[發明專利]一種基于撓度分析的機器人非剛體裝配方法

有效

• 申請號: 202010985581.4
• 申請日: 2020-09-18
• 公開（公告）號: CN112247898B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 胥芳;沈一豐;陳教料;張立彬
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: B25B27/00
• 分類號: B25B27/00;B25J19/00
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

1.一種基于撓度分析的機器人非剛體裝配方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

步驟1：軸孔裝配分為三個狀態：單點接觸狀態、兩點接觸狀態以及平面接觸狀態，針對不同接觸狀態采集力覺數據，分析不同狀態的力覺數據特征并結合機器學習算法和靜力學特征建立非剛體裝配接觸狀體態識別模型；

步驟2：針對不同的接觸狀態設計基于撓度分析建立非剛體接觸力覺模型，

單點接觸狀態和兩點接觸狀態：

l_g＝cosθW_g (2)

l_v＝-sinθ(cosθ_er+W_e-r)+cosθsinθ_er (3)

l_h＝cosθ(cosθ_er+W_e-r)+sinθsinθ_er (4)

object＝|M_x+G(0.5sinθl-l_g)+F_f(cosθl+sinθr-l_v+δ₁)-F_n(sinθl-cosθr+l_h+δ₂)| (6)

G＝max(|tanθ_e-θ_e|-σ₁,0)+max(θ_e-θ,0)+max(|l_h|-σ₂,0) (7)

fitness(i)＝object+(C×i)^γG (8)

式中：M_x為軸所受力矩，G為軸所受重力，F_f為軸所受摩擦力，F_n為軸所受支持力，l為軸的長度，r為軸的半徑，θ為軸相對于垂線的偏角，l_g為軸重心相對于夾持端的橫向偏移量，l_v為軸接觸點相對于夾持端的縱向偏移量，l_h為軸接觸點相對于夾持端的橫向偏移量，δ₁，δ₂為接觸點局部形變量，W_g為軸中點的撓度，W_e為軸自由端撓度，θ_e為軸自由端端面轉角，G₁，G₂，G₃均為單點接觸狀態約束條件，σ₁，σ₂為約束常量

object為該模型的目標函數，G為該模型的約束函數，fitness為適應性函數，C，γ均為動態懲罰函數的懲罰常數，i為優化算法的迭代次數，約束函數能夠將變量限定在可行域內，動態懲罰函數能對整個可行域進行充分的搜索，從而在可行域內找到最優值；

結合公式(1)-(8)和參數優化算法，預測得到軸相對于垂線的偏角θ，為后續裝配提供糾偏參數；

平面接觸狀態：

M_z＝F₁(y₁+ε_y)-F₂(x₁+ε_x) (11)

fitness(i)＝|M_z-F₁(y₁+ε_y)+F₂(x₁+ε_x)| (12)

式中：x₁，y₁為軸端面與孔平面接觸部分的形心位置，F₁，F₂，F_n為軸在形心位置所受的各個方向的力，M_x，M_y，M_z分別為軸所受繞x,y,z軸的力矩，ε_x，ε_y為因軸發生彈性形變而造成的形心補償量，d_x，d_y，α分別為軸端面中心和孔中心的相對距離和相對偏角，結合公式(9)-(12)和參數優化算法，預測形心補償量，即ε_x，ε_y，結合公式(13)-(15)以及ε_x，ε_y的預測值計算得到軸端面中心和孔中心的相對距離，即偏距d_x，d_y，為后續裝配提供糾偏參數；

步驟3：機器人夾持非剛體零件后開始執行裝配任務向下運動，待軸孔接觸并達到縱向力F_z的閾值，迅速上抬使軸孔分離，同時等待下一步指令；

步驟4：將軸孔接觸過程中采集到的力覺數據傳輸到PC端，由PC端調用相應軟件和接觸狀態識別模型，根據數據特征判斷處于何種接觸狀態；

步驟5：根據不同的接觸狀態調用相應的接觸力覺模型，若零件處于單點接觸和兩點接觸階段，由接觸力覺模型公式(1)-(5)以及優化算法預測得到軸與垂線的夾角θ，若零件處于平面接觸階段，由接觸力覺模型公式(13)-(15)以及優化算法預測得到軸端面中心和孔中心之間的相對距離，即偏移量d_x，d_y；

步驟6：根據預測結果進行機器人逆運動學分析，調用不同的機器人糾偏程序，以達到調整軸的姿態和位置的目的，調整完軸的姿態和位置后，重新進行裝配動作；

步驟7：判斷是否滿足裝配條件，滿足裝配條件后則繼續運行至裝配結束，反之執行步驟4。