上任务的典型程序语法。
图3示出有关用于汽车组件装配的机器人位置的互作用力的一个例子，该汽车组件具有锯齿销30，其必须插入隔间32，使得隔间32的四层锯齿环34、36、38、40与销30对准。机器人保持锯齿销30。
为简化表示，在图3中只示出z方向的力和位置。可看出，初始地，部件不接触，且接触力为零，这时机器人向下移动，一旦第一层环34接触，机器人就停止向下移动，并进行搜索运动同时将接触力保持在预定量值附近。一旦环34与锯齿销30配合，机器人就继续向第二层环36移动，等等，直到所有分层的环34、36、38、40与销30配合。当该配合发生时，机器人缩回且接触力减小到零。
显然，根据上述教导，本发明可以做很多修改和变化。所以，应当理解在所附权利要求的范围内，本发明可以实践为与具体说明的不同。
图4示出遵循上述原理的一些不同的变化。例如，替代使用结合图1所述的6-DOF力/扭矩传感器，互作用力可以通过力估计器50根据电机扭矩估计，力估计器50与抖动生成器52耦合以减小摩擦效应。可替换地，准许控制器可用控制滤波器54代替；或“风速生成器”56可用于与速度控制器12a级联以适合于其它应用。准许控制功能实际上是响应于测得的力信号动态地生成速度的滤波器。
这样的滤波器的一个例子是ks/(s2+as+b)，其中s是求导算符，且为了给予滤波器更好的低频特性，可使用ks/(s+c)(s2+as+b)或k(s+d)/(s+c)(s2+as+b)。当然可采用精细得多的滤波器以优化作为互作用力的结果的速度响应动力学。为了进一步优化装配结果，吸引/排斥力矢量可能需要准许控制的另一调谐而非测得的力信号，并且随后分离的准许控制滤波器或特殊滤波器可用于吸引/排斥力矢量(见图4)。完全不利用用于吸引/排斥的滤波器，装配过程实际上可被速度信号拖/推，在图4中称为“风速”，即使这不给予与使用吸引/排斥力相同的高装配性能。
本发明也可用于其它应用，其中用于控制目的的过程力不能忽略，这样的应用的列表包括但不限于1.替代控制具有力反馈的经接合的机器人的所有自由度，可制成只有1个或2个自由度的主动依从夹子，用于拾起和放置重物或轻物，以拆解汽车工业中的组件。因此，替代6-DOF力/扭矩传感器，还可使用1到5个DOF的传感器。
2.在其中质量由机床和工件之间的接触力指示的精确研磨和抛光中。
3.在机器人摩擦挪动焊接中，其中穿透力和移动速度必须协调好。
4.其中机器人是依从的，可以让机器人自动搜索并识别工件上的拐角、孔、表面等，以促使机器人编程。具有可接受的机器人准确度，这样的系统也可用于自主测量。此外，即使当工作台上的部件在传送带上移动时，本发明也允许配合部件。
虽然结合其中第二工件在板22上的图1和4说明了本发明，应当理解，第二工件可例如由工业机器人保持在任何取向上。
应当理解，上述优选实施例的描述意图只是说明性的，并非穷举本发明。本领域的普通技术人员能够对所公开的主题的实施例进行某些增加、删除、和/或修改而不背离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种工业机器人，包括机器人控制器，端执行器，用于保持第一工件，该第一工件将与保持在所述机器人控制器不精确知道的位置和取向的第二工件配合，预定数目的接合关节，每一关节具有其自己的致动设备和运动测量设备，所述机器人控制器响应于来自所述机器人的力测量，用于将至少一个力矢量叠加在所述力测量上，该力矢量使所述端执行器承受一个力，该力引起所述端执行器将所述第一工件向其中保持所述第二工件的所述位置和取向移动。
2.权利要求1的工业机器人，其中所述机器人控制器进一步包括用于提供速度命令以便驱动所述致动设备中的每个以最小化所述第一和第二工件的接触的力的装置。
3.权利要求2的工业机器人，其中所述机器人具有用于驱动所述预定数目的致动设备中的每个的信号，并且当所述端执行器与其中保持所述第二工件的所述位置和取向发生接触时，所述机器人控制器在至少两个方向和取向上将搜索速度模式叠加在所述驱动信号上，该搜索速度模式使所述工件的配合成为可能，以引起所述端执行器将所述第一工件与所述第二工件接触。
4.权利要求3的工业机器人，其中在所述第一工件与第二工件第一次达到接触之后，所述叠加的搜索速度模式继续，直到所述第一工件与第二工件配合。
5.权利要求1的工业机器人，其中当所述第一工件与第二工件达到接触时，继续所述力矢量以帮助配合工件。
6.权利要求2的工业机器人，其中用于提供所述速度命令的所述装置是准许控制器。
7.权利要求2的工业机器人，其中在用于提供所述速度命令的所述装置被致动之前，所述机器人控制器使用位置控制将所述第一工件运送到起始点，以便与所述第二工件装配在一起。
8.权利要求7的工业机器人，其中在致动用于提供所述速度命令的所述装置之后，在所述机器人控制器中，禁止所述位置控制，且仅使能所述速度命令。
9.权利要求6的工业机器人，其中所述准许控制器响应于所述力测量提供所述速度命令。
10.权利要求2的工业机器人，其中用于提供所述速度命令的所述装置是响应于所述力矢量的控制滤波器。
11.权利要求9的工业机器人，进一步包括安装在所述机器人上的力/扭矩传感器，所述传感器提供所述力测量。
12.权利要求9的工业机器人，进一步包括用于估计所述力测量的装置。
13.权利要求12的工业机器人，其中用于估计所述力测量的所述装置包括力估计器，并且所述工业机器人进一步包括抖动生成器，其连接到用于所述预定数目接合关节的每个的所述致动设备。
14.一种用于操作工业机器人的方法，该工业机器人具有机器人控制器、用于保持将要与保持在所述机器人控制器不精确知道的位置和取向的第二工件配合的第一工件的端执行器、以及预定数目的接合关节，每一关节具有其自己的致动设备和运动测量设备，所述方法包括将至少一个力矢量叠加在来自所述机器人的力测量上，该力矢量使所述端执行器承受一个力，该力引起所述端执行器将所述第一工件向其中保持所述第二工件的所述位置和取向移动。
15.权利要求14的方法，进一步包括从所述机器人控制器提供速度命令，用于驱动所述致动设备中的每个以最小化所述第一工件和第二工件的接触的力。
16.权利要求14的方法，进一步包括提供用于驱动所述预定数目的致动设备的每个的信号，并且当所述端执行器与其中保持所述第二工件的所述位置和取向发生接触时，在至少两个方向和取向上将搜索速度模式叠加在所述驱动信号上，该搜索速度模式使所述工件的配合成为可能，以引起所述端执行器将所述第一工件与所述第二工件接触。
17.权利要求16的方法，其中在所述第一工件与第二工件第一次接触之后，所述叠加的搜索速度模式继续，直到所述第一工件与第二工件配合。
18.权利要求14的方法，其中当所述第一工件与第二工件达到接触时，继续所述力矢量以帮助配合工件。
19.权利要求14的方法，进一步包括先于叠加所述至少一个力矢量，使用位置控制将所述第一工件运送到起始点。
20.权利要求15的方法，进一步包括在提供所述速度命令之前，使用位置控制将所述第一工件运送到起始点，以便与所述第二工件装配在一起。
21.权利要求20的方法，其中在提供所述速度命令之后，禁止所述位置控制。
全文摘要
一种工业机器人，其使用仿真力矢量以允许由该机器人和执行器保持的工件与该机器人不精确知道其位置和取向的工件配合。当该端执行器与其中保持另一工件的位置和取向发生接触时，该机器人提供速度命令以最小化接触力并且还在所有方向和取向上提供搜索模式以引起该端执行器将它所保持的工件与另一工件接触。继续该搜索模式和该速度命令直到这两个工件配合。
文档编号B25J9/16GK1886237SQ200480034675
公开日2006年12月27日 申请日期2004年11月23日 优先权日2003年11月24日
发明者张晖, 汪建军, 托里尼·布罗加德, 甘中学 申请人:Abb研究有限公司, Abb自动化技术机器人技术公司