轴孔装配工业机器人系统及其工作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及工业机器人应用领域，尤其涉及一种轴孔装配工业机器人系统及其工作方法。
【背景技术】
[0002]数控加工在制造业已被广泛应用，随着加工零件的复杂度增加和精度的提高，一些精细零件的加工与装配作业依靠普通的数控机床已经不能满足需求。例如高精度的轴孔装配作业，由于环境中存在诸多不确定性和突发事件，使得装配作业时常发生故障，在常规位置控制下，装配工业机器人装配件之间的微小偏差可能使装配件不能完成装配，导致装配作业失败，甚至造成对装配工件及周边设备的损伤。
[0003]公开号CN101041220A的专利公开了一种利用低精度的工业机器人实现高精度轴孔装配的方法，该方法利用轴孔空间的“碗状约束域”实现了轴孔的装配，公开号CN101585137A的专利中公开了一种多轴孔装配装置，该装配装置是根据刚性轴孔装配任务的特点，针对弹性多轴孔装配动作而设计的，但是他们都是采用单一的位置控制模式设计的，而对接触力不能够进行控制，不适用于对接触力要求较为严格的装配作业。针对此问题CN102218652B号专利中提到柔顺性实现轴孔装配，但其是利用增大位置环增益完成的，可以实现对孔运动的情况下的轴孔装配作业，但其仍然是靠位置控制来实现轴孔装配，不能够对接触力进行控制，在对装配精度要求较高或刚度较低的工件进行装配作业时，其接触力的不可控性容易造成装配失败或者工件的损伤。
【发明内容】
[0004]针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种工作精度高且接触力可控的轴孔装配工业机器人系统。
[0005]一种轴孔装配工业机器人系统，包括:
[0006]工业机器人、轴孔装配平台、力觉传感器、夹持装置、装配工件、装配孔及装配轴，所述工业机器人包括运动计算模块、电机驱动模块及力控制模块；
[0007]所述工业机器人与所述轴孔装配平台的底座固定在同一基准面上；所述夹持装置安装于所述工业机器人的手臂末端；所述装配工件固定在所述轴孔装配平台上，所述装配工件上设有所述装配孔；所述力觉传感器安装在所述手臂末端与所述夹持装置之间，用于实时测量所述装配轴与所述装配孔间接触力；
[0008]所述工业机器人通过示教及轨迹规划生成一系列运动轨迹点，以使所述夹持装置夹持所述装配轴运动至所述装配孔上方；
[0009]所述运动计算模块将所述运动轨迹点解析成对应时间点的关节空间下各关节角度，并传送至所述电机驱动模块；
[0010]所述电机驱动模块驱动所述工业机器人运动并带动所述夹持装置夹持所述装配轴运动至所述装配孔上方；
[0011]所述力控制模块根据所述接触力及所述装配轴的位置，控制所述工业机器人运动使所述装配轴与所述装配孔以设定好的接触力进行接触，将所述装配轴顺利插入至所述装配孔中。
[0012]优选地，所述力觉传感器为六维力觉传感器，能够检测笛卡尔坐标系下三个方向的力和绕三个方向的力矩。
[0013]优选地，所述工业机器人还包括示教模块和轨迹规划模块，所述示教模块控制所述工业机器人在笛卡尔空间和关节空间下进行点动，直至所述夹持装置夹持所述装配轴到达所述装配孔正上方，并记录关键的示教点；所述轨迹规划模块将所述示教点解析成平滑的样条曲线，再将所述样条曲线按照时间点离散化成运动轨迹点。
[0014]优选地，所述电机驱动模块包括位置环、速度环和电流环，所述位置环输入包括关节空间下所述工业机器人各关节转动角度和伺服系统反馈的位置；所述速度环输入包括所述位置环计算出的关节转动速度、伺服系统反馈的转动速度和力控制计算出的速度补偿值；所述电流环输入包括速度环计算出的电流值和伺服系统反馈的电流值。
[0015]优选地,所述力控制模块包括接触单元、搜孔单元及插入单元；
[0016]所述接触单元用于将所述接触力与设定好的接触力做差得出力补偿值，并将所述力补偿值转化为速度补偿值，并将所述速度补偿值加载到所述速度环输入上，实现所述接触力的反馈控制；
[0017]所述搜孔单元用于控制所述装配轴沿X方向和Y方向做搜孔运动的位置及控制Z方向的接触力及位置，再由所述力觉传感器检测所述装配轴与所述装配工件Z方向的接触力判断是否找到正确的装配孔；
[0018]插入单元通过所述力觉传感器检测所述装配轴与所述装配工件间产生的XYZ的力矩值判断姿态的偏差并作出相应的姿态补偿，并控制所述装配轴的Z向接触力和位置，以检测所述装配轴的落底状态。
[0019]另外，本发明还提供了一种轴孔装配工业机器人的工作方法，包括下述步骤:
[0020]步骤A:所述工业机器人通过示教及轨迹规划生成一系列运动轨迹点，以使所述夹持装置夹持所述装配轴运动至所述装配孔上方；
[0021]步骤B:所述运动计算模块将所述运动轨迹点解析成对应时间点的关节空间下各关节角度，并传送至所述电机驱动模块；
[0022]步骤C:所述电机驱动模块驱动所述工业机器人运动并带动所述夹持装置夹持所述装配轴运动至所述装配孔上方；
[0023]步骤D:所述力控制模块根据所述接触力及所述装配轴的位置，控制所述工业机器人运动使所述装配轴与所述装配孔以设定好的接触力进行接触，将所述装配轴顺利插入至所述装配孔中。
[0024]优选地，所述工业机器人还包括示教模块和轨迹规划模块，所述示教模块控制所述工业机器人在笛卡尔空间和关节空间下进行点动，直至所述夹持装置夹持所述装配轴到达所述装配孔正上方，并记录关键的示教点；所述轨迹规划模块将所述示教点解析成平滑的样条曲线，再将所述样条曲线按照时间点离散化成运动轨迹点。
[0025]优选地，所述电机驱动模块包括位置环、速度环和电流环，所述位置环输入包括关节空间下所述工业机器人各关节转动角度和伺服系统反馈的位置；所述速度环输入包括所述位置环计算出的关节转动速度、伺服系统反馈的转动速度和力控制计算出的速度补偿值；所述电流环输入包括速度环计算出的电流值和伺服系统反馈的电流值。
[0026]优选地，步骤D包括下述步骤:
[0027]所述力控制模块将所述接触力与设定好的接触力做差得出力补偿值，并将所述力补偿值转化为速度补偿值，并将所述速度补偿值加载到所述速度环输入上，实现所述接触力的反馈控制；
[0028]所述力控制模块控制所述装配轴沿X方向和Y方向做搜孔运动的位置及控制Z方向的接触力及位置，再由所述力觉传感器检测所述装配轴与所述装配工件Z方向的接触力判断是否找到正确的装配孔；
[0029]所述力控制模块通过所述力觉传感器检测所述装配轴与所述装配工件间产生的XYZ的力矩值判断姿态的偏差并作出相应的姿态补偿，并控制所述装配轴的Z向接触力和位置，以检测所述装配轴的落底状态。
[0030]采用上述技术方案，本发明的有益效果在于，
[0031]本发明上述实施例提供的轴孔装配工业机器人系统及其工作方法，所述工业机器人通过示教及轨迹规划生成一系列运动轨迹点，以使所述夹持装置夹持所述装配轴运动至所述装配孔上方；所述运动计算模块将所述运动轨迹点解析成对应时间点的关节空间下各关节角度，并传送至所述电机驱动模块；所述电机驱动模块驱动所述工业机器人运动并带动所述夹持装置夹持所述装配轴运动至所述装配孔上方；所述力控制模块根据所述接触力及所述装配轴的位置，控制所述工业机器人运动使所述装配轴与所述装配孔以设定好的接触力进行接触，将所述装配轴顺利插入至所述装配孔中。本发明提供的轴孔装配工业机器人系统能够对接触力大小进行精确的控制，针对轴孔间距小、精度要求高、对轴孔接触力有严格要求的装配作业有明显的优势，避免了因仅位置控制模式下由于位置控制精度和接触力不可控性造成的装配作业失败甚至对装配工件的损坏，解决了某些高精度装配作业下依靠人工装配的低效率低质量等问题，扩大了装配工业机器人的应用领域。
[0032]另外，本发明采用上述的轴孔装配工业机器人系统，将力控制融入装配作业中，弥补了传统位置控制在高质量高精度装配作业中的不足。采用位置与接触力同时控制的模式，通过将力觉传感器反馈与接触力设定值的差值转化为速度补偿值，并将该速度补偿值加到速度环的输入，实现了不破坏位置闭环的同时对接触力的闭环控制，装配精度高。
【附图说明】
[0033]图1为本发明提供的轴孔装配工业机器人系统的结构示意图；
[0034]图2为图1所示的工业机器人的功能示意图；
[0035]图3为电机驱动模块的功能示意图；
[0036]图4为力控制模块的功能示意图；<