用于产品自动装配的视觉阻抗控制方法及其系统、机器人

本发明属于产品自动装配控制，更具体地，涉及一种用于产品自动装配的视觉阻抗控制方法及其系统、机器人。

背景技术：

1、产品装配一般需要用手实施一个力抓取生产车间的产品、将产品按照合适路径抓取到安装器件上，完成对产品的安装。在过去很长一段时间，装配工作都由装配工人手动完成，随着工业自动化的飞速发展，越来越多的装配工作转为由机器完成。装配机器虽然能够快速完成既定的装配工作，但是对于抓取产品的交互力的控制并不精确，在移动期间，若抓取产品的交互力过大，容易挤压产品发生变形或毁坏，若交互力过小，则容易掉落，严重影响整个自动装配工艺线的装配速度和装配质量。目前，机械爪移动产品时实施的交互力一般时固定不变的，然而实际上，在移动期间，所需的交互力与产品的移动状态是相关的，若不能及时根据运动状态调整交互力或者根据交互力调整运动状态，则容易发生上述问题。

2、因此，需要设计一种合适的产品自动装配方案，减小产品自动装配问题，以提高产品整体装配的速度和质量，提升工业自动化水平。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于产品自动装配的视觉阻抗控制方法及其系统、机器人，其目的在于在机械爪抓取产品期间实时调整两者之间的交互力，保持产品抓取稳定且不破坏产品的性能，提高产品装配速度和质量。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于产品自动装配的视觉阻抗控制系统，包括：

3、视觉阻抗控制模块，用于获取多个特征点在基坐标系中的像素坐标集st和在机械爪坐标系中的像素坐标集so以及机械爪与外界的交互作用力ho，基于控制律确定所述机械爪的期望速度vd和期望加速度式中，所述特征点处于待到达的目标部件上，所述基坐标系定义在所述目标部件上，所述机械爪坐标系定义在所述机械爪上；表示图像误差变化速度，vc为相机运动速度，mo、do和k分别为虚质量、倾倒和刚度的对称正矩阵；jo、jc分别表示所述机械爪、所述相机的雅可比矩阵；ks表示增益系数；

4、笛卡尔运动控制模块，用于基于pd算法调节角加速度a以使机械爪的实际运动状态跟随期望运动状态，所述期望运动状态包括期望速度vd和期望加速度

5、逆运动学模块，用于根据关节角ξ、角速度角加速度a和交互作用力ho，确定预期力矩μ；

6、环境交互模块，用于基于所述预期力矩μ更新所述机械爪的关节角ξ、角速度和交互作用力ho；

7、正运动学模块，用于基于所述机械爪最新的关节角ξ和角速度确定机械爪实际位置x和实际速度v。

8、在其中一个实施例中，还包括：视觉处理模块，所述视觉处理模块包括：

9、像素坐标单元：用于通过相机对所述机械爪和目标部件进行拍照以获取所述机械爪坐标系原点o、基坐标系原点t、各特征点在同一像素坐标系下的像素坐标；

10、像素坐标集确定单元：用于基于基坐标系原点和各特征点在像素坐标系下的像素坐标计算各特征点在基坐标系中的像素坐标集st＝[st.1,st.2,……,st.n]t，以及基于机械爪坐标系原点和各特征点在像素坐标系下的像素坐标计算各特征点在机械爪坐标系中的像素坐标集so＝[so.1,so.2,……,so.n]t，其中，st.i表示第i特征点在基坐标系的像素坐标，so.i表示第i特征点在机械爪坐标系的像素坐标，n为特征点的数量，

11、st.i＝(xi,yi)-(xt,yt)

12、so.i＝(xi,yi)-(xo,yo)

13、式中，(xi,yi)表示第i特征点在像素坐标系下的像素坐标，(xt,yt)表示基坐标系原点在像素坐标系下的像素坐标，(xo,yo)表示机械爪坐标系原点在像素坐标系下的像素坐标。

14、在其中一个实施例中，所述视觉处理模块还包括：

15、坐标转换单元，用于基于坐标转换模型将像素坐标转换为世界坐标系下的坐标，所述坐标转换模型为：

16、

17、其中，zc表示相机光心的在相机坐标系z方向的距离，u、v代表在像素坐标系下的像素坐标，dx、dy代表像素的宽度和长度，u0和v0分别表示图像坐标系原点在像素坐标系中的横坐标，纵坐标，f代表焦距，r、t分别代表齐次坐标变换的旋转矩阵和平移参数，x、y、z代表世界坐标系下的坐标。

18、在其中一个实施例中，笛卡尔运动控制模块用于获取所述机械爪的期望位置xd、期望速度vd和期望加速度实际位置x和实际速度v，根据pd算法调节所述机械爪的实际加速度以使实际位置x和实际速度v趋近于期望位置xd、期望速度vd，再根据所述实际加速度确定角加速度a；式中，kp是比例系数，kd是微分系数。

19、在其中一个实施例中，所述特征点的数量大于或等于3，以使机械爪坐标系原点到达基坐标系原点时，机械爪坐标系与基坐标系重合。

20、在其中一个实施例中，所述机械爪安装有夹具，所述机械爪通过所述夹具夹持待装配部件并移动至所述目标部件处进行装配。

21、在其中一个实施例中，所述产品为3c产品。

22、按照本发明的另一方面,提供了一种用于产品自动装配的视觉阻抗控制方法，包括：

23、步骤s1：获取多个特征点在基坐标系中的像素坐标集st和在机械爪坐标系中的像素坐标集so以及机械爪与外界的交互作用力ho，基于控制律确定所述机械爪的期望速度vd和期望加速度式中，所述特征点处于待到达的目标部件上，所述基坐标系定义在所述目标部件上，所述机械爪坐标系定义在所述机械爪上；表示图像误差变化速度，vc为相机运动速度，mo、do和k分别为虚质量、倾倒和刚度的对称正矩阵；jo、jc分别表示所述机械爪、所述相机的雅可比矩阵；ks表示增益系数；

24、步骤s2：基于pd算法调节角加速度a以使机械爪的实际运动状态跟随期望运动状态，所述期望运动状态包括期望速度vd和期望加速度

25、步骤s3：根据关节角ξ、角速度角加速度a和交互作用力ho，确定预期力矩μ；

26、步骤s4：基于所述预期力矩μ更新所述机械爪的关节角ξ、角速度和交互作用力ho；

27、步骤s5：基于所述机械爪最新的关节角ξ和角速度确定机械爪实际位置x和实际速度ν；

28、步骤s6：判断所述基坐标系与机械爪坐标系是否重合，若是，则结束移动，否则，跳转至步骤s1。

29、在其中一个实施例中，所述步骤s1中，获取多个特征点在基坐标系中的像素坐标集st和在机械爪坐标系中的像素坐标集so，包括：

30、通过相机对所述机械爪和目标部件进行拍照以获取所述机械爪坐标系原点、基坐标系原点、各特征点在同一像素坐标系下的像素坐标；

31、基于基坐标系原点和各特征点在像素坐标系下的坐标计算各特征点在基坐标系中的像素坐标集st，以及基于机械爪坐标系原点和各特征点在像素坐标系下的坐标计算各特征点在机械爪坐标系中的像素坐标集so。

32、提供了一种产品自动装配机器人，包括机器人本体、位于机器人本体末端的机械爪以及用于上述的产品自动装配的视觉阻抗控制系统，所述视觉阻抗控制系统用于控制所述机械爪夹持待装配部件并移动至所述目标部件处进行装配。

33、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

34、本发明对机械爪移动产品的运动状态和交互力实现动态调整，且两者的调整是相互关联的。首先，基于特定的控制律公式，根据机械爪当前交互力状态、相机当前移动速度和当前距离目标部件的距离，确定机械爪在下一时序的期望速度和期望加速度。在此过程中，期望速度和期望加速度的确定不仅考虑了距离和关联相机的移动速度，还考虑了当前交互力，在当前交互力的作用范围内调整速度和加速度，避免运动状态调整得不合适，当前交互力无法保证产品稳定加持或者使产品变形。在确定下一时序的期望速度和期望加速度后，再基于pd算法调节机械爪的实际角加速度，保证实际机械爪实际运动状态跟随期望运动状态。接着再基于实际角加速度的调节量、机械爪的实际运动状态和交互力，确定预期力矩，基于预期力矩调节机械爪的运动状态和交互力。在此过程中，由于机械爪的力矩发生变化，因此，其交互力也随之变化。最后在基于机械爪的运动状态确定更新后的机械爪实际位置x和实际速度ν，再次进入下一次时序控制。通过上述过程，对机械爪移动产品的运动状态和交互力实现动态调整，保证产品抓取稳定且不破坏产品的性能，提高产品装配速度和质量。