基于力觉和视觉的机器人细长轴精密装配系统及方法与流程

本发明涉及工业机器人应用，具体地，涉及一种基于力觉和视觉的机器人细长轴精密装配系统及方法。
背景技术：
：工业机器人具有通用性好、重复定位精度高等优点，在一些工业自动化领域，如电子、汽车等行业应用广泛，其中大部分应用都采用机器人示教再现的方法。对于在复杂任务中，尤其是涉及到机器人与环境或作业对象产生接触的情况下，传统的机器人示教方法无法满足控制要求，尤其是装配任务。传统的位置控制下，工业机器人与环境或作业对象的微小偏差可能使装配作业失败，甚至产生较大的接触力造成对设备的损伤。公开号为CN104690551A的专利公开了一种机器人自动化装配的系统，通过多个视觉传感器和激光测距仪获得装配对象的位姿测量数据，进而进行运动规划，该方法采用非接触式测量，需要的传感器数目较多，并且视觉传感器对于孔系工件的测量能力有限，不适用于对接触力要求较为严格的装配作业。公开号为CN104625676A的专利公开了一种轴孔装配工业机器人系统，仅通过腕力传感器对接触力进行控制，该方法要求机器人和装配平台的位置精确已知且固定，具有一定的局限性。公开号为CN104057290A的专利公开了一种基于视觉和力反馈控制的机器人装配系统，该系统利用视觉和力觉进行装配前期的寻孔工作，没有涉及装配插入过程，在细长轴的精密装配过程中，由于行程较长插入过程不能忽略。技术实现要素：针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于力觉和视觉的机器人细长轴精密装配系统及方法。根据本发明提供的基于力觉和视觉的机器人细长轴精密装配系统，包括工业机器人、上位机系统以及传感器系统；其中，所述传感器系统，用于获得工业机器人的当前状态、末端受力情况以及装配对象的当前状态、位姿数据；上位机系统，用于获取并根据工业机器人的当前状态、末端受力情况以及装配对象的当前状态、位姿数据生成运动指令，将所述运动指令发送给执行系统；执行系统包括工业机器人的关节驱动器和关节驱动器的控制柜，用于执行上位机系统发出的运动指令，使工业机器人按照指定的轨迹运动。优选地，还包括轴系工具和孔系工件；所述传感器系统包括位置传感器、力觉传感器和视觉传感器；所述工业机器人采用标准六轴工业机器人，其末端能够运动到工作范围内笛卡尔空间中的任意位置和姿态；所述上位机采用带有采集和驱动外围接口的工控机；所述轴系工具和孔系工件为待装配的对象，轴系工具固定安装在机器人末端，装配目标是引导机器人运动将细长的轴系工具柔顺地插入孔系工件当中。优选地，所述力觉传感器为六轴力传感器，安装于工业机器人末端法兰与轴系工具之间，用于检测笛卡尔坐标系下三个方向的力和绕三个方向的力矩。优选地，所述视觉传感器为工业数字面阵相机，用于获取视野范围和景深范围内的清晰图像；所述视觉传感器包括安装在工业机器人末端并随工业机器人末端运动的一视觉传感器构成的手眼相机系统及安装在孔系工件上方不随机器人运动的另一视觉传感器构成的固定相机系统，所述固定相机系统用于观察孔系工件的位置、姿态及轴系工具的插入深度。优选地，所述位置传感器为安装在机器人各个关节处的编码器，能够读取工业机器人运动过程中任意时刻的关节角，进而得到机器人末端的位置和姿态；所述力觉传感器为六轴力传感器，用于检测在笛卡尔坐标系下工业机器人末端的三个轴向的力和绕三个方向的力矩。本发明提供的基于力觉和视觉的机器人细长轴精密装配方法，采用所述的基于力觉和视觉的机器人细长轴精密装配系统，包括以下步骤：步骤S1：工业机器人通过示教再现方式到达指定的准备位；步骤S2：工业机器人通过视觉传感器，采用视觉伺服方法，定位孔系工件的位置；步骤S3：工业机器人通过视觉传感器、力觉传感器，采用力位混合控制方法，控制轴系工具与孔系工件接触力与力矩，将轴系工具柔顺插入孔系工件中；步骤S4：工业机器人复位。优选地，所述步骤S2包含以下步骤：步骤S201：手眼相机系统采集到所述孔系工件图像，提取图像特征，与存储在上位机系统中的目标孔系工件对应的位置和姿态进行比较；步骤S202：计算当前轴系工具与孔系工件之间的位置和姿态误差；步骤S203：根据位置和姿态误差计算出对应的调整量，使工业机器人末端向减小误差的方向运动；步骤是204：当轴系工具与孔系工件之间的位置和姿态误差小于设定的阈值，则确认工业机器人完成寻孔。优选地，所述步骤S3包含以下步骤：步骤S301：将笛卡尔坐标系中的孔系约束进行正交分解，具体为在轴系工具的前进方向即Z方向、绕前进方向旋转的方向即θz方向进行位置控制；步骤S302：在插入过程中轴系工具与孔系工件可能发生碰撞和卡阻的方向即X、Y、θx、θy方向进行力控制；-位置控制方向上，固定相机系统采集到孔系工具端面俯视图像，并能观察到轴系工具上的插入标记；计算出当前轴系工具相对于孔系工件端面的插入深度；与存储在上位机中的期望插入深度进行比较；计算出当前轴系工具相对于孔系工件端面插入深度的误差；根据插入深度误差计算出对应的调整量，使工业机器人末端向减小误差的方向运动；直至轴系工具相对孔系工件端面插入深度误差小于设定阈值，认为工业机器人完成插入；-力控制方向上，力觉传感器测量到机器人末端收到的力和力矩，期望力和力矩为零，因此测量即力和力矩的误差；根据力和力矩的误差计算出对应的调整量，使机器人末端向减小误差的方向运动。本发明提供的基于力觉和视觉的机器人细长轴精密装配控制方法，包括力控制环和位置控制环相互独立；所述力控制环包括如下步骤：步骤A1：力觉传感器测量工业机器人末端受到的力和力矩生成力测量值；步骤A2：对力测量值进行低通滤波处理，以消除噪音；对力测量值与指定的期望力做差，得到力误差；力误差经过选择矩阵，选择力控制方向；步骤A3：在力控制方向上的力误差经过坐标变换后输入上位机系统，得到力控制环对工业机器人的输入；所述位置控制环包括如下步骤：步骤B1：工业机器人在空间中运动，由位置传感器或视觉传感器测量工业机器的末端位置和姿态；位置传感器得到的位置数据进行坐标变换；步骤B2：视觉传感器得到图像信息，经过对图像特征的提取将图像的像素信息简化成若干图像特征，并将图像特征作为位置表示；步骤B3：测量出的机器人末端位置和姿态与指定的期望位置做差，得到位置误差；步骤B4：位置误差经过选择矩阵，选择位置控制方向；步骤B5：在位置控制方向上的位置误差经过坐标变换后输入上位机系统，得到位置控制环对机器人的输入。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明中工业机器人采用力位混合控制，在位置控制方向保证机器人末端精确跟踪已知轨迹的同时，在力控制方向实现主动柔顺性，可以在一段较长的行程中保持较小的接触力和力矩，实现细长轴精密装配。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本发明中机器人细长轴精密装配系统的结构框图。图2为根据本发明一实施例的机器人细长轴精密装配系统的示意图。图3为图2中装配平面的局部放大图。图4为轴系工具5末端的坐标系。图5为本发明提供的机器人细长轴精密装配系统的工作流程。图6为根据本发明一实施例的机器人细长轴精密装配方法的关键步骤示意图。图7为本发明提供的机器人细长轴精密装配系统的控制结构图。图8为本发明提供的机器人细长轴精密装配寻孔采用的人工标记。图中：1-工业机器人；2-力觉传感器；3-手眼相机；4-固定相机；5-轴系工具；6-孔系工件；7-工件仓架；8-寻孔标记；9-插入标记。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。在本实施例中，本发明提供的基于力觉和视觉的机器人细长轴精密装配系统，包括工业机器人、上位机系统以及传感器系统；其中，所述传感器系统，用于获得工业机器人的当前状态、末端受力情况以及装配对象的当前状态、位姿数据；上位机系统，用于获取并根据工业机器人的当前状态、末端受力情况以及装配对象的当前状态、位姿数据生成运动指令，将所述运动指令发送给执行系统；执行系统包括工业机器人的关节驱动器和关节驱动器的控制柜，用于执行上位机系统发出的运动指令，使工业机器人按照指定的轨迹运动。本发明提供的基于力觉和视觉的机器人细长轴精密装配系统，还包括轴系工具和孔系工件；所述传感器系统包括位置传感器、力觉传感器和视觉传感器；所述工业机器人采用标准六轴工业机器人，其末端可以运动到工作范围内笛卡尔空间中的任意位置和姿态。所述上位机采用带有采集和驱动外围接口的工控机，能够获取传感器系统的测量值并进行快速计算，实时给出驱动机器人电机的运动指令。所述轴系工具和孔系工件为待装配的对象，轴系工具固定安装在机器人末端，装配目标是引导机器人运动将细长的轴系工具柔顺地插入孔系工件当中。所述力觉传感器为六轴力传感器，安装于工业机器人末端法兰与轴系工具之间，用于检测笛卡尔坐标系下三个方向的力和绕三个方向的力矩。所述视觉传感器为工业数字面阵相机，用于获取视野范围和景深范围内的清晰图像；所述视觉传感器包括安装在工业机器人末端并随工业机器人末端运动的视觉传感器构成的手眼相机系统及安装在孔系工件上方不随机器人运动的视觉传感器构成的固定相机系统，眼相机系统具有较少的运动模糊。所述固定相机系统用于观察孔系工件的位置、姿态及轴系工具的插入深度。所述位置传感器为安装在机器人各个关节处的编码器，能够读取工业机器人运动过程中任意时刻的关节角，进而得到机器人末端的位置和姿态。所述力觉传感器为六轴力传感器，能够检测笛卡尔坐标系下作用与机器人末端的三个轴向的力和绕三个方向的力矩。其中，工业机器人1底座固定在基准面上，其配套的控制柜通过线缆连接到工业机器人1上；轴系工具5安装于机器人手臂末端法兰，轴向与机器人末端关节旋转轴平行或重合；六轴腕力传感器2安装于工业机器人1的手臂末端法兰与轴系工具5之间，用于实时测量装配轴与装配孔之间的接触力和力矩；若干孔系工件6放置在工件仓架7上；工件仓架7的具体位置不固定，在一个大致的工位区域中；手眼相机3及其配套镜头安装在六轴腕力传感器2与轴系工具5之间安装的L型支架上，能够观察到前方环境及轴系工具5末端；固定相机4及其配套镜头固定在支架上，视野向下能够观察到下方环境及孔系工件端面；寻孔标记8布置在工件仓架7的前面板71上，工件仓架71的前面板71含有V型槽，用于对孔系工件6进行位置约束；插入标记9为布置在轴系工具上的色环。如图4，图4轴系工具5末端的坐标系说明示意图，定义沿轴系工具5的轴及其前进方向为Z轴正方向，定义重力及其反方向为Y轴正方向，与该两轴均正交的方向为X轴正方向；沿每个轴的右手螺旋方向定义为绕该轴旋转的坐标θx、θy、θz；作用于轴系工具5末端的力和力矩也采用相同的坐标描述，力坐标与位置坐标对应，表示为Fx、Fy、Fz，力矩坐标与旋转坐标对应，表示为Tx、Ty、Tz。参考图5，图5为本发明提供的机器人细长轴精密装配系统的工作流程图，包括下述步骤：步骤A：机器人通过示教再现方式到达指定的准备位并给出信号，装配开始。步骤B：机器人利用安装于手臂末端的手眼相机，结合安装于工件仓架前面板上的寻孔标记，采用基于图像的视觉伺服方法，引导机器人末端及轴系工具运动到孔系工件开口位置处。具体地，根据手眼相机中采集到的寻孔标记图像，及存储在工控机中寻孔标记与目标孔系工件的对应位置，计算出当前轴系工具与目标孔系工件之间位置和姿态的误差，并计算出该误差对应的位置和姿态调整量，输入机器人控制器，使机器人末端向减小误差的方向运动，直至轴系工具与目标孔系工件之间位置和姿态的误差小于一定的阈值，认为装配引导阶段B结束，机器人完成寻孔。特别地，该步骤中由手眼相机控制机器人的在笛卡尔空间中的全部六个方向X、Y、Z、θx、θy、θz。步骤C：机器人利用安装于手臂末端和轴系工具之间的六轴腕力传感器，结合安装于工件仓架上方的固定相机，采用力位混合控制的方法，引导机器人末端及轴系工具柔顺地插入孔系工件中，并控制一定的插入深度。具体地，将笛卡尔坐标系中的孔系约束进行正交分解，由轴孔装配任务的特点，可以理解在轴系工具的前进方向即Z方向、绕前进方向旋转的方向即θz方向进行位置控制；插入过程中轴系工具与孔系工件可能发生碰撞和卡阻的方向即X、Y、θx、θy方向进行力控制。位置控制的目标是使得轴系工具在前进方向跟踪一定的轨迹，即按规划好的速度和深度控制轴系工具的插入过程；力控制的目标是保持与轴系工具前进方向垂直的平面内受到的力和力矩始终为一个较小的值，即轴系工具在与前进方向垂直的平面内减少与孔系工件内壁的碰撞和摩擦。位置控制中在Z方向上，通过安装在工件仓架上方的固定相机，测量轴系工具上的插入标记(色环)，计算出轴系工具当前运动速度和插入深度，并与期望的运动速度和插入深度进行比较，误差作为机器人在该方向的运动调整量来实现的；在θz方向上通过安装在机器人关节中的位置传感器计算出Z方向旋转值，并保持其不变，以减少摩擦力对装配过程的影响。力控制中通过安装在机器人末端与轴系工具之间的六轴腕力传感器，测量轴系工具末端X、Y方向上的受力及θx、θy方向上的力矩，并与期望的力和力矩比较，往往设定期望的力和力矩为零，误差作为机器人在该方向的运动调整量。该步骤直至前进方向插入深度达到要求，认为装配执行阶段C结束。同时需要监测沿前进方向Z方向上的力，若大于指定阈值则立即停止装配，并给出错误信号，以免损坏工件。步骤D：机器人每次完成装配过程后达到的位置不同，根据当前位姿及指定的完成位通过轨迹规划方法生成一系列运动轨迹点，无碰撞地运动到完成位，装配过程结束。参阅图6，图6为根据本发明一实施例的机器人细长轴精密装配方法的关键步骤示意图，步骤B中固连于工业机器人1的末端法兰11上的手眼相机3引导工业机器人将轴系工具5运动至靠近孔系工件6的位置，精确找到孔系工件6的孔；步骤C中安装于工业机器人1的末端法兰11与轴系工具5之间的六轴腕力传感器2，测量孔系工件所约束的方向上的力和力矩，并引导工业机器人将轴系工具5往减小接触力和力矩的方向运动，达到柔顺装配的目的。参阅图7，图7为本发明提供的机器人细长轴精密装配系统的控制结构图，根据混合控制的框架，机器人运动控制被分解为相互独立的位置控制环p和力控制环f。所述力控制环和位置控制环均含有各自的选择矩阵，选择矩阵为6阶对角方阵，其值为：由笛卡尔空间中的6个方向均被分解为力控制方向和位置控制方向中的一种，因此力控制环的选择矩阵和位置控制环的选择矩阵之和应为单位阵，即Sf+Sp＝I，此处定义力控制选择矩阵为S，则位置控制选择矩阵为I-S。所述力控制环f包含力选择矩阵f0、坐标变换及力控制器f1、机器人、力觉传感器fs、信号处理环节f2。从机器人出发，机器人与环境发生交互，由力传感器fs测量末端受到的力和力矩；由于力觉传感器测量结果含有较大的噪声，力测量值需要经过一定的信号处理f2，主要指低通滤波处理；经过处理的力测量值与指定的期望力做差，得到力误差；力误差经过选择矩阵f0，选择力控制方向；在力控制方向上的力误差经过坐标变换后输入力控制器f1，得到力控制环对机器人的输入。其中，f1中的坐标变换指将力的测量值从传感器坐标系到约束坐标系的变换，传感器坐标系为力传感器自身出厂标定时设定的坐标系，力的坐标变换有如下关系：FC=[TSC]FS]]>SF指传感器坐标系下的力和力矩，CF指约束坐标系下的力和力矩，可以表示为：[TSC]=[RSC]0[V×][RSC][RSC]]]>指从传感器坐标系到约束坐标系的旋转矩阵，[V×]可以表示为：[V×]=0-VzVyVz0-Vx-VyVx0]]>(Vx,Vy,Vz)为在约束坐标系下从约束坐标系原点到传感器坐标系原点的向量。力控制器采用PI控制的形式，在保持系统稳定的情况下消除静差。所述位置控制环p包括位选择矩阵p0、坐标变换及位控制器p1、机器人、视觉传感器vs、图像特征提取环节v3、位置传感器ps及坐标变换环节p2。从机器人出发，机器人在空间中运动，由位置传感器模块ps或视觉传感器模块vs测量末端位置和姿态；位置传感器得到的数据需要经过一定的坐标变换p2，特别地，若采用安装在机器人关节处的编码器作为位置传感器，该坐标变换即机器人关节角至笛卡尔空间位姿的映射，也即机器人的正运动学；视觉传感器得到图像信息，经过对图像特征的提取v3将图像的像素信息简化成若干图像特征，并将图像特征作为位置的一种表示；测量出的机器人末端位置和姿态与指定的期望位置做差，得到位置误差；位置误差经过选择矩阵p0，选择位置控制方向；在位置控制方向上的位置误差经过坐标变换后输入位置控制器p1，得到位置控制环对机器人的输入。其中，p1中的坐标变换指将位置的测量值从机器人基坐标系到约束坐标系的变换，因为末端的位姿都是以基坐标系为参考的，位置的坐标变换有如下关系：PC=[TBC]PB]]>BP指机器人基坐标系下的位置和姿态，CP指约束坐标系下的位置和姿态，即从约束坐标系到机器人基坐标系的齐次变换矩阵。位置控制器采用PD控制的形式，在保持系统稳定的情况下改善动态特性。具体地，在装配寻孔过程中，采用视觉传感器控制自由空间的六个自由度，力选择矩阵Sf＝diag(0,0,0,0,0,0),位置选择矩阵Sp＝diag(1,1,1,1,1,1),采集到的人工标记的图像特征作为反馈；在装配执行过程中，用视觉传感器控制轴系工具前进方向，位置传感器控制绕前进方向旋转的方向，其余四个自由度均是由力觉控制，力选择矩阵Sf＝diag(1,1,0,1,1,0)，位置选择矩阵Sp＝diag(0,0,1,0,0,1)。参阅图7，图7为本发明提供的机器人细长轴精密装配寻孔采用的人工标记装置，包括五个圆形及若干扇形，中心圆11主要用于确定人工标记的大致位置，第一定位圆12、第二定位圆13、第三定位圆14、第四定位圆15主要用于确定人工标记平面在空间中的姿态，第一定位圆12略大于其他三个定位圆指定了一个起始点，实际上也是指定了读取编码的方向，第一编码位16、第二编码位17、第三编码位18以及第四编码位19按照是否填充可进行4位编码，从较大的定位圆开始逆时针读取，至多可以产生16种不同的标记。采用该种人工标记方法能够快速寻找视野中的人工标记，精确地获取位置和姿态信息，并引入编码，对多个装配对象分别进行标记，解决了在环境干扰较严重、孔系工件形状不规整、多个孔系工件同时出现在视野中等情况下，对孔系工件的自然特征难以辨识的问题。本发明提供的结合力觉和视觉的机器人细长轴精密装配系统及其工作方法中，机器人控制采用混合控制的框架，视觉与力觉独立控制且能够同时对机器人运动产生影响，装配工作方法包括在寻孔过程中对孔系工件精确视觉定位，结合视觉和力觉在插入过程中对深度和接触力分别进行控制。本发明机器人装配系统不要求孔系工件位置精确已知，根据检测到的力觉和视觉数据实时对轴系工具的位姿进行调整，能够实现细长轴的精密装配。以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。当前第1页1 2 3