一种针对装配中轴孔姿态对准的变速十字搜索方法

本发明属于装配机器人，具体涉及一种针对装配中轴孔姿态对准的变速十字搜索方法。

背景技术：

1、在工业生产中，机器人常被用于装配任务，例如电路板装配、汽车生产、高压线路维护和插头装配。这些任务等价于轴孔装配。在实际应用中，存在对轴和孔位姿的测量精度不够高、机器人运动精度不够高等限制。此时，在小间隙轴孔装配中，机器人无法用直接运动到期望位姿的方式完成轴孔装配。

2、通过视觉测定孔位姿，可在轴孔间隙较大时直接移动轴装入孔。想通过提升设备精度来实现小间隙装配，实现难度和代价很大。在视觉基础上，设计搜索轨迹并结合力信息，可以在不提高相机与机器人精度的前提下，实现小间隙装配。现有搜索方法主要分为平面搜索和空间搜索两类方法。

3、平面搜索法通过遍历孔周边区域，并通过力信息修正搜索方向，此时轴可以落入孔中。但为实现遍历，轴需要沿密集的螺旋搜索轨迹运动。轴孔间隙越小，所需的螺旋轨迹密集程度越高，这使装配过程过于缓慢，耗费大量时间。当轴孔间隙小于机器人运动精度和姿态存在明显偏差时，此类方法几乎无法完成装配。

4、后续发展出的空间搜索法可提高搜索速度并实现小间隙轴孔装配和姿态对准。通过轴倾斜，使轴的端面相对于孔端面有一个明显的最低点。这样轴孔间的不同的位姿偏差会产生明显不同的接触力力矩，然而，实际应用中，孔的位姿往往不能精确测得，影响装配精度及装配周期。

5、综上，现有方法本质上使用被动柔顺实现轴与孔在姿态上的对准，部分文献在柔顺基础上使用主动摆动可使轴摆脱卡阻状态，提高装配成功率。由于受摩擦力等干扰，以及通过力矩信息只能判断轴与孔是否发生卡阻，不能估计轴孔间姿态偏离的大小。由于不能主动估计孔的姿态，轴真正实现与孔的对准是在接近装配完成时。这会增加卡阻的时间，从而增加装配时间与平均接触力矩。在深度较深的孔与轴的装配中，姿态的偏差会造成卡阻与轴孔间接触力矩。这会延长装配时间，增加轴孔的磨损。而轴孔装配中，装配时间与接触力矩是衡量算法性能的关键指标。

技术实现思路

1、本发明为克服现有技术，提出一种针对装配中轴孔姿态对准的变速十字搜索方法，以解决现有方法不能快速准确估计出孔的姿态，进而延长了卡阻时间和装配时间，加重平均接触力矩的问题。

2、一种针对装配中轴孔姿态对准的变速十字搜索方法包含以下步骤

3、s1、建立孔坐标系的三个坐标轴为x，y和z，对孔的姿态进行初步搜索，搜索方向分别为x和y向，驱动轴沿x和y旋转搜索，在初步估计出孔的姿态角后，将轴在当前搜索方向的姿态角固定为所述估计出的孔的姿态角，同时记录搜索过程中轴的正负向数据：角度、力矩和权重；

4、s2、估计孔的姿态角，并用正负向数据分别估计轴孔正向间隙和轴孔负向间隙；

5、s3、卡阻时，估计在当前沿z向的装配深度下，轴沿正向和负向运动到力矩阈值的角度运动范围；

6、s4、构造变速搜索函数；

7、s5、按照所述搜索速度沿当前搜索方向进行搜索，同时记录数据，记录的数据与步骤s1中的相同；

8、s6、如果轴与孔卡阻，则重复步骤s2-s5，否则继续使轴插入孔直至装配完成。

9、本发明相比现有技术的有益效果是：

10、1、本申请方法可减小数据噪声的影响，根据数据主动估计孔的姿态；

11、2、本申请方法依据估计的姿态角与估计的轴孔间隙，设计了变速搜索函数，可提高姿态搜索的速度；

12、3、本申请方法在方形、圆形和三角形的轴孔装配中，将装配时间大幅缩短，平均接触力矩大幅减少。

13、下面结合附图和实施方式对本发明作进一步地说明。

技术特征：

1.一种针对装配中轴孔姿态对准的变速十字搜索方法，其特征在于：包含以下步骤：

2.根据权利要求1所述一种针对装配中轴孔姿态对准的变速十字搜索方法，其特征在于：步骤s2具体过程为：规定轴与孔的上表面接触时沿z向的位置为h0，沿正、负向产生接触后的位置分别为hh、hl；利用kh和kl计算轴与孔接触力达到阈值时的角度θh1和θl1；估计孔的姿态角θh，并用正负向数据分别估计轴孔正向间隙δh和轴孔负向间隙δl；

3.根据权利要求2所述一种针对装配中轴孔姿态对准的变速十字搜索方法，其特征在于：步骤s3具体过程为：卡阻时，估计当前深度下，轴沿正向和负向运动到力矩阈值的角度运动范围分别为δθh和δθl；

4.根据权利要求1所述一种针对装配中轴孔姿态对准的变速十字搜索方法，其特征在于：步骤s4的过程为：构造变速搜索函数，搜索速度v为：

5.根据权利要求3所述一种针对装配中轴孔姿态对准的变速十字搜索方法，其特征在于：步骤s3中轴孔间隙δ＝δh·δθ，δh表示轴孔装配深度，δθ表示轴相对孔可偏移角度。

6.根据权利要求1所述一种针对装配中轴孔姿态对准的变速十字搜索方法，其特征在于：步骤s1中使用导纳控制驱动轴沿x和y旋转搜索。

技术总结
一种针对装配中轴孔姿态对准的变速十字搜索方法，属于装配机器人技术领域，它包含以下步骤：建立孔坐标系，对孔的姿态进行初步搜索，在初步估计出孔的姿态角后，将轴在当前搜索方向的姿态角固定为所述估计出的孔的姿态角，同时记录搜索过程中轴的正负向数据；估计孔的姿态角，并用正负向数据分别估计轴孔正向间隙和轴孔负向间隙；卡阻时，估计在当前深度下轴沿正向和负向运动到力矩阈值的角度运动范围；构造变速搜索函数；按照搜索速度沿当前搜索方向进行搜索，同时记录数据；如果轴与孔卡阻，则重复步骤，否则继续使轴插入孔直至装配完成。本发明可使轴更快的对准孔，从而减少了装配时间，减小了平均接触力矩，克服了现有方法的局限性。

技术研发人员：金弘哲,葛明达,鞠枫嘉,刘玉斌,赵杰
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23