一种基于实时力控的装配机器人全空间柔顺插孔控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于实时力控的装配机器人全空间柔顺插孔控制方法，步骤为：利用六维腕力传感器、实时通信软件包等搭建装配机器人螺栓插孔实时力控系统；采用基于标准位置的重力补偿方法，消除机器人全空间作业时重力分量对六维力传感器读数的影响；通过对插孔任务中接近、寻孔、插入与插入完成四个阶段的受力分析与力/位混合控制策略设计，避免螺栓插孔过程中常见的卡阻与契紧现象，提高机器人插孔作业成功率和效率；在多维力时间序列窗口中采用基于支持向量机的检测器实现寻孔完成状态自动检测，确保寻孔与插孔两个子任务的准确切换。本发明专利技术可解决利用常规刚性关节型机器人实现高效率、高准确性的无倒角柔顺插孔装配作业控制问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及装配机器人领域，特别涉及一种基于实时力控的装配机器人全空间柔顺插孔控制方法。
技术介绍
在机器人进行螺栓插孔等一类精密装配作业时，由于装配环境存在各种不确定性甚至突发状况，常规的刚性关节型机器人已经无法确保孔轴装配任务的完成；若仅采用视觉引导机器人孔-轴对准，且一旦视觉定位导致装配机器人在装配件之间出现些微误差，都有可能会导致装配失败，甚至损坏装配件或机器人(见赵敏，“机器人柔顺抓放技术与应用”，工业控制计算机，2016)。这类装配生产制造领域对工业机器人提出更严苛的要求，该类任务最大的特点是需要与环境接触，这就需要机器人具有一定柔顺机制，即机器人能够通过对环境的顺从来完成某个预定的与环境接触的任务。实现机器人柔顺作业的两个途径是被动柔顺和主动柔顺技术。被动柔顺并非对机器人本身施加控制，而是通过特殊的被动柔顺装置(如RCC柔顺腕等)来实现柔性，因此仅限于特定的环境和任务。由于RCC无法检测力，所以RCC在进行插孔任务时必须依靠倒角。而若采用主动柔顺力控制方式，则应用范围可以扩展到无倒角的情况下。主动柔顺控制方法一般通过传感器测量的力信息，进行寻孔和插孔运动控制，摆脱了对倒角的依赖。因此，主动柔顺控制技术通常将力传感器安装在机器人末端和工具之间，通过工具和环境接触直接测量机器人末端受力，从而对机器人进行相应的力控制或者力/位混合控制(见张锟等，“一种基于力/位混合控制进行插孔作业的策略”，机器人，2002)。力传感器具有精度高、分辨率高、灵敏度好、线性度好，可靠性高，使用方便等优点，因而成为研究机器人和环境接触状况时最常用的手段。(见林君健，“基于力传感器的工业机器人主动柔顺装配系统研究”，华南理工大学硕士学位论文，2013)。经专利检索查新，张峰等人申请了中国专利技术专利，申请号为CN201410696611.4，名称为“基于EtherCAT总线的机器人柔顺控制系统和方法”。该专利技术公开了一种实时性强、可靠性高、成本低、体积小的基于EtherCAT总线的模块化机器人柔顺控制方法，适应了机器人在执行接触作业中的要求。该方法为主站将机器人驱动器采集的电机周期性数据与设定的期望值进行叠加并进行阻抗控制，输出参考力矩值至机器人驱动器。因此该专利技术仅从机器人硬件元部件(驱动器)角度设计了一般阻抗控制的实现机制，并不涉及到任何具体任务中的机器人柔顺装配控制方法。经专利检索查新，崔裕翔申请了中国专利技术专利，申请号为CN201510525775.5，名称为“新型智能泛用型高速拧紧装配机器人”。曲道奎等人申请了中国专利技术专利，申请号为CN201410632143.4，名称为“螺钉抓取机构和含有该螺钉抓取机构的螺钉装配机器人”。这些专利都是从具体装置的机械设计角度提出具体专利技术。其中“螺钉抓取机构和含有该螺钉抓取机构的螺钉装配机器人”这一专利技术公开了一种螺丝抓取与装配的特殊机械机构，在同一设备上连续完成螺钉抓取与拧紧操作，并且在该操作中，螺钉套筒始终和螺帽配合，避免了螺钉放入螺纹孔后的拧紧过程中认帽不完全准确的情况。但是该专利技术也不涉及机器人寻孔与插孔等具体环节的控制方法问题。根据以上调研可见，目前尚未有针对机器人实时力控下的全空间、无倒角柔顺插孔装配控制方法方面的相关专利技术专利。虽然在机器人柔顺力控制方面，已有一些基础的技术方法，并用于机器人柔顺抓取、放置、层叠、对准等典型装配任务，为本专利技术的提出提供了参考和支持。但是用于机器人全空间、无倒角柔顺插孔装配控制方法，目前尚未有相关专利技术专利报道。主动柔顺下的机器人插孔作业控制具有三个难点需要考虑。(1)首先是如何实时根据力测量信息调整机器人位姿，避免插孔过程中常见的卡阻与契紧现象，这是机器人插孔作业控制必须解决的首要问题，否则将极大影响机器人插孔装配的效率，因此需要采用力/位混合控制方法对机器人插孔过程各个阶段的受力情况及控制策略进行分析和设计。(2)其次，以往视觉引导的机器人孔轴装配方法(见)大多解决平面装配问题，难以适应机器人全空间作业需求。而力控下的机器人全空间插孔，最大的问题在于六维力传感器所测量的数据是对外界所有力的总体受力情况的整体反映，然而在装配操作中，力控制的对象是机器人末端与外界的接触力。根据分析，六维力传感器测量得到的数据中包含四个分量：接触力、工具重力、加速度力和传感器的初始值。作为全空间孔轴装配的基础，需要把接触力从六维力传感器测量的数据中分离出来，即解决重力补偿问题。(3)另外一个问题是，如何从力传感器时序数据中判断出插孔各个环节之间的切换，尤其是从寻孔阶段到插孔阶段的切换，难以仅仅采用简单阈值化方法来判断，因此可以利用机器学习的方法从力传感器数据中检测寻孔结束事件的发生。这些是本专利技术专利考虑并解决的核心问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对如何利用传统刚性机器人实现柔顺接触的插孔(peg-in-hole)作业问题，实现安全、高效率的全空间机器人插孔功能，提出一种基于实时力控的装配机器人全空间柔顺插孔控制方法。本专利技术采用的技术方案为：一种基于实时力控的装配机器人全空间柔顺插孔控制方法，具体包括以下步骤：步骤1、利用六维腕力传感器、实时通信软件包等搭建装配机器人实时力控平台。在步骤1中，所搭建的系统主要由KUKA机器人本体、机器人控制器及末端执行器、力传感器、上位机等几个主要部分组成。力传感器通过转接件加装在机器人末端，采集实时力信号，通过NetBox的解析，得到力控制所需的六维力数据，并通过以太网发送至上位机。上位机与机器人控制器之间采用KUKARSI实时通信接口进行通信，上位机实时接收机器人发送的位置及姿态、速度、电流、转矩等状态信息，同时实时获得NetBox发送的当前状态六维力信息，经过力控制算法的计算，将机器人下一步的运动的偏移量实时发送给机器人，机器人端程序实时接收偏移量并运行偏移量，从而实现对机器人的实时力控制。步骤2、通过机器人全空间重力补偿，使得机器人无论在何种与外界不接触的姿态下，测量的六维力数据都为0。精密的孔轴装配属于低速作业，加速度可以忽略。传感器初始值每次都有变化，所以不可忽略，需要通过参考位置补偿。所述步骤2中，重力补偿的目标是机器人无论在何种与外界不接触的姿态下，测量的六维力数据都为0。重力与重力矩补偿的基本方法是计算力传感器末端加装工具的重力G与重心{lx,ly,lz本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于实时力控的装配机器人全空间柔顺插孔控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤1、利用六维腕力传感器、实时通信软件包等搭建装配机器人实时力控平台；步骤2、通过机器人全空间重力补偿，使得机器人无论在何种与外界不接触的姿态下，测量的六维力数据都为0；步骤3、机器人无倒角插孔作业过程控制策略；将无倒角插孔的各个阶段分为接近阶段、寻孔阶段、插入阶段与插入完成四个阶段，按照力位混合控制思路，对无倒角插孔作业过程各个阶段的自然约束与人工约束进行设计；步骤4、对步骤3中涉及的接近阶段、寻孔阶段、插入阶段与插入完成四个阶段，分别针对步骤3中提出的人工约束和自然约束条件，进行导纳控制；导纳控制检测机器人与环境的接触力，输出为机器人的位置和速度，从而能够利用传统的位置型机器人控制器实现柔顺的力接触功能；步骤5、基于支持向量机分类器的机器人寻孔结束检测；利用腕力传感器数据的时间序列及机器学习方法，判断机器人插孔作业过程中是否寻孔结束，从而切换到插孔阶段。

【技术特征摘要】
1.一种基于实时力控的装配机器人全空间柔顺插孔控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤1、利用六维腕力传感器、实时通信软件包等搭建装配机器人实时力控平台；步骤2、通过机器人全空间重力补偿，使得机器人无论在何种与外界不接触的姿态下，测量的六维力数据都为0；步骤3、机器人无倒角插孔作业过程控制策略；将无倒角插孔的各个阶段分为接近阶段、寻孔阶段、插入阶段与插入完成四个阶段，按照力位混合控制思路，对无倒角插孔作业过程各个阶段的自然约束与人工约束进行设计；步骤4、对步骤3中涉及的接近阶段、寻孔阶段、插入阶段与插入完成四个阶段，分别针对步骤3中提出的人工约束和自然约束条件，进行导纳控制；导纳控制检测机器人与环境的接触力，输出为机器人的位置和速度，从而能够利用传统的位置型机器人控制器实现柔顺的力接触功能；步骤5、基于支持向量机分类器的机器人寻孔结束检测；利用腕力传感器数据的时间序列及机器学习方法，判断机器人插孔作业过程中是否寻孔结束...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱堃，吴航，王伟，徐俊，梁璨，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32