一种分布式力传感器反馈辅助装配方法专利检索-力反馈生物计算专利检索查询-专利查询网

积极推动地理标志专门立法

2022-03-10 地理标志，立法，知识产权
保护知识产权是对创新最大的激励

2022-03-10 保护知识产权，创新，激励
谢商华：加快制定知识产权基本法

2022-03-10 知识产权基本法
擦亮“双奥之城”品牌

2022-03-10 双奥，知识产权
让冰雪运动“热”力全开

2022-03-10 冰雪运动，知识产权
携手共奋进　走好强国路

2022-03-10 强国，知识产权
坚持创新引领　方能稳中求进

2022-03-10 创新，稳中求进，知识产权
答好“两张卷” 奋进新征程

2022-03-10 知识产权
专家解读政府工作报告中的创新和知识产权相关部署

2022-03-10 政府工作报告，创新，知识产权
今年政府工作报告指出：加强知识产权保护和运用

2022-03-10 政府工作报告，知识产权保护

一种分布式力传感器反馈辅助装配方法

阅读：816发布：2021-02-23

IPRDB可以提供一种分布式力传感器反馈辅助装配方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提出一种分布式力传感器反馈辅助装配方法，属于大型多轴孔部件装配技术领域。该方法首先搭建由机械臂、一个力与力矩传感器、两个扭矩传感器和计算机组成的分布式力传感器反馈辅助装配系统，并将多轴工件与传感器连接后固定于机械臂末端；将多轴工件移动至距离多孔工件设定距离阈值内后，开始装配；在每个时刻，分别获取该时刻三个方向的轴孔接触力和力矩，并计算得到该时刻多轴工件的偏转角；利用PD控制方法，计算下一个时刻多轴工件需调整的旋转角度和每个方向的运动位移，并控制机械臂进行相应的运动，直至多轴孔的装配深度达到预设深度值，装配结束。本发明方法装配精度高，稳定性好，可以用于大型工件的自动装配。，下面是一种分布式力传感器反馈辅助装配方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种分布式力传感器反馈辅助装配方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)搭建分布式力传感器反馈辅助装配系统；所述分布式力传感器反馈辅助装配系统包括：一个机械臂，一个力与力矩传感器，两个扭矩传感器和一台计算机；

工作时，将力与力矩传感器安装于待装配的多轴工件的连接板上表面中心处，两个扭矩传感器分布式地固定于多轴工件的连接板上表面并分别与该多轴工件最外侧的两个轴的中心线对齐，所述力与力矩传感器和两个扭矩传感器组成分布式力传感器并将分布式力传感器固定于机械臂末端，力与力矩传感器和两个扭矩传感器分别通过信号线连接机械臂，机械臂通过网线连接计算机；

2)将待装配的多孔工件固定于实验台上，且使多孔工件位于机械臂末端的运动范围之内；在待装配多轴工件上建立轴三维坐标系Xp-Yp-Zp，在待装配的多孔工件上建立孔三维坐标系Xh-Yh-Zh；

3)操纵机械臂将多轴工件移动至距离多孔工件设定距离阈值以内的位置，多轴工件不接触多孔工件；

4)将力与力矩传感器和两个扭矩传感器进行回零标定，标定之后检查计算机输出的力与力矩传感器数值是否满足设定的传感器阈值：若是，则进入步骤5)；否则重新进行步骤

4)，直至计算机输出的力与力矩传感器数值符合设定的传感器阈值；

5)分别设置x方向、y方向、z方向的轴孔接触力的对应参考值为然后开始装配，记当前时刻为t时刻；

6)利用力与力矩传感器，分别获得t时刻的x方向、y方向和z方向的轴孔接触力分别记为Fx0,Fy0,Fz0，以及x方向、y方向、和z方向的力矩分别记为Mx0,My0,Mz0，则t时刻的接触力和力矩构成一个六维力向量利用两个扭矩传感器分别获得t时刻作用到扭矩传感器安装位置的力矩记为Mx1和Mx2；

7)计算多轴工件在t时刻整体偏转角α；

获取多轴工件任意最外轴中心到多轴工件中心的连接长度为l，最外轴边缘到多轴工件中心的连接件长度为w,多轴工件的轴长与连接件的厚度的总和h,多孔工件上边缘到多轴工件上表面的垂直距离Δh；

假设选取力矩Mx1对应的最外轴并计算该最外轴t时刻对应的变形角θ1，则θ1和α表达式分别如下：α＝arccot[((Fy0Δh+Mx0)/Fz0-w)/(h-Δh)]-θ1

8)利用步骤7)计算得到的α，利用PD控制方法，设置α的参考角度为0°，计算t+1时刻多轴工件调整的旋转角度Δα；表达式如下：其中，Kpα和Kdα分别代表待装配多轴工件整体旋转的P控制参数和D控制参数，代表α关于时间的微分；

计算t+1时刻多轴工件分别需在x方向、y方向和z方向上运动的位移Δx,Δy,Δz，Δx,Δy,Δz的计算表达式分别如下：其中，Kpx,Kpy,Kpz分别为x方向、y方向和z方向的平移运动P控制参数；Kdx,Kdy,Kdz分别为x方向、y方向和z方向的平移运动D控制参数；分别代表t时刻x方向、y方向和z方向的轴孔接触力与接触力参考值的差值关于时间的微分；

9)t+1时刻，机械臂按照步骤8)的计算结果进行运动后，令t＝t+1,然后重新返回步骤

6)，直到多轴工件z方向的移动距离达到设定的深度值，装配结束。

说明书全文

一种分布式力传感器反馈辅助装配方法

技术领域

[0001] 本发明提出一种分布式力传感器反馈辅助装配方法，属于大型多轴孔部件装配技术领域。

背景技术

[0002] 产品制造过程中，装配作业是非常重要的环节，该环节将直接影响最终产品质量。据统计，在机械电子类产品的整个制造工作中，装配工作量占到20％～70％，装配费用也占到了总成本的1/3～1/2。目前工业中的装配环节很多还是由装配工人完成，但是人工装配存在很多问题，例如效率低，成本高，工人操作要求高，而且还容易发生安全事故。尤其对于大型工件的装配，工件太重，人工装配很不方便。在这样的背景下，能够进行自动装配的机械臂便显得尤为重要。相比于人工装配，机械臂适用的范围更广，尤其适用于重型工件等特殊环境下的装配。

[0003] 通过对已公开的文献、专利和工业产品调研发现，现有的机械臂装配主要可以采用两种方式，一种是基于视觉伺服控制机械臂进行自动装配的装配方式，视觉伺服是通过采集装配时的图像并进行对比，从而判断此时工件的位姿，并将判断结果反馈给机械臂进行调整的一种方法。然而基于视觉伺服控制机械臂进行自动装配的方法还存在以下不足：

[0004] 1、视觉伺服控制无法精确地控制装配工件的接触力大小，有可能发生严重的磕碰以致损伤工件。

[0005] 2、采集图像时，存在局部遮挡和特征点不明显时，造成位姿判断出错或者无法判断的问题。

[0006] 另外一种装配方式是基于力觉的装配方式，也称为机械臂的力控制装配方法。力控制可以分为被动力控制和主动力控制。被动力控制是设计柔顺的末端关节，帮助工件在位置不完全准确的情况下完成装配。主动力控制则是利用力传感器对机械臂末端受力进行实时的测量，通过比较参考力与真实力，判断当前的机械臂和工件的接触情况，控制机械臂运用以减小接触力，从而可以更好地完成装配。然而现有力控制装配方法还有如下几个问题：

[0007] 1、被动力控制方法柔顺程度有限，且针对不同的工件需要设计不同的柔顺机械装置，适用程度有限。且因为柔性装置自由空间太大，不方便精确地控制。

[0008] 2、现有的主动力控制装配方法主要适用于单轴孔装配，很少适用于多轴孔装配，而且没有发现适用于柔性多轴孔装配的方法。对于大型工件，例如飞机，汽车等工件，其体积大质量高，本身会因为重力等作用造成变形，从而不能完全视为刚性体，且这些大型工件的装配主要为多轴孔装配，因此需要对柔性多轴孔的装配方法进行研究。

[0009] 3、仅有的一些主动力控制多轴孔装配方法只使用了单个六维力与力矩传感器，存在多轴孔接触状态无法解耦的问题，从而增加控制复杂性，因此需要设计合适的测量方法解耦多轴孔接触状态，从而实时估计多轴孔的相对姿态。

发明内容

[0010] 本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种分布式力传感器反馈辅助装配方法。本发明方法装配精度高，稳定性好，可以用于大型工件的自动装配。

[0011] 本发明提出一种分布式力传感器反馈辅助装配方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0012] 1)搭建分布式力传感器反馈辅助装配系统；所述分布式力传感器反馈辅助装配系统包括：一个机械臂，一个力与力矩传感器，两个扭矩传感器和一台计算机；

[0013] 工作时，将力与力矩传感器安装于待装配的多轴工件的连接板上表面中心处，两个扭矩传感器分布式地固定于多轴工件的连接板上表面并分别与该多轴工件最外侧的两个轴的中心线对齐，所述力与力矩传感器和两个扭矩传感器组成分布式力传感器并将分布式力传感器固定于机械臂末端，力与力矩传感器和两个扭矩传感器分别通过信号线连接机械臂，机械臂通过网线连接计算机；

[0014] 2)将待装配的多孔工件固定于实验台上，且使多孔工件位于机械臂末端的运动范围之内；在待装配多轴工件上建立轴三维坐标系Xp-Yp-Zp，在待装配的多孔工件上建立孔三维坐标系Xh-Yh-Zh；

[0015] 3)操纵机械臂将多轴工件移动至距离多孔工件设定距离阈值以内的位置，多轴工件不接触多孔工件；

[0016] 4)将力与力矩传感器和两个扭矩传感器进行回零标定，标定之后检查计算机输出的力与力矩传感器数值是否满足设定的传感器阈值：若是，则进入步骤5)；否则重新进行步骤4)，直至计算机输出的力与力矩传感器数值符合设定的传感器阈值；

[0017] 5)分别设置x方向、y方向、z方向的轴孔接触力的对应参考值为然后开始装配，记当前时刻为t时刻；

[0018] 6)利用力与力矩传感器，分别获得t时刻的x方向、y方向和z方向的轴孔接触力分别记为Fx0,Fy0,Fz0，以及x方向、y方向、和z方向的力矩分别记为Mx0,My0,Mz0，则t时刻的接触力和力矩构成一个六维力向量

[0019] 利用两个扭矩传感器分别获得t时刻作用到扭矩传感器安装位置的力矩记为Mx1和Mx2；

[0020] 7)计算多轴工件在t时刻整体偏转角α；

[0021] 获取多轴工件任意最外轴中心到多轴工件中心的连接长度为l，最外轴边缘到多轴工件中心的连接件长度为w,多轴工件的轴长与连接件的厚度的总和h,多孔工件上边缘到多轴工件上表面的垂直距离Δh；

[0022] 假设选取力矩Mx1对应的最外轴并计算该最外轴t时刻对应的变形角θ1，则θ1和α表达式分别如下：

[0023]

[0024] α＝arccot[((Fy0Δh+Mx0)/Fz0-w)/(h-Δh)]-θ1

[0025] 8)利用步骤7)计算得到的α，利用PD控制方法，设置α的参考角度为0°，计算t+1时刻多轴工件调整的旋转角度Δα；表达式如下：

[0026]

[0027] 其中，Kpα和Kdα分别代表待装配多轴工件整体旋转的P控制参数和D控制参数，代表α关于时间的微分；

[0028] 计算t+1时刻多轴工件分别需在x方向、y方向和z方向上运动的位移Δx,Δy,Δz，Δx,Δy,Δz的计算表达式分别如下：

[0029]

[0030] 其中，Kpx,Kpy,Kpz分别为x方向、y方向和z方向的平移运动P控制参数；Kdx,Kdy,Kdz分别为x方向、y方向和z方向的平移运动D控制参数；分别代表t时刻x方向、y方向和z方向的轴孔接触力与接触力参考值的差值关于时间的微分；

[0031] 9)t+1时刻，机械臂按照步骤8)的计算结果进行运动后，令t＝t+1,然后重新返回步骤6)，直到多轴工件z方向的移动距离达到设定的深度值，装配结束。

[0032] 本发明的特点及有益效果在于：

[0033] 1本发明采用分布式力传感器，可对多轴孔的变形角和偏转角进行估计，进而可以调整多轴的位姿以对齐多轴孔工件。因此本发明方法可以适用于不同的工件装配，尤其可以适用于柔性多轴孔装配。

[0034] 2本发明提出的分布式力传感器反馈辅助装配方法，可以解耦多轴孔工件装配时的接触状态，并实时估计多轴孔的相对姿态，因此本发明方法有利于对多轴孔工件的装配进行姿态调整和后续控制。

[0035] 3本发明方法所涉及的分布式力传感器反馈辅助装配系统，控制精度高，控制稳定性好，可以应用于实际环境中的大型多轴孔工件的装配，例如飞机大部件的装配以及航天工业中大型部件的装配等。由于能够同时估计多轴工件的偏转角和变形角，可以对齐多轴孔工件，减小装配接触力，防止接触力过大造成工件的损伤。

附图说明

[0036] 图1是本发明中分布式力传感器反馈辅助装配系统的部分二维示意图。

[0037] 图2是本发明中建立的轴三维坐标系和孔三维坐标系示意图。

[0038] 图3是本发明实施例中分布式力传感器受力与多轴孔接触力关系示意图。

[0039] 图中，1为机械臂，2为力与力矩传感器，3为扭矩传感器，4为多轴工件，5为多孔工件。

具体实施方式

[0040] 本发明提出一种分布式力传感器反馈辅助装配方法，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明如下。

[0041] 本发明提出一种分布式力传感器反馈辅助装配方法，包括以下步骤：

[0042] 1)搭建分布式力传感器反馈辅助装配系统；所述分布式力传感器反馈辅助装配系统包括：一个机械臂，一个力与力矩传感器，两个扭矩传感器和一台计算机。所述机械臂用于控制多轴工件移动并与多孔工件进行装配，所述力与力矩传感器和两个扭矩传感器用于测量装配过程中的轴孔接触力与力矩并发送给计算机，所述计算机用于对接收到的轴孔接触力与力矩进行处理并控制机械臂进行运动；

[0043] 本发明的分布式力传感器反馈辅助装配系统的部分二维示意图如图1所示，图中，将力与力矩传感器2安装于待装配的多轴工件4的连接板上表面中心处，两个扭矩传感器3分布式地固定于多轴工件4的连接板上表面并分别与该多轴工件最外侧的两个轴的中心线对齐，所述力与力矩传感器2和两个扭矩传感器3组成分布式力传感器并将分布式力传感器固定于机械臂1末端。力与力矩传感器2和两个扭矩传感器3分别通过信号线连接机械臂1以传输力与力矩数据，机械臂1通过网线连接至计算机以传输机械臂1的运动状态以及力与力矩数据，并用于传输计算机的运动控制指令。

[0044] 所述分布式力传感器反馈辅助装配系统中各部件均采用常规部件，本实施例中，计算机为联想Y480-NIFI，机械臂1为ABB-IRB1200，力与力矩传感器2为ATI-6维力传感器，两个扭矩传感器3为德国ME-SYSTEM中空型法兰型扭矩传感器TD110。

[0045] 2)将待装配的多孔工件固定于实验台上，且多孔工件位置需在机械臂末端的运动范围之内。在待装配多轴工件上建立轴三维坐标系Xp-Yp-Zp，在待装配的多孔工件上建立孔三维坐标系Xh-Yh-Zh。

[0046] 本发明中建立的轴三维坐标系和孔三维坐标系示意图如图2所示，根据图1，设远离机械臂的方向为左侧，接近机器人的方向为右侧。其中，轴三维坐标系的原点位于待装配多轴工件的两个最外侧轴下底面圆心连线的中心处，Zp轴正向沿多轴工件的轴线向上，Yp正向为沿左侧轴的圆心指向右侧轴圆心，利用右手螺旋定则可以得到Xp轴正向；孔三维坐标系的原点位于待装配多孔工件的两个最外侧孔上表面圆心连线的中心处，Zh轴正向沿多孔工件的轴线向上，Yh正向为沿左侧孔的圆心指向右侧孔圆心，利用右手螺旋定则可以得到Xh轴正向。

[0047] 3)手动操纵机械臂将多轴工件移动至距离多孔工件设定距离阈值以内(本实施例设定距离阈值为1mm)的位置，但多轴工件不接触多孔工件。

[0048] 4)将力与力矩传感器和两个扭矩传感器进行回零标定，标定之后检查轴孔未接触时(此时机械臂上安装有多轴工件)计算机输出的力与力矩传感器数值是否满足设定的传感器阈值(本实施例设定的传感器阈值分为传感器力阈值和传感器力矩阈值，其中力阈值为为0.5N，力矩阈值为(0.05N·m))，若是则进入步骤5)(必须同时满足力阈值和力矩阈值才称为满足传感器阈值，并进入步骤5))；否则重新进行步骤4)，直至计算机输出的力与力矩传感器数值符合设定的传感器阈值。

[0049] 5)分别设置x方向、y方向、z方向的轴孔接触力的对应参考值为在本实施例中，然后开始装配，记当前时刻为t时刻；

[0050] 6)利用力与力矩传感器，分别获得t时刻的x方向、y方向和z方向的轴孔接触力分别记为Fx0,Fy0,Fz0，以及x方向、y方向、和z方向的力矩分别记为Mx0,My0,Mz0，则t时刻的接触力和力矩构成一个六维力向量此外，利用两个扭矩传感器可以获得t时刻作用到扭矩传感器安装位置的力矩Mx1和Mx2。

[0051] 7)计算多轴工件在t时刻整体偏转角α；

[0052] 根据已知量包括六维力向量扭矩传感器的力矩Mx1和Mx2，获取多轴工件任意最外轴中心到多轴工件中心的连接长度为l，最外轴边缘到多轴工件中心的连接件长度为w,多轴工件的轴长与连接件的厚度的总和h,多孔工件上边缘到多轴工件上表面的垂直距离Δh。

[0053] 假设选取力矩Mx1对应的最外轴并计算该最外轴t时刻对应的变形角θ1，则θ1和α表达式分别如下：

[0054]

[0055] α＝arccot[((Fy0Δh+Mx0)/Fz0-w)/(h-Δh)]-θ1

[0056] 实际操作中，也可以采用同样方法选取力矩Mx2对应的最外轴并计算该最外轴t时刻对应的变形角，进而计算得到t时刻整体偏转角α。

[0057] 图3是本发明实施例中分布式力传感器受力与多轴孔接触力关系示意图，在本实施例中计算的为多轴在图中Mx1对应的最外轴(即左轴)处变形角θ1，左轴中心到多轴中心的连接件长度l，左轴边缘到多轴中心的连接件长度w，多轴的轴长与连接件的厚度的总和h,多孔上边缘到多轴上表面的垂直距离为Δh，FN1和FN2分别为多轴工件在孔上边沿和轴底处与孔接触造成的正压力。待求量为多轴的整体偏转角α(α与选取轴无关)。为了计算出整体偏转角α，多轴在最外侧轴的变形角需要进行计算，在本实施例中计算的为多轴在Mx1对应的最外轴处变形角θ1。

[0058] 根据力与力矩平衡原理，我们可以推导出来θ和α的计算公式为：

[0059]

[0060] α＝arccot[((Fy0Δh+Mx0)/Fz0-w)/(h-Δh)]-θ1

[0061] 8)利用步骤7)计算得到的α，利用已有的PD控制方法，设置α的参考角度为0°，计算机根据PD控制算法计算下一个时刻即t+1时刻多轴工件需要调整的旋转角度Δα；表达式如下：

[0062]

[0063] 其中，Kpα和Kdα分别代表待装配多轴工件整体旋转的P控制参数和D控制参数，代表α关于时间的微分。

[0064] 与此同时，计算机根据PD控制算法和中轴孔接触力的参考值计算t+1时刻多轴工件分别需要在x方向、y方向和z方向上运动的位移Δx,Δy,Δz，并将Δx,Δy,Δz从计算机通信发送给机械臂进行运动。Δx,Δy,Δz的计算表达式分别如下：

[0065]

[0066] 其中Δx,Δy,Δz为t+1时刻多轴工件分别在x方向、y方向和z方向上运动的位移；Kpx,Kpy,Kpz分别为x方向、y方向和z方向的平移运动P控制参数；Kdx,Kdy,Kdz分别为x方向、y方向和z方向的平移运动D控制参数(以上参数均为恒定值)；
分别代表t时刻x方向、y方向和z方向的轴孔接触力与接触力参考值的差值关于时间的微分。

[0067] 9)t+1时刻，机械臂按照步骤8)的计算结果进行运动之后多轴孔的相对姿态会发生变化，从而导致接触状态和接触力均会发生变化，更新新的当前时刻为t时刻，令t＝t+1,然后重新返回步骤6)，直到多轴工件z方向的移动距离达到设定的深度值，本实施例中设为100mm，即多轴孔的装配深度达到预设深度值，装配结束。

标题	发布/更新时间	阅读量
指尖力反馈装置-专利编号CN103699221A	2020-05-12	797
车力反馈装置-专利编号CN108562387A	2020-05-13	735
中指力反馈装置-专利编号CN104669232A	2020-05-12	686
力反馈触觉接口-专利编号CN100444085C	2020-05-13	405
风速力反馈-专利编号CN110537215A	2020-05-11	827
压力反馈按摩器-专利编号CN109044775A	2020-05-11	1102
食指力反馈装置-专利编号CN104635916A	2020-05-13	1043
力反馈操作台-专利编号CN109669545A	2020-05-11	1188
力反馈装置-专利编号CN201548930U	2020-05-11	1073
力反馈系统-专利编号CN205721407U	2020-05-12	507

一种分布式力传感器反馈辅助装配方法

一种分布式力传感器反馈辅助装配方法

技术领域

背景技术

发明内容

附图说明

具体实施方式

IPRDB

热门服务

关于我们

友情链接

联系方式