[发明专利]一种基于力反馈的机器人装配自动寻孔方法

摘要

本发明公开了一种基于力反馈的机器人装配自动寻孔方法，属于工业机器人智能控制技术领域，不需要视觉图像处理，基于六维力传感器反馈信息，合理估计孔相对于轴的偏移方向和偏移距离，规划寻孔策略。通过装配中轴与孔的尺寸值，在控制之前计算偏移距离与等效力臂一一对应的数学关系。然后在控制过程中通过六维力传感器监测力信号得到水平面上综合力矩和轴向力的大小，计算寻孔过程的等效力臂，然后根据该等效力臂与偏移距离的关系确定偏移距离。同时，根据力矩各分量大小求得正确的偏移方向，之后根据已知的偏移距离和偏移方向采取变步长的调整方案，实现寻孔方案。最后，利用导纳控制原理在寻孔过程结束后主动柔顺地将轴插入孔中。本发明的优点在于：不需要复杂的视觉图像处理，且具有高效率和通用性。 1

主权项

1.一种基于力反馈的机器人装配自动寻孔方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)在控制前，根据所述轴与所述孔的尺寸，离线地计算不同偏移距离下的等效力臂，并用固定阶数的函数拟合等效力臂和偏移距离的对应关系；

(2)根据力信号判定所述轴孔是否接触；

(3)换算所述轴在所述轴坐标系下的受力分量；

(4)根据步骤(3)所述受力分量中的力矩值确定孔相对于轴的偏移方向；

(5)根据步骤(3)所述受力分量中轴向力和接触力矩，计算等效力臂；

(6)根据步骤(1)所述拟合函数的对应关系求得步骤(5)所述等效力臂下的偏移距离；

(7)根据步骤(6)所述偏移距离乘以可选的比例因子，再将所述比例因子与偏移距离的乘积加上固定的较小的数值，使求和结果作为寻孔策略的微调距离；

(8)利用机械臂控制将所述轴从步骤(3)所述接触点抬起小段距离，之后根据步骤(4)所述微调方向和步骤(7)所述微调距离移动，再次将所述轴向下移动，若轴能向下移动超过所述孔端面一定距离，则进入下一步骤，若不能则继续步骤(3)；

(9)利用力反馈信息，所述轴根据导纳控制原理继续进行插孔任务；

(10)随着所述轴不断深入孔中，若轴插入深度大于孔深的0.8倍，则停止装配，否则，继续重复步骤(9)。

2.如权利要求1所述的一种基于力反馈的机器人装配自动寻孔方法，其特征在于，所述步骤(1)中根据等效力臂与偏移距离的一一对应关系，离线拟合出所述等效力臂与偏移距离的数学关系式，在实际控制过程中利用力信号计算得到的等效力臂推算对应的轴孔偏移距离。其中等效力臂只与接触形状关，表达式为：

其中，表示等效力臂，由积分中值定理可知，当接触力一定时，在固定的偏移距离d下，存在且只与如图4所示接触面积的形状有关。

通过多项式拟合的方式得到等效力臂‑偏移距离的关系，表达式为：

其中n表示多项式阶数，C_i表示多项式常数矩阵。

3.如权利要求1所述的一种基于力反馈的机器人装配自动寻孔方法，其特征在于，所述步骤(4)中，偏移方向与轴末端在X与Y方向上受到的力矩值的比例相关。可得得出，移动方向如下公式：

4.如权利要求1所述的一种基于力反馈的机器人装配自动寻孔方法，其特征在于，所述步骤(7)中，所述微调距离的值由两部分之和组成，其一为固定的较小的偏移量数值，其二为所述求得偏移距离与比例系数的乘积，这两部分共同形成了变步长的微调距离。

每次运行循环移动距离的数学表达式如下所示：

Δd＝d₀+d_c·k_m      (4)

其中，d₀表示预先设定的最小移动距离，保证在计算系统完全崩溃的时候该方法还能继续运行，d_i表示根据事先运算的从如图6中等效力臂‑偏移距离曲线中，通过当前反馈值通过M/F_z计算得到等效力臂值选取对应的偏移距离d_c，满足d_c∈(0 2)，k_m表示距离比例因子，取值范围一般为k_m∈(0 1)，根据实际情况确定，表示直接计算的离散点取值在变步长控制中的影响程度。