一种机器人自动分步装配插销方法、系统和双臂机器人与流程

本发明涉及机器人自动化装配技术领域，尤其涉及一种机器人自动分步装配插销方法、系统和双臂机器人。

背景技术：

相关技术中，机器人基于视觉引导机器人手臂自动分步装配插销，主要分为抓取、对孔和插入三个阶段：在抓取阶段，根据第一数字图像和特征模板图像驱动机械手臂抓取销钉位于销孔上方；在对孔阶段，逐步获取第二数字图像，根据第二数字图像逐步驱动机械手臂消除偏差，直至销钉能够垂直插入销孔为止；在插入阶段，驱动机械手臂将销钉垂直插入销孔，装配销座和销钉为插销。

但是，在抓取阶段，机械手臂缺乏自动抓取销座能力，销座需要以人工干预的方式固定在工作台上，会增加人工成本；在对孔阶段，一方面，机械手臂缺乏在持续获取信息过程中将销钉移向销座的能力，以异步方式获取第二数字图像和驱动机械手臂消除偏差，并且机械手臂在消除偏差之后才将销钉移向销孔，会延长销钉移向销座的时间，降低机械手臂对孔效率；在插入阶段，机械手臂缺乏校正销钉能力，当销钉在销座内发生偏移时，销座会给予销钉阻力，会提升插销的损坏率。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中机械手臂缺乏自动抓取销座和在持续获取信息过程中将销钉移向销座能力的不足，提供一种机器人自动分步装配插销方法、系统和双臂机器人。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

依据本发明的第一方面，提供了一种机器人自动分步装配插销方法，包括：

驱动安装在机器人躯体上的第一机械手臂夹取销钉至位于第一机械手臂基坐标系中的第一预装配点；

驱动安装在所述机器人上的第二机械手臂夹取带入口的销座至位于第二机械手臂基坐标系中的第二预装配点；

当所述销座定位在所述第二预装配点时，获取所述入口在所述第二机器手臂基坐标系中的入口三维信息；

持续检测所述销座上的销壁在所述第二机械手臂基坐标系中的多维度力信息；

根据所述入口三维信息和所述多维度力信息驱动所述第一机械手臂从所述第一预装配点出发将所述销钉分步装配至所述销座中。

依据本发明的第二方面，提供了一种机器人自动分步装配插销系统，包括机械手臂驱动模块、信息获取模块和信息检测模块；

所述机械手臂驱动模块，用于驱动安装在机器人躯体上的第一机械手臂夹取销钉至位于第一机械手臂基坐标系中的第一预装配点；驱动安装在所述机器人躯体上的第二机械手臂夹取带入口的销座至位于第二机械手臂基坐标系中的第二预装配点；

所述信息获取模块，用于当所述销座定位在所述第二预装配点时，获取所述入口在所述第二机器手臂基坐标系中的入口三维信息；

所述信息检测模块，用于持续检测所述销座上的销壁在所述第二机械手臂基坐标系中的多维度力信息；

所述机械手臂驱动模块，还用于根据所述入口三维信息和所述多维度力信息驱动所述第一机械手臂从所述第一预装配点出发将所述销钉分步装配至所述销座中。

依据本发明的第三方面，提供了一种双臂机器人，所述双臂机器人用于执行第一方面所述的机器人自动分步装配插销方法。

本发明提供的机器人自动分步装配插销方法、系统和双臂机器人的有益效果是：分别驱动第一机械手臂自动夹取销钉至第一预装配点和驱动第二机械手臂自动夹取销座至第二预装配点，实现双臂夹取销座和销钉，销座无需人工干预即可固定在工作台上，既有助于节省人工成本，又提升了双臂装配插销的自动化能力和效率。

在销座到达第二预装配点之后，机器人才会获取入口三维信息，可以避免机器人在销座到达第二预装配点之前获取入口三维信息，减少了冗余信息及其占用机器人的存储空间。

在持续检测多维度力信息过程中，可以根据入口三维信息和多维度力信息逐步驱动第一机械手臂将销钉移向销座，之后，根据多维度力信息驱动第一机械手臂将销钉插入销座，使得第一机械手臂分步将销钉和销座装配为插销，有助于缩短多维度力信息的准备时间，及时为驱动第一机械手臂分步将销钉和销座装配为插销做好信息准备，有助于缩短销钉移向销座的时间，提高了对孔效率和装配效率，从而，提高了双臂自动分步装配插销效率。

附图说明

图1a-1i为本发明实施例一提供的机器人自动分步装配插销方法的流程示意图；

图2为本发明实施例二提供的机器人自动分步装配插销系统的框架示意图；

图3为本发明实施例三提供的双臂机器人的结构示意图；

图4为对应于图3中的双臂机器人的电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

本发明实施例提供一种机器人自动分步装配插销方法，包括：驱动安装在机器人躯体上的第一机械手臂夹取销钉至位于第一机械手臂基坐标系中的第一预装配点；驱动安装在机器人躯体上的第二机械手臂夹取带入口的销座至位于第二机械手臂基坐标系中的第二预装配点；当销座定位在第二预装配点时，获取入口在第二机器手臂基坐标系中的入口三维信息；持续检测销座上的销壁在第二机械手臂基坐标系中的多维度力信息；根据入口三维信息和多维度力信息驱动第一机械手臂从第一预装配点出发将销钉分步装配至销座中。

在一些实施方式中，如图1a-1e所示，以串行方式驱动第一机械手臂夹取销钉至第一预装配点和驱动第二机械手臂夹取至第二预装配点，有助于保证驱动双臂的可靠性。

在一些实施方式中，如图1f-1i所示，以并行方式驱动第一机械手臂夹取销钉至第一预装配点和驱动第二机械手臂夹取销座至第二预装配点，有助于保证双臂的驱动效率，保证了销钉移至第一预装配点的效率和销座移至第二预装配点的效率。

在一些实施方式中，如图1a-1c和1f-1g所示，以串行方式获取入口三维信息和持续检测多维度力信息，可以减少冗余信息及其占用机器人的存储空间。

在一些实施方式中，如图1d-1e和1h-1i所示，以并行方式获取入口三维信息和持续检测多维度力信息，可以缩短多维度力信息的准备时间，及时为驱动第一机械手臂分步装配销钉至销座中做好信息准备。

在一些实施方式中，如图1a-1i所示，在持续检测多维度力信息过程中，可以根据入口三维信息和多维度力信息逐步驱动第一机械手臂将销钉移向销座，之后，根据多维度力信息驱动第一机械手臂将销钉插入销座，直至销钉到达销座上的销底为止，完成双臂自动将销钉和销座装配为插销，并且停止检测多维度力信息，提高了对孔效率和装配效率，提高了双臂自动分步装配插销效率。

在一些实施方式中，力传感器可以包括六维力传感器，多维度力信息包括六维度力信息，六维力值可表示为：

[+2N +5N +18N +1.2Nm +2.3Nm +0.6Nm]

其中，+2N表示六维力传感器在第二机械手臂基坐标系中检测沿着x轴正向的压力，+5N表示在六维力传感器在第二机械手臂基坐标系中检测沿着y轴正向的压力，+18N表示在六维力传感器在第二机械手臂基坐标系中检测沿着z轴正向的压力，+1.2Nm表示在六维力传感器在第二机械手臂基坐标系中检测沿着x轴正向的扭矩，+2.3Nm表示在六维力传感器在第二机械手臂基坐标系中检测沿着y轴正向的扭矩，+0.6Nm表示在六维力传感器在第二机械手臂基坐标系中检测沿着z轴正向的扭矩，其中，“+”表示正向。

在一些实施方式中，图1b-1i所示的驱动第一机械手臂夹取销钉至第一预装配点，具体包括：接收3D相机在3D相机坐标系中拍摄的销钉三维图像；根据销钉三维图像识别销钉上的第一抓取点在3D相机坐标系中的第一三维信息；将第一三维信息转换为在第一机械手臂基坐标系中的第二三维信息；根据第二三维信息驱动第一机械手臂抓取销钉；获取用以表示第一预装配点的第一预设三维信息；根据第二三维信息和第一预设三维信息驱动第二机械手臂从第一抓取点夹持销座至第一预装配点。

在一些实施方式中，图1b-1i所示的驱动第二机械手臂夹取销座至第二预装配点，具体包括：接收3D相机在3D相机坐标系中拍摄的销座三维图像；根据销座三维图像识别销壁上的第二抓取点在3D相机坐标系中的第三三维信息；将第三三维信息转换为在第二机械手臂基坐标系中的第四三维信息；根据第四三维信息驱动第二机械手臂抓取销壁；获取用以表示第二预装配点的第二预设三维信息；根据第四三维信息和第二预设三维信息驱动第二机械手臂从第二抓取点夹持销座至第二预装配点。

在一些实施方式中，机器人安装在支架上，中控机分别与第一机械手臂、第二机械手臂、安装在第二机械手臂的末端上的力传感器以及3D相机通信连接；中控机用于驱动第一机械手臂、第二机械手臂、力传感器和3D相机，力传感器用以持续检测多维度力信息，还用以异步驱动并接收3D相机拍摄销钉三维图像、销座三维图像和入口三维图像。

中控机可以分别基于与支架对应的预存在三维坐标信息构建支架坐标系、基于与第一机械手臂对应的预存的三维坐标信息构建第一机械手臂基坐标系、基于与第二机械手臂对应的预存的三维坐标信息构建第二机械手臂基坐标系和基于3D相机在机器人上的三维坐标信息构建3D相机坐标系；令支架坐标系f为{of-xfyfzf}，令第一机械手臂基坐标系br为{obr-xbrybrzbr}，令第二机械手臂基坐标系bl为{obl-xblyblzbl}，令3D相机坐标系c为{oc-xcyczc}。

在一些实施方式中，应用第一变换方程将第一三维信息转换为第二三维信息，第一变换方程表示为：

其中，p表示第一抓取点，表示第二三维信息中沿着第一机械手臂基坐标系br中的x轴上的坐标值，表示第二三维信息中沿着第一机械手臂基坐标系br中的y轴上的坐标值，表示第二三维信息中沿着第一机械手臂基坐标系br中的z轴上的坐标值，^fHbr表示第一机械手臂基坐标系br相对于支架坐标系f的齐次变换方程，^fHc表示3D相机坐标系c相对于支架坐标系f的齐次变换方程，表示第一三维信息中沿着3D相机坐标系c中的x轴上的坐标值，表示第一三维信息中沿着3D相机坐标系c中的y轴上的坐标值，表示第一三维信息中沿着3D相机坐标系c中的z轴上的坐标值。

在一些实施方式中，应用第二变换方程将第三三维信息转换为第四三维信息，第二变换方程表示为：

其中，h表示第二抓取点，表示第四三维信息中沿着第二机械手臂基坐标系bl中的x轴上的坐标值，表示第四三维信息中沿着第二机械手臂基坐标系bl中的y轴上的坐标值，表示第四三维信息中沿着第二机械手臂基坐标系bl中的z轴上的坐标值，^fHbl表示第二机械手臂基坐标系bl相对于支架坐标系f的齐次变换方程，表示第三三维信息中沿着3D相机坐标系c中的x轴上的坐标值，表示第三三维信息中沿着3D相机坐标系c中的y轴上的坐标值，表示第三三维信息中沿着3D相机坐标系c中的z轴上的坐标值。

在一些实施方式中，获取入口在第二机器手臂基坐标系中的入口三维信息，具体包括：接收入口三维图像；根据入口三维图像识别入口中的任一点在3D相机坐标系中的第五三维信息；应用第二变换方程将第五三维信息转换为在第二机械手臂基坐标系中的入口三维信息。

第五三维信息可以表示为：

其中，ha表示入口中的圆心，表示入口三维信息中沿着3D相机坐标系c中的x轴上的坐标值，表示入口三维信息中沿着3D相机坐标系c中的y轴上的坐标值，表示入口三维信息中沿着3D相机坐标系c中的z轴上的坐标值。

入口三维信息表示为：

其中，表示第五三维信息中沿着第二机械手臂基坐标系bl中的x轴上的坐标值，表示第五三维信息中沿着第二机械手臂基坐标系bl中的y轴上的坐标值，表示第五三维信息中沿着第二机械手臂基坐标系bl中的z轴上的坐标值。

在一些实施方式中，图1b-1i所示的根据入口三维信息和多维度力信息驱动第一机械手臂从第一预装配点出发将销钉分步装配至销座中，具体包括：当多维度力信息不符合预设下限条件时，根据入口三维信息驱动第一机械手臂从第一预装配点出发将销钉逐步夹持至靠近入口，销座上的销壁给予定位在入口中的销钉接触力，在该接触力的作用下，多维度力信息符合预设下限条件，完成对孔阶段；当多维度力信息符合预设下限条件时，根据多维度力信息驱动第一机械手臂将销钉从入口插入至销座中。

作为可选的实施方式，根据入口三维信息驱动第一机械手臂从第一预装配点出发逐步夹持销钉至入口，具体包括：分别获取预设步长和第一预设三维信息；根据入口三维信息和第一预设三维信息规划运动路径；根据预设步长逐步驱动第一机械手臂沿着运动路径将销钉逐步夹持至靠近入口。

作为可选的实施方式，根据入口三维信息、预设步长和第一预设三维信息计算步数；根据步数逐步驱动第一机械手臂将销钉逐步夹持至靠近入口。

在一些实施方式中，预设下限条件、预设步长和第一预设三维信息均可以包括预存在中控机中的经验值，或者，经过机器人训练模型训练得到。

在一些实施方式中，预设下限条件表示为[0 0 0 0 0 0],预设步长为0.1mm；或者，预设下限条件表示为[0.1 0.1 0.1 0 0 0]，预设步长为0.15mm。

作为可选的实施方式，根据多维度力信息驱动第一机械手臂将销钉从入口插入至销座中，具体包括：从多维度力信息中分别读取沿着与入口所在的平面平行的两个方向上的二维分量信息和沿着与入口所在的平面垂直的一个方向上的一维分量信息；根据二维分量信息和预设偏斜校准条件驱动第一机械手臂沿着与入口所在的平面平行的两个方向校准销钉的姿态；根据一维分量信息和预设上限条件驱动第一机械手臂将销钉沿着与入口所在的平面垂直的方向从入口插入至销座中。

在一些实施方式中，二维分量信息包括在第二机械手臂基坐标系中沿着x轴的压力和扭矩，以及沿着y轴的压力和扭矩，一维分量信息包括在第二机械手臂基坐标系中沿着z轴的压力和扭矩。

在一些实施方式中，预设上限条件可以包括预存在中控机中的经验值，或者，经过机器人训练模型训练得到，预设上限条件可以包括沿着z轴的压力在2N-5N之间，例如：2N、3N和5N。

在一些具体实例中，与入口所在的平面平行的两个方向分别为第二机械手臂基坐标系中沿着x轴的方向和沿着y轴的方向，沿着x轴正向的方向和沿着y轴正向的方向可以表示入口上互为垂直的两个方向；与入口所在的平面垂直的一个方向为第二机械手臂基坐标系中沿着z轴的方向，沿着z轴正向的方向可以为从入口延伸至销座上的销底的方向。

作为可选的实施方式，预设偏斜校准条件包括偏移校准子条件和倾斜校准子条件，根据二维分量信息和预设偏斜校准条件驱动第一机械手臂沿着与入口所在的平面平行的两个方向校准销钉的姿态，具体包括：从二维分量信息中分别确定沿着与入口所在的平面平行的各个方向上的第一力分量和力距分量；根据各个第一力分量和偏移校准子条件驱动第一机械手臂校准销钉沿着与入口所在的平面平行的各个方向上的偏移距离；根据各个力距分量和倾斜校准子条件驱动第一机械手臂校准销钉沿着与入口所在的平面平行的各个方向上的倾斜角度。

在一些实施方式中，与入口所在的平面平行的各个方向表示第二机械手臂基坐标系中沿着x轴的方向或者沿着y轴的方向，第一力分量可以包括用以表示销壁在第二机械手臂基坐标系中给予销钉的接触力沿着x轴分解的压力或者沿着y轴分解的压力，例如：-2N表示该接触力沿着x轴分解的压力至；力距分量可以包括与沿着x轴分解的压力所对应的扭矩或者与沿着y轴分解的压力所对应的扭矩，例如：-1.2Nm表示与沿着x轴分解的压力所对应的扭矩值，其中，“-”表示负向。

在销钉从入口插向销座上的目标位置过程中，通过各个第一力分量、偏移校准子条件、各个力距分量和倾斜校准子条件可以驱动第一机械手臂校准销钉的位姿，以减少销钉在销座中发生偏移，从而，减少销座给予销钉阻力，降低插销的损坏率。

作为可选的实施方式，偏移校准子条件包括力偏移阈值和距离校准常量，根据各个第一力分量和偏移校准子条件驱动第一机械手臂校准销钉沿着与入口所在的平面平行的各个方向上的偏移距离，具体包括：判断各个第一力分量中的力值是否大于力偏移阈值，若是，则根据各个第一力分量中的力方向和距离校准常量驱动第一机械手臂校准各个偏移距离，若否，则停止驱动第一机械手臂校准各个偏移距离。

在一些实施方式中，力偏移阈值可以包括预存在中控机中的经验值或者经过机器人训练模型训练得到，力偏移阈值可以设置在1N-1.5N之间，例如：1N、1.2N和1.5N。

在一些实施方式中，可以循环判断力值是否大于力偏移阈值之间的大小关系，直至力值不超过力偏移阈值跳出循环，有助于提高第一机械手臂逐步校准销钉在入口中的位姿的效率，保证销钉插至销座的持续性。

作为可选的实施方式，倾斜校准子条件包括力矩倾斜阈值和角度校准常量，根据各个力距分量和倾斜校准子条件驱动所述第一机械手臂校准销钉沿着与入口所在的平面平行的各个方向上的倾斜角度，具体包括：判断各个力距分量中的力距值是否超过力矩倾斜阈值，若是，则根据各个力距分量中的力距方向和距离校准常量驱动第一机械手臂校准各个倾斜角度，若否，则停止驱动第一机械手臂校准各个倾斜角度。

在一些实施方式中，力矩倾斜阈值可以包括预存在中控机中的经验值或者经过机器人训练模型训练得到，力矩倾斜阈值可以设置在1Nm-1.5Nm之间，例如：1Nm或者1.3Nm或者1.5Nm。

在一些实施方式中，可以循环判断力距值与力矩倾斜阈值之间的大小关系，直至力距值不超过力矩倾斜阈值跳出循环，有助于提高第一机械手臂逐步校准销钉在入口中的位姿的效率，保证销钉插至销座的持续性。

作为可选的实施方式，根据一维分量信息和预设上限条件驱动第一机械手臂将销钉沿着与入口所在的平面垂直的方向从入口插入至销座中，具体包括：从一维分量信息中确定第二力分量；判断第二力分量中的力值是否大于预设上限条件，若是，则停止驱动第一机械手臂将销钉从入口插入至销座中，若否，则持续驱动第一机械手臂将销钉从入口插入至销座中。

在一些实施方式中，第二力分量包括沿着z轴的压力，例如：沿着z轴正向的压力为3.3N；当沿着z轴正向的压力3.3N大于预设上限条件3N时，说明销钉到达呈圆柱体的销座上的销底；当沿着z轴正向的压力3.3N大于预设上限条件3N时，说明销钉未达到销底，完成插入阶段，继续驱动第一机械手臂沿着Z轴正向将销钉插向销底，驱动方式简单，有助于提高持续驱动第一机械手臂的效率。

实施例二

如图2所示，本发明实施例提供一种机器人自动分步装配插销系统，包括机械手臂驱动模块、信息获取模块和信息检测模块。

机械手臂驱动模块，用于驱动第一机械手臂夹取销钉至第一预装配点；驱动第二机械手臂夹取销座至第二预装配点。

信息获取模块，用于当销座定位在所述第二预装配点时，获取入口三维信息。

信息检测模块，用于持续检测销壁在第二机械手臂基坐标系中的多维度力信息。

机械手臂驱动模块，还用于根据入口三维信息和多维度力信息驱动第一机械手臂从第一预装配点出发将销钉分步装配至销座中。

实施例三

本发明实施例提供一种双臂机器人，该双臂机器人用于执行实施例一中任一实施方式所述的机器人自动分步装配插销方法。

在一些具体实例中，如图3及图4所示，机器人包括机器人躯体1、伺服驱动装置2、第一机械手臂3、第二机械手臂4、3D相机5和力传感器6；伺服驱动装置2安装在机器人躯体1的内腔中，第一机械手臂3安装在机器人躯体1左侧的肩部，第二机械手臂4安装在机器人躯体1右侧的肩部，3D相机5安装在机器人躯体1头部，力传感器6安装在第二机械手臂4末端。

伺服驱动装置2分别与第一机械手臂3、第二机械手臂4、3D相机5和力传感器6通信连接，力传感器6可以包括六维度力传感器。

伺服驱动装置2，用于分步驱动第一机械手臂3夹取和装配销钉7、驱动第二机械手臂4夹取销座8和驱动3D相机5拍摄图像，以及持续驱动力传感器6检测多维度力信息。

在一些实施方式中，伺服驱动装置2可以包括单驱动器，该单驱动器，用于分步驱动第一机械手臂3夹取和装配销钉7、驱动第二机械手臂4夹取销座8、驱动3D相机5拍摄图像以及持续驱动力传感器6检测多维度力信息。

在一些实施方式中，伺服驱动装置2可以为单驱动器可以包括双驱动器，双驱动器分别为第一驱动器和第二驱动器；第一驱动器，用于分步驱动第一机械手臂3夹取和装配销钉7和驱动第二机械手臂4夹取销座8；第二驱动器，用于驱动3D相机5拍摄图像和持续驱动力传感器6检测多维度力信息。

在一些实施方式中，伺服驱动装置可以包括多驱动器，多驱动器包括第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器和第四驱动器；第一驱动器，用于驱动第一机械手臂3夹取和装配销钉7；第二驱动器，用于驱动第二机械手臂4夹取销座8；第四驱动器，用于驱动3D相机5拍摄图像；第四驱动器，用于持续驱动力传感器6检测多维度力信息。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“方面”、“可选的实施方式”或“一些实施方式”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、步骤或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中，术语“第一”和“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”和“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。