[发明专利]一种大尺寸轴孔工件装配的螺旋插装方法

摘要

本发明提出一种大尺寸轴孔工件装配的螺旋插装方法，属于大尺寸轴孔工件装配领域。该方法的实现过程中，机械臂接收上位机的运动指令，操纵大尺寸孔工件轴以往复式螺旋运动的形式插入大尺寸工件孔中，力传感器实时监测轴孔之间的接触力/力矩，上位机利用装配过程中机械臂末端的位姿和轴孔之间的接触力/力矩，实现调整轴孔之间相对位姿的功能，同时用于监测轴孔装配的卡阻状态，调整螺旋插装的运动参数，以减小大尺寸轴孔工件之间的摩擦阻力，避免机械卡阻的发生。本发明使得机械臂在大尺寸轴孔工件的装配过程中更容易避免机械卡阻的发生，操作方法简单易行，能有效地提高装配效率和装配成功率。

主权项

1.一种大尺寸轴孔工件装配的螺旋插装方法，其特征在于，包括以下步骤：1)搭建大尺寸轴孔装配系统；所述系统包括：基座、待装配轴工件、待装配孔工件、力传感器、末端执行器、机械臂和上位机；所述待装配孔工件和基座分别固定于操作台上，机械臂通过螺纹连接固定在基座上，力传感器通过螺纹连接固定于机械臂的最末关节，力传感器通过电缆连接机械臂，末端执行器通过螺纹连接固定于力传感器上，待装配轴工件通过螺纹连接固定于末端执行器上，上位机通过网线连接机械臂；2)操作机械臂完成轴孔粗对准，使得待装配轴工件的轴位于待装配孔工件的孔的上方且轴与孔的同轴度不超过待装配孔工件孔倒角宽度；在待装配轴工件上建立轴心坐标系{O_p},{O_p}以轴的末端圆心为原点，沿轴线朝外方向为Z轴正方向；设机械臂末端中心坐标系为{O_t}，机械臂与待装配轴连接固定后轴心坐标系原点在坐标系{O_t}下的坐标为(x_p,y_p,z_p)，轴心坐标系的X轴、Y轴和Z轴在{O_t}下的单位方向向量分别为(n_x,n_y,n_z)、(a_x,a_y,a_z)和(o_x,o_y,o_z)，得到工具坐标系T_peg，表达式如下：3)机械臂操纵待装配轴工件的轴完成柔顺入孔阶段，使得待装配孔工件的孔的插入深度超过孔的倒角深度；具体步骤如下：3‑1)设定初始的阻抗控制参数，包括插入速度v_a、参考力和参考力矩组成的向量控制刚度K_p＝[K_x,K_y,K_z,K_θx,K_θy,0]和调姿刚度K_d＝[K_x,K_y,0,K_θx,K_θy,0]，其中和分别是沿X、Y、Z方向的参考接触力，和分别是绕X、Y轴的参考接触力矩，K_x、K_y和K_z分别是X、Y、Z方向的位置刚度，K_θx和K_θy分别是绕X方向和Y方向的姿态刚度；3‑2)上位机获取机械臂在工具坐标系T_peg下的当前位姿T₀和力传感器测量的当前的接触力/力矩F，并计算下一时刻机械臂的目标位姿T_d＝T₀+K_p(F‑F_ref)，上位机发送运动指令使机械臂运动到目标位姿T_d；其中位姿T₀＝[X₀,Y₀,Z₀,θ_x0,θ_y0,θ_z0]，X₀、Y₀和Z₀分别是机械臂在工具坐标系下X、Y、Z轴的位置坐标，θ_x0、θ_y0和θ_z0分别是机械臂在工具坐标系下绕X、Y、Z轴的欧拉角，接触力/力矩F＝[F_x,F_y,F_z,M_x,M_y,M_z]，F_x、F_y和F_z分别是轴孔之间接触力沿X、Y、Z轴方向的分量，M_x、M_y和M_z分别是轴孔之间接触力矩绕X、Y、Z轴的分量；3‑3)重复步骤3‑2)，直至待装配轴工件的轴插入待装配孔工件的孔的深度超过孔的倒角深度,进入步骤4)；4)机械臂操纵待装配轴工件的轴执行往复螺旋式装配运动，具体步骤如下：4‑1)计算螺旋式装配运动参数的取值范围，所述参数包括：螺旋插装的往复运动频率f_screw、旋转角度幅值θ_screw和螺旋运动节距h，约束条件表达式如下：其中，δ是轴孔配合的间隙，d是机械臂绕工具坐标系Z轴旋转时待装配轴工件的端面圆心到实际旋转轴线的距离，f_res为机械臂的共振频率，k_int为惯量匹配因子，k_mate为间隙配合因子，k_f为轴向摩擦力减小的比例；第一次执行螺旋式装配运动时，在满足上述约束条件的范围内，选取螺旋式装配运动参数的初始值；4‑2)计算螺旋式装配运动过程中机械臂在工具坐标系下的位置总增量ΔX、ΔY、ΔZ和绕X、Y轴的欧拉角总增量Δθ_x、Δθ_y；上位机获取并更新机械臂当前位姿T₀和力传感器测量的接触力/力矩F，依据阻抗控制算法，表达式如下：4‑3)计算螺旋插装运动指令的步数n_s和绕工具坐标系Z轴旋转的角度幅值θ_screw，表达式如下：4‑4)计算每一步螺旋运动指令的目标位姿T_i^d，i＝1,2…n_s，表达式如下：其中每一步的位姿增量且满足：其中ΔY_i^d和是第i步指令中机械臂在工具坐标系下分别沿X、Y、Z轴的位置增量，和分别是第i步指令中机械臂在工具坐标系下绕X、Y、Z轴的欧拉角增量；4‑5)上位机将4‑4)中计算得到的n_s步螺旋运动指令发送给机械臂，使机械臂操纵工件轴进行往复螺旋式的装配运动；5)机械臂进行完n_s步往复螺旋式的装配运动后，上位机获取并更新机械臂当前位姿T₀和力传感器测量的接触力/力矩F，并依据更新后的当前位姿下的轴向插装力F_z的大小判断轴孔装配当前的卡阻状态，具体方法如下：5‑1)当时，判断卡阻状态为安全状态，则令插入速度v_a增大10％，螺旋插装参数h增大10％，然后进入步骤6)；5‑2)当时，判断卡阻状态为危险状态，则令插入速度v_a减小20％，螺旋插装参数h增大20％，同时调整轴孔的相对姿态，计算目标位姿T_g＝T₀+K_d(F‑F_r)，上位机发送运动指令使机械臂运动到目标位姿T_g，然后进入步骤6)；5‑3)当时，判断卡阻状态为已发生卡阻，首先，调整运动参数，即轴向插入速度v_a减小30％，螺旋插装参数h减小30％；然后，机械臂运动到目标位姿位姿其中为步骤4‑4)中第n_s‑1步螺旋式装配运动指令的目标位姿，使得工件轴反向螺旋后退至上一条运动位姿以缓解卡阻，运动完成后上位机获取接触力/力矩F并再次判断卡阻状态，如果仍满足则机械臂运动到目标位置直到机械臂运动目标位置时消除已发生卡阻状态，上位机获取并更新机械臂的当前位姿T₀和力传感器测量的当前的接触力/力矩F；最后，调整轴孔的相对姿态,上位机获取并更新机械臂的当前位姿T₀和力传感器测量的当前的接触力/力矩F,上位机发送运动指令使机械臂运动到目标位姿T_g＝T₀+K_d(F‑F_r)，然后进入步骤6)；6)上位机获取并更新机械臂当前位姿T₀，判断当前轴向插入深度Z₀是否到达目标位置深度Z_goal：如果已达到目标位置深度，则装配任务结束；否则重新返回步骤4)。