一种手机电池自动化装配系统及其控制方法与流程

本发明属于自动化控制技术领域，尤其是一种手机电池自动化装配系统及其控制方法。

背景技术：

在3C行业中，手机电池的装配是一个重要的环节，人的视觉、触觉等感觉通过大脑智慧的引导，在装配过程中得到了充分发挥。但据相关资料显示，传统的工业生产中，从事装配工作的操作人员占全部工业生产劳动力的半数以上，而且通过对典型产品所需要的装配工时统计发现，装配工序所用的时间占总生产时间的50％以上，花费在装配生产线上的成本支出占生产总成本的30％以上。因此，现代工业的发展必须解决自动装配技术的瓶颈，实现自动装配技术的跨越发展，让其成为现代工业技术发展的助推器。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种手机电池自动化装配系统及其控制方法，解决人工装配效率低的问题

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种手机电池自动化装配系统，包括系统主机、视觉感知系统、力觉感知系统和执行系统，所述执行系统包括机器人和机器人控制器，所述视觉感知系统安装在工作台上方，所述力觉感知系统安装在机器人的末端，所述力觉感知系统、视觉感知系统通过数据线与系统主机相连接，所述系统主机通过双绞线与机器人控制器相连接，所述机器人控制器通过现场总线与机器人相连接，所述机器人安装在工作台的一侧，在工作台上安装有传送带，系统主机通过机器人控制器控制机器人从取料点抓取电池并将其移动到工作台上实现手机电池的自动装配功能。

所述机器人采用六自由度串联机器人。

所述视觉感知系统由光源和工业摄像机构成。

所述力觉感知系统采用六维力传感器。

一种手机电池自动化装配系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、视觉感知系统采集现场图像，确定手机电池初始位置并向系统主机发送位置信息；

步骤2、系统主机接收位置数据，向执行系统发出运动指令；

步骤3、执行系统夹持工件，并且先快后慢地接近装配位置目标点；

步骤4、执行系统接近手机电池，力觉感知系统进行受力分析并向系统主机发送受力信息；

步骤5、系统主机根据力反馈的大小和方向确定机器人的运动方向并调整位姿，循环执行以上步骤实现手机电池自动化装配功能。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明将工业机器人、视觉感知系统和力觉感知系统集成在一起，通过各种传感器对装配环境进行识别和感知，主动地完成装配任务，通过加入传感技术，机器人在预定目标点出现误差等情况时，能够自主完成装配误差和定位误差的补偿，有效地解决了人工装配效率不高的问题，提高了工作效率。

2、本发明采用多自由度串联型机械臂；建立基于机器视觉的智能检测系统，基于机器人运动学与动力学的模型，构建柔顺控制系统模型，实现基于视觉信息反馈的精确运动轨迹规划，突破机器视觉、阻抗控制算法、运动学建模、精确路径规划等关键技术，实现基于机器视觉和阻抗控制的手机电池装配自动化设备的实用化和商品化。

附图说明

图1为本发明的系统连接示意图；

图2为本发明的系统控制关系示意图；

图3为本发明的设备安装位置示意图；

图4为本发明的控制方法流程图；

图5为本发明的图像处理与分析处理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种于视觉技术与阻抗控制的手机电池自动化装配系统，如图1至图3所示，包括系统主机、视觉感知系统、力觉感知系统和执行系统。所述执行系统包括机器人及机器人控制器，所述机器人控制器安装在控制柜内，所述机器人安装在工作台的一侧，在工作台上安装有传送带，传送带上放置有手机，机器人控制器控制机器人从取料点抓取电池并将其移动到工作台上实现手机电池的装配功能。所述视觉感知系统安装在工作台上方，所述力觉感知系统安装在机器人的末端，所述力觉感知系统、视觉感知系统通过数据线与系统主机相连接，系统主机通过双绞线与控制器相连接，控制器通过现场总线与机器人相连接。

在本实施例中，机器人采用六自由度串联机器人，最大承载能力为3KG，具备柔顺操作系统所需要的高精度、易操作、多功能等特点；所述机器人控制器是与六自由度串联机器人相对应的控制装置，该机器人控制器与系统主机相连接并在系统主机的控制下实现对机器人控制功能。上述机器人及控制器配套使用且均为市售产品。

所述视觉感知系统包括光源和工业摄像机，在本实施例中，采用工业摄像机作为视觉传感器，其CMOS或CCD传感器将图像转换成传感器信号并输出数字信号，工业摄像机内置有图像处理模块并实现图像的灰度化、图像的二值化、图像轮廓的提取以及中心点生成等功能，得到位置数据，最后传输给系统主机。在本装配系统中，视觉感知系统的主要任务是检测工件位置信息；根据装配方案的规划，在装配过程的初始阶段，视觉传感器需要对工件进行图像采集，然后通过处理得到工件的位置信息，再输送给系统主机。

所述力觉感知系统采用安装在机器人末端的六维力传感器作为力觉传感器，其将检测到的电信号采集并传送给系统主机。所述机器人末端的六维力传感器信息需要由传感器坐标系变换为机器人工具坐标系，由此可以通过传感器的力信息反馈得到系统主机中装配工件之间的接触作用力信息。力觉传感器系统分析接触力的规律主要是通过机器人末端的六维力传感器分支上各单维力传感器检测外部信号，由于传感器输出的力信号存在着噪声，采用移动平均值滤波法做滤波处理，将检测到的电信号经过放大装置和数据采集装置传输给系统主机，然后由系统主机对采集到的数字信号进行相应的计算和处理，进而得到机器人末端的三维空间力和力矩信息。

所述系统主机是整个系统的控制中心，协调各个环节的动作顺序和信息传递。整个装配过程中，系统主机感知视觉传感器和力觉传感器反馈的装配状态，系统主机通过处理传感信息，向执行系统发出运动控制指令，由执行系统完成相应的动作，同时感知系统会实时检测装配状态，反馈给集成控制系统做出适当调整，直到最终达到装配的目标位置。

在本实施例中，系统主机内设有软件集成系统，实现传感信息的采集、处理以及力控制功能，传感信息采集是依据多个传感器来完成对外界环境信息的采集和处理，如完成视觉和力觉等传感信息的采集和处理工作。视觉和力觉的信息来源和信号不同，采集和处理过程中要对其进行识别和分析，以便提供相应的控制信息。所述力控制功能是根据力传感器所采集的信息来完成控制过程，力控制功能的主要内容就是：系统主机根据接触受力情况识别出装配状态，然后根据设定的算法得到装配位姿偏差，最后夹持工件调整位姿，完成装配。

本发明的手机电池自动化装配过程如下：六自由度串联机器人运动到取料点——打开机器人末端的真空泵——吸取手机电池——运动到手机与电池的装配点处，六自由度串联机器人下降——通过阻抗控制算法修正微小的位置误差——装配电池——运动到取料点开始下一轮循环。

一种手机电池自动化装配系统的控制方法，如图4所示，包括以下步骤：

步骤1、视觉感知系统采集现场图像，确定工件初始位置并向系统主机发送位置信息。

在本步骤中，视觉感知系统首先需要进行图像检测与识别，其具体方法为：通过CCD对电池进行拍摄后，找出电池的位姿，并判断该电池是否与模型匹配，包括：检测电池的尺寸，识别出图像的真实大小；确认电池是否处于正确的装配状态中，并确认没有任何的损坏。在进行检测时，先对电池进行定位。定位后，进行特征抽取，最后进行特征匹配，得出电池的特征值。对电池的尺寸的检测采用投影图法，通过投影图可识别出图像的真实尺寸，进而与模型匹配，判断电池是否合格。

然后，视觉感知系统进行图像处理与分析过程，如图5所示，具体方法为：首先进行图片的灰度化处理，将彩色图片变为黑白图像；进而用阈值判别法对图像进行二值化处理，采用OTSU算法确定阈值进行二值化。OTSU算法是一种自适应计算单阈值的方法，简单高效，该方法以最佳门限将图像灰度直方图划分成目标和背景两部分，使两部分类间方差取最大值，即分离性最大。最后进行零件的特征提取，由于手机电池是由方形这个简单的几何形状构成，所以可以通过几何形状特征识别出电池，即采用方形形状的矩形度、面积和周长等特征识别出待抓取零件。

视觉感知系统可以利用工业摄像机附带的SDK控制摄像机完成视觉信息数据的采集工作，通过摄像头所带的函数库进行图像的数据采集工作。本视觉感知系统采用Eye-to-hand单目视觉感知系统，工业摄像机通过摄像头采集电池的位置图像需要进行图像处理，考虑到相机采集图像过程中有噪声的存在，所以首先对采集到的图像进行高斯平滑的预处理，以减少噪声的影响，然后再进行其它处理。

步骤2、系统主机接收位置数据，向执行系统发出运动指令。

步骤3、执行系统夹持工件，并且先快后慢地接近装配位置目标点。

机器人接到运动命令后，进行插补、求反解等运算，然后生成运动文件，通过控制器和伺服系统驱动运动单元，最终控制机器人以一定的速度运动。当机器人运动到某一位置并将要与外界环境接触时，力觉感知系统开始实时监测机器人末端的受力情况，一旦有接触力出现，系统主机内部则会根据力反馈策略将接触力信息转换成机械手的位姿偏差信息，从而计算出机器人末端的相应位置，循环上述过程，最终实现对机器人末端位姿的调整和校正。

步骤4、执行系统装配手机电池，力觉感知系统进行受力分析并向系统主机发送受力信息。

在本步骤中，机器人在进行力控制时，实时检测机器人末端位置和接触力，根据反馈位置和期望阻抗模型产生期望力输出，取期望力与实际接触力之差，加上由计算力矩法补偿机器人动力学模型非线性的控制力矩作为关节驱动力，使机器人系统表现为期望的阻抗模型特征，机器人末端表现出的阻抗特性是根据接触力大小直接控制机器人关节驱动力矩实现。最后生成运动文件以控制机器人运动。

步骤5、系统主机根据力反馈的大小和方向确定机器人的运动方向并调整位姿。

循环执行以上步骤实现手机电池自动化装配功能。

本发明在实际工作时，首先需要在系统主机上输入程序命令，计算机将命令编译后下达给机器人进行位置控制。然后在机器人运动过程中六维力传感器对机器人末端受力情况进行实时检测，将检测信息进行滤波、去干扰、放大等处理，然后经过数据总线传输给系统主机，系统主机会将这些力数据整合通过设置好的控制程序进行反馈控制，从而机器人根据采集到的三维空间全力信息进行位置控制，驱动机器人的下一步运动，完成柔顺性控制。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。