專利名稱：一種用于自動裝配的具有受控靈活性和仿真力的工業(yè)機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于自動裝配的方法和裝置，該自動裝配采用具有受控靈活性和系統(tǒng)固有仿真力的工業(yè)機器人以簡化機器裝配過程。
背景技術(shù)：
在最近40年，工業(yè)機器人已在制造自動化中得到了多種應(yīng)用。已滯后于期望的機器人自動化的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域是機械裝配和材料去除過程。機器人裝配比人工裝配有很多優(yōu)點，因為手工勞動是枯燥、勞累，且可引起重復(fù)運動壓力損傷以及因工人在裝配中操縱重物引起的損傷。這些對人的影響導(dǎo)致維持質(zhì)量、效率、工作滿意度和健康的問題。在機器人可執(zhí)行工作的那些應(yīng)用中，這些考慮可使自動化非常吸引人。
當(dāng)前的工業(yè)機器人是快速、精確和可靠的。但是，在配合部件之間的相對位置極重要的裝配應(yīng)用中，機器人自身的定位準(zhǔn)確度不是那么有關(guān)，因為部件的相對位置比其絕對位置重要。在那些應(yīng)用中，機器人不得不寬容并適應(yīng)裝配容限而不是位置不確定度。裝配之前良好的絕對位置可能有助于在裝配期間減小搜索范圍，因為位置控制用來到達用于裝配的起始點。在將要配合的部件達到接觸之前給出相對位置的視覺系統(tǒng)可幫助減小無目標(biāo)的搜索。
現(xiàn)有技術(shù)裝置可概括地分成兩種類型被動裝置和主動裝置。這樣的被動設(shè)備中的一種類型，即，在美國專利No.4,720,923、美國專利No.4,627,169和美國專利No.4,537,557中說明的遠程中心依從設(shè)備，對產(chǎn)生將它們設(shè)計用于的特定部件的裝配非常有效。但是，這些被動設(shè)備缺乏通用性，不能不借助另一部分特定設(shè)備覆蓋一大類裝配任務(wù)，且不主動地相對于彼此定位并旋轉(zhuǎn)配合部件，這導(dǎo)致較長的裝配時間、對機器人較高準(zhǔn)確度的需求和機器人故障的較高風(fēng)險。
另一方面，在主動裝置的情況下，例如配備有力傳感器的工業(yè)機器人，互作用力被測量、反饋到控制器并用于修改、或甚至在線生成機器人端執(zhí)行器的所需軌跡。亦眾所周知的是，與機器人模型組合的電機扭矩可用于確定端執(zhí)行器的所需軌跡。使用電機扭矩和機器人模型得到的準(zhǔn)確度不如使用力傳感器得到的準(zhǔn)確度好。
雖然具有主動力控制的機器人具有多樣性和可針對不同應(yīng)用編程的優(yōu)點，但其需要更先進的控制系統(tǒng)以及適合的編程以規(guī)定機器人必須怎樣與外部約束交互。過去的和現(xiàn)在的研究集中在研究和實施控制策略以使機器人當(dāng)與環(huán)境交互的同時能建立穩(wěn)定和柔和的接觸。現(xiàn)在，不存在用以開發(fā)力控制能力的高級編程語言或簡單編程概念。
將力反饋引入工業(yè)機器人僅使機器人能響應(yīng)于環(huán)境力，其決不命令機器人應(yīng)如何向部件配合移動。換言之，成功的力反饋控制只獨自試圖避免高接觸力或分離趨勢，且缺乏根據(jù)其幾何外形將部件綁定在一起的機制。例如在傳動裝置的裝配中，盡管使能力控制的依從機器人將保證不發(fā)生阻塞/磨損，但它不會使機器人正確對準(zhǔn)配合工件。如果在配合部件不確定度高且可能的部件接觸狀況的組合很多的情形下決不是不可能實施、且在數(shù)學(xué)上不可能處理，則基于互作用力修改機器人位置的傳統(tǒng)思想是麻煩和困難的。
因此期望的是，提供一種方法和裝置，用于基于簡單和有效的力控制的裝配策略以便成功地進行部件配合。還期望的是，提供一種裝配策略和編程概念，其可容易地建立在現(xiàn)有位置受控機器人上以執(zhí)行復(fù)雜的裝配任務(wù)。進一步期望的是，該裝配策略和編程概念應(yīng)當(dāng)可應(yīng)用于多種控制策略，包括但不限于基于準(zhǔn)許控制的力控制策略。

發(fā)明內(nèi)容
工業(yè)機器人具有但不限于機器人控制器、用于保持將要與保持在機器人控制器不精確知道的位置和取向的第二工件配合的第一工件的端執(zhí)行器、以及預(yù)定數(shù)目的接合關(guān)節(jié)，每一關(guān)節(jié)具有其自己的致動設(shè)備和運動測量設(shè)備。
機器人控制器響應(yīng)于來自機器人的力測量，用于將至少一個力矢量疊加在力測量上，該力矢量使端執(zhí)行器承受一個力，該力使端執(zhí)行器將第一工件向其中保持第二工件的平面移動。
一種用于操作工業(yè)機器人的方法，該工業(yè)機器人具有機器人控制器、用于保持將要與保持在機器人控制器不精確知道的位置和取向的第二工件配合的第一工件的端執(zhí)行器、以及預(yù)定數(shù)目的接合關(guān)節(jié)，每一關(guān)節(jié)具有其自己的致動設(shè)備和運動測量設(shè)備。該方法包括但不限于將至少一個力矢量疊加在來自機器人的力測量上，該力矢量使端執(zhí)行器承受一個力，該力使端執(zhí)行器將第一工件向其中保持第二工件的平面移動。


圖1示出了用于本發(fā)明的機器人系統(tǒng)的優(yōu)選實施例。
圖2示出了可用于本發(fā)明的典型程序語法。
圖3示出了有關(guān)用于汽車組件裝配的機器人位置的互作用力的一個例子。
圖4示出了用于本發(fā)明的另一實施例。
具體實施例方式
圖1圖示了可容易地針對裝配任務(wù)編程的機器人系統(tǒng)的優(yōu)選實施例。
圖1所示為與實施本發(fā)明的方法的計算機控制器12對接的經(jīng)接合的工業(yè)機器人10。計算機控制器12包括關(guān)節(jié)速度控制器12a、準(zhǔn)許控制12b以及用于機器人10的每一接合關(guān)節(jié)10a的機械致動設(shè)備或驅(qū)動12c和運動測量12d。圖1中未示出的是為控制器12的一部分的處理器。
在典型的工業(yè)機器人中，有4至7個接合關(guān)節(jié)，且當(dāng)被同步控制時，機器人10的端執(zhí)行器15可在三維任務(wù)空間中移動并遵循預(yù)設(shè)計的軌跡。如上所述，每一關(guān)節(jié)將具有其自己的機械致動設(shè)備或驅(qū)動12c和測量設(shè)備12d，驅(qū)動12c典型地是伺服電機，測量設(shè)備12d典型地是測量關(guān)節(jié)角的分解器或編碼器?？刂?2b所提供的準(zhǔn)許功能響應(yīng)于施加到端執(zhí)行器的環(huán)境力而被限定為機器人端執(zhí)行器15的速度，并且用于分析和綜合力反饋控制以實現(xiàn)穩(wěn)定性和敏捷性。因此，準(zhǔn)許功能限定輸入到關(guān)節(jié)速度控制器12a的基準(zhǔn)速度如何受測得的力變化影響的動力學(xué)。
在傳統(tǒng)工業(yè)機器人中，計算機控制器從每一關(guān)節(jié)位置測量得到輸入，并驅(qū)動伺服電機，使得端執(zhí)行器可準(zhǔn)確定位于任務(wù)空間中。此裝置及其控制方法對于其中例如在著色和電弧焊應(yīng)用中機器人控制器知道工作對象位置并且機器人與工作對象之間的接觸最小的任務(wù)是足夠的。
對于如圖1所示的簡單應(yīng)用，其中由機器人10保持的銷14必須插入孔16，其位置和取向不為機器人控制器12精確知道，阻塞、磨損和不理想的長完成時間對于執(zhí)行該任務(wù)的傳統(tǒng)機器人是最常見問題。
把接觸力測量引入機器人控制器12是處理問題的很自然的第一步，如DE專利No.3439495中所指出。但是，這樣做會在以下方面根本改變工業(yè)機器人首先，必須在反饋控制環(huán)中充分地處理接觸動力學(xué)，使得可實現(xiàn)所需的接觸行為(例如，穩(wěn)定的和柔和的)。在傳統(tǒng)的位置受控機器人中，穩(wěn)定的和柔和的接觸行為很大程度上被忽略并被看作干擾。此外，要配合的部件之間的互作用力不能超過最大值，因為超過該值增大了將由機器人裝配的產(chǎn)品將具有較短壽命、較低性能或使用時甚至可能損壞的風(fēng)險。
其次，僅有保證的柔和接觸不會導(dǎo)致成功的裝配。相反，正是如何命令機器人對例如插入汽車傳動配件中的花鍵軸的困難的接觸狀況起反應(yīng)指示了可多快地執(zhí)行任務(wù)。如前面所指出的，傳統(tǒng)的機器人位置編程概念難以適用于這些應(yīng)用。
為此，圖1所示的優(yōu)選實施例提供了處理上述問題的整體方法。
從安裝在機器人腕部的六軸力/扭矩傳感器20得到在圖1中由力測量18表示的輸入，由計算機控制器12中未示出的處理器生成的吸引力矢量26在優(yōu)選方向或取向上疊加到測得的力上。吸引力矢量26在規(guī)定在由處理器執(zhí)行的程序中。應(yīng)當(dāng)理解，力矢量26也可是排斥力矢量，因為其在配合部件的裝配期間可能是需要的，并且由無論吸引的還是排斥的該矢量提供的力都無須恒定。
吸引力矢量26施加在機器人上，使得其中安裝有諸如例如銷14的配合部件之一的機器人端執(zhí)行器15總是承受可能是恒定的力，即該矢量的絕對值。當(dāng)端執(zhí)行器15沒與其中定位有諸如例如孔16的配合部件中的另一個的板22建立接觸時，該吸引力將總是向該位置拖端執(zhí)行器15直到建立適當(dāng)?shù)慕佑|。
以如圖1所示的孔中銷裝配為例，如果板22放置于機器人端執(zhí)行器15下面，其中孔16的位置未知，且施加向下的吸引力(例如60N)，則這個向下的力在獲得60N接觸力之前將趨向于把銷14向下拖向板22。在這種情況下，沒有位置命令必須發(fā)送給機器人控制器12。換言之，機器人控制器12不必預(yù)先知道是否板22距銷14頂端100mm或200mm。吸引力矢量的其它用途將在后面說明。
一旦與板22建立接觸，就主要在準(zhǔn)許控制塊12b中處理接觸行為，在控制塊12b中，力/扭矩值轉(zhuǎn)換為速度命令值，并且參數(shù)針對穩(wěn)定的和柔和的接觸來設(shè)計。如圖1所示，到準(zhǔn)許控制塊12b的輸入是力測量18的輸出與吸引力矢量26之和。準(zhǔn)許控制塊12b的輸出是到關(guān)節(jié)速度控制器12a的一個輸入，關(guān)節(jié)速度控制器12a調(diào)節(jié)驅(qū)動12c使得最小化銷14與板22的接觸力。雖然準(zhǔn)許控制塊的此功能是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的并且在Wyatt S.Newman“Stability and Performance Limits of Interaction Controllers”ASMEJournal of Dynamic Systems and Control，1992中描述，其與吸引力矢量26相結(jié)合的使用直到本發(fā)明才知道。
假設(shè)銷14的頂端現(xiàn)在與板22的頂表面接觸，但是機器人控制器12不知道孔16的位置。如圖1所示，在與板表面平行的平面上的搜索速度模式24由控制器12中的處理器疊加在來自準(zhǔn)許控制塊12b的速度命令28上。這種情況下的搜索模式的一個例子可以是用以覆蓋孔的可能位置的在與板表面平行的平面上的圓周運動或螺旋運動。只要孔位置的不確定度在搜索模式的可能范圍內(nèi)，最終銷14將與孔16具有完美相配，這時，吸引力將再次自動向下拖機器人以插入孔16?？梢岳斫猓阉鞣秶鷳?yīng)選定為覆蓋孔16在板22上的位置的最大可能的不確定度。再次，機器人控制器12不必提供驅(qū)動機器人向下去的位置命令。雖然在這里描述的實施例中，搜索速度模式24在與板表面平行的平面上，應(yīng)當(dāng)理解，在其它應(yīng)用中，該模式可以以使工件的配合成為可能的至少兩個方向和取向。
在整個過程中，機器人計算機控制器12只必須提供1)經(jīng)設(shè)計的施加適當(dāng)?shù)奈蚺懦饬Γ?)包含部件不確定度的合適的搜索模式；以及3)知道任務(wù)何時完成的準(zhǔn)則。
圖2示出完成以上任務(wù)的典型程序語法。
圖3示出有關(guān)用于汽車組件裝配的機器人位置的互作用力的一個例子，該汽車組件具有鋸齒銷30，其必須插入隔間32，使得隔間32的四層鋸齒環(huán)34、36、38、40與銷30對準(zhǔn)。機器人保持鋸齒銷30。
為簡化表示，在圖3中只示出z方向的力和位置?？煽闯?，初始地，部件不接觸，且接觸力為零，這時機器人向下移動，一旦第一層環(huán)34接觸，機器人就停止向下移動，并進行搜索運動同時將接觸力保持在預(yù)定量值附近。一旦環(huán)34與鋸齒銷30配合，機器人就繼續(xù)向第二層環(huán)36移動，等等，直到所有分層的環(huán)34、36、38、40與銷30配合。當(dāng)該配合發(fā)生時，機器人縮回且接觸力減小到零。
顯然，根據(jù)上述教導(dǎo)，本發(fā)明可以做很多修改和變化。所以，應(yīng)當(dāng)理解在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，本發(fā)明可以實踐為與具體說明的不同。
圖4示出遵循上述原理的一些不同的變化。例如，替代使用結(jié)合圖1所述的6-DOF力/扭矩傳感器，互作用力可以通過力估計器50根據(jù)電機扭矩估計，力估計器50與抖動生成器52耦合以減小摩擦效應(yīng)。可替換地，準(zhǔn)許控制器可用控制濾波器54代替；或“風(fēng)速生成器”56可用于與速度控制器12a級聯(lián)以適合于其它應(yīng)用。準(zhǔn)許控制功能實際上是響應(yīng)于測得的力信號動態(tài)地生成速度的濾波器。
這樣的濾波器的一個例子是ks/(s2+as+b)，其中s是求導(dǎo)算符，且為了給予濾波器更好的低頻特性，可使用ks/(s+c)(s2+as+b)或k(s+d)/(s+c)(s2+as+b)。當(dāng)然可采用精細得多的濾波器以優(yōu)化作為互作用力的結(jié)果的速度響應(yīng)動力學(xué)。為了進一步優(yōu)化裝配結(jié)果，吸引/排斥力矢量可能需要準(zhǔn)許控制的另一調(diào)諧而非測得的力信號，并且隨后分離的準(zhǔn)許控制濾波器或特殊濾波器可用于吸引/排斥力矢量(見圖4)。完全不利用用于吸引/排斥的濾波器，裝配過程實際上可被速度信號拖/推，在圖4中稱為“風(fēng)速”，即使這不給予與使用吸引/排斥力相同的高裝配性能。
本發(fā)明也可用于其它應(yīng)用，其中用于控制目的的過程力不能忽略，這樣的應(yīng)用的列表包括但不限于1.替代控制具有力反饋的經(jīng)接合的機器人的所有自由度，可制成只有1個或2個自由度的主動依從夾子，用于拾起和放置重物或輕物，以拆解汽車工業(yè)中的組件。因此，替代6-DOF力/扭矩傳感器，還可使用1到5個DOF的傳感器。
2.在其中質(zhì)量由機床和工件之間的接觸力指示的精確研磨和拋光中。
3.在機器人摩擦挪動焊接中，其中穿透力和移動速度必須協(xié)調(diào)好。
4.其中機器人是依從的，可以讓機器人自動搜索并識別工件上的拐角、孔、表面等，以促使機器人編程。具有可接受的機器人準(zhǔn)確度，這樣的系統(tǒng)也可用于自主測量。此外，即使當(dāng)工作臺上的部件在傳送帶上移動時，本發(fā)明也允許配合部件。
雖然結(jié)合其中第二工件在板22上的圖1和4說明了本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)理解，第二工件可例如由工業(yè)機器人保持在任何取向上。
應(yīng)當(dāng)理解，上述優(yōu)選實施例的描述意圖只是說明性的，并非窮舉本發(fā)明。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠?qū)λ_的主題的實施例進行某些增加、刪除、和/或修改而不背離如所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種工業(yè)機器人，包括機器人控制器，端執(zhí)行器，用于保持第一工件，該第一工件將與保持在所述機器人控制器不精確知道的位置和取向的第二工件配合，預(yù)定數(shù)目的接合關(guān)節(jié)，每一關(guān)節(jié)具有其自己的致動設(shè)備和運動測量設(shè)備，所述機器人控制器響應(yīng)于來自所述機器人的力測量，用于將至少一個力矢量疊加在所述力測量上，該力矢量使所述端執(zhí)行器承受一個力，該力引起所述端執(zhí)行器將所述第一工件向其中保持所述第二工件的所述位置和取向移動。
2.權(quán)利要求1的工業(yè)機器人，其中所述機器人控制器進一步包括用于提供速度命令以便驅(qū)動所述致動設(shè)備中的每個以最小化所述第一和第二工件的接觸的力的裝置。
3.權(quán)利要求2的工業(yè)機器人，其中所述機器人具有用于驅(qū)動所述預(yù)定數(shù)目的致動設(shè)備中的每個的信號，并且當(dāng)所述端執(zhí)行器與其中保持所述第二工件的所述位置和取向發(fā)生接觸時，所述機器人控制器在至少兩個方向和取向上將搜索速度模式疊加在所述驅(qū)動信號上，該搜索速度模式使所述工件的配合成為可能，以引起所述端執(zhí)行器將所述第一工件與所述第二工件接觸。
4.權(quán)利要求3的工業(yè)機器人，其中在所述第一工件與第二工件第一次達到接觸之后，所述疊加的搜索速度模式繼續(xù)，直到所述第一工件與第二工件配合。
5.權(quán)利要求1的工業(yè)機器人，其中當(dāng)所述第一工件與第二工件達到接觸時，繼續(xù)所述力矢量以幫助配合工件。
6.權(quán)利要求2的工業(yè)機器人，其中用于提供所述速度命令的所述裝置是準(zhǔn)許控制器。
7.權(quán)利要求2的工業(yè)機器人，其中在用于提供所述速度命令的所述裝置被致動之前，所述機器人控制器使用位置控制將所述第一工件運送到起始點，以便與所述第二工件裝配在一起。
8.權(quán)利要求7的工業(yè)機器人，其中在致動用于提供所述速度命令的所述裝置之后，在所述機器人控制器中，禁止所述位置控制，且僅使能所述速度命令。
9.權(quán)利要求6的工業(yè)機器人，其中所述準(zhǔn)許控制器響應(yīng)于所述力測量提供所述速度命令。
10.權(quán)利要求2的工業(yè)機器人，其中用于提供所述速度命令的所述裝置是響應(yīng)于所述力矢量的控制濾波器。
11.權(quán)利要求9的工業(yè)機器人，進一步包括安裝在所述機器人上的力/扭矩傳感器，所述傳感器提供所述力測量。
12.權(quán)利要求9的工業(yè)機器人，進一步包括用于估計所述力測量的裝置。
13.權(quán)利要求12的工業(yè)機器人，其中用于估計所述力測量的所述裝置包括力估計器，并且所述工業(yè)機器人進一步包括抖動生成器，其連接到用于所述預(yù)定數(shù)目接合關(guān)節(jié)的每個的所述致動設(shè)備。
14.一種用于操作工業(yè)機器人的方法，該工業(yè)機器人具有機器人控制器、用于保持將要與保持在所述機器人控制器不精確知道的位置和取向的第二工件配合的第一工件的端執(zhí)行器、以及預(yù)定數(shù)目的接合關(guān)節(jié)，每一關(guān)節(jié)具有其自己的致動設(shè)備和運動測量設(shè)備，所述方法包括將至少一個力矢量疊加在來自所述機器人的力測量上，該力矢量使所述端執(zhí)行器承受一個力，該力引起所述端執(zhí)行器將所述第一工件向其中保持所述第二工件的所述位置和取向移動。
15.權(quán)利要求14的方法，進一步包括從所述機器人控制器提供速度命令，用于驅(qū)動所述致動設(shè)備中的每個以最小化所述第一工件和第二工件的接觸的力。
16.權(quán)利要求14的方法，進一步包括提供用于驅(qū)動所述預(yù)定數(shù)目的致動設(shè)備的每個的信號，并且當(dāng)所述端執(zhí)行器與其中保持所述第二工件的所述位置和取向發(fā)生接觸時，在至少兩個方向和取向上將搜索速度模式疊加在所述驅(qū)動信號上，該搜索速度模式使所述工件的配合成為可能，以引起所述端執(zhí)行器將所述第一工件與所述第二工件接觸。
17.權(quán)利要求16的方法，其中在所述第一工件與第二工件第一次接觸之后，所述疊加的搜索速度模式繼續(xù)，直到所述第一工件與第二工件配合。
18.權(quán)利要求14的方法，其中當(dāng)所述第一工件與第二工件達到接觸時，繼續(xù)所述力矢量以幫助配合工件。
19.權(quán)利要求14的方法，進一步包括先于疊加所述至少一個力矢量，使用位置控制將所述第一工件運送到起始點。
20.權(quán)利要求15的方法，進一步包括在提供所述速度命令之前，使用位置控制將所述第一工件運送到起始點，以便與所述第二工件裝配在一起。
21.權(quán)利要求20的方法，其中在提供所述速度命令之后，禁止所述位置控制。
全文摘要
一種工業(yè)機器人，其使用仿真力矢量以允許由該機器人和執(zhí)行器保持的工件與該機器人不精確知道其位置和取向的工件配合。當(dāng)該端執(zhí)行器與其中保持另一工件的位置和取向發(fā)生接觸時，該機器人提供速度命令以最小化接觸力并且還在所有方向和取向上提供搜索模式以引起該端執(zhí)行器將它所保持的工件與另一工件接觸。繼續(xù)該搜索模式和該速度命令直到這兩個工件配合。
文檔編號B25J9/16GK1886237SQ200480034675
公開日2006年12月27日 申請日期2004年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月24日
發(fā)明者張暉, 汪建軍, 托里尼·布羅加德, 甘中學(xué) 申請人:Abb研究有限公司, Abb自動化技術(shù)機器人技術(shù)公司