基于机器人的拼接式电源机箱的装配装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于机器人的拼接式电源机箱的装配装置及方法，属于工业机器人装配技术领域。

背景技术

拼接式电源是一种由多个模块单元拼装而成的电源供应器，可为微处理器、小型控制器、数据存储单元以及轻型负载供电。由于拼接式结构具有可更换、易维护、散热好、体积小等优点，其被普遍应用于远程通信设施、ATM设备等领域以及汽车电子、3C、航空航天行业等。

拼接式电源通过印制板上的电连接器良好插装实现可靠的电气连接，由于电连接器针孔数量多并呈现明显的弱刚性特征，依靠工业机器人等自动化装配实现难度大，目前多采用人工装配的方式，但人工装配又普遍存在装配效率低，且由于缺乏必要的检测过程，装配成功率也往往不高，同时，电连接器等弱刚性对象插装对人手施力力度及方位都有较高要求，稍有不慎则就会对零部件造成不可逆的损伤。

针对汽车电子、3C、航空航天等高新技术密集型行业，也迫切需要以机器取代人工，提升装备制造的智能化水平，因此，本发明提出了一种基于机器人的拼接式电源机箱的装配装置及方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于机器人的拼接式电源机箱的装配装置及方法，能够满足拼接式电源的装配要求，提高拼接式电源的装配效率，提升装备制造的智能化水平。

本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：

第一方面，本发明实施例提供的一种基于机器人的拼接式电源机箱的装配装置，包括工业机器人、多功能治具，检测台、装配台、金属底座、翻面支架、夹爪、工业相机、六维力传感器、缓冲工装、指示灯、移动轮、装配托架、气缸、气缸支架、固定工装和计算机；

所述工业机器人的末端法兰固定有六维力传感器，所述装配台安装在金属底座上，所述工业机器人安装在金属底座一端，所述翻面支架的下端固定在工业机器人旁边的金属底座上，上端与多功能治具连接，所述多功能治具通过法兰与六维力传感器连接；所述夹爪和工业相机安装在所述多功能治具上且彼此方向呈90度夹角，所述夹爪上还安装有缓冲工装；所述检测台的工作台上安装有指示灯，所述检测台的下端安装有移动轮；所述装配托架和气缸支架安装于装配台上，所述气缸支架上端安装有气缸，所述气缸的活塞杆通过金属连杆与固定工装连接，用于固定电源机箱装配完成的部分，所述装配托架用于放置装配中的拼接式电源机箱；

所述计算机通过以太网线与所述工业机器人、工业相机和六维力传感器连接，用于进行数据交互。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述工业机器人包括型号为 KR10 R1100-2的库卡工业机器人；所述工业相机包括型号为CAM-CIC-10MR-10-GC的康耐视工业相机；所述六维力传感器包括型号为HPS-FT060S的海伯森六维力传感器。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述拼接式电源机箱由多个模块组成，每个模块两侧分别安装有插针侧电连接器和插孔侧电连接器。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述检测台上设置有6个指示灯，工业机器人引导工业相机对预先放置于检测台的多达6个待安装模块进行形位尺寸及缺陷检测，检测每个待安装模块的电连接器上所有插孔和插针的位置，是否存在插针缺失及插孔堵塞，如果合格，则相应位置指示灯亮绿灯，否则亮红灯。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述待安装模块两侧都需要检测，工业机器人引导工业相机对全部待安装模块的一面检测完成后，工业机器人通过夹爪依次抓取待安装模块至翻面支架，工业机器人调整姿态后重新抓取模块，并以不同面朝上重新放置于检测台的相同位置，并继续完成对待安装模块另一面的检测。

第二方面，本发明实施例提供的一种基于机器人的拼接式电源机箱的装配方法，包括如下步骤：

系统初始化，工业机器人回初始位置，预先放置待安装模块于检测台相应位置；

工业机器人通过工业相机依次对待安装模块的电连接器部位进行拍照，并将采集到的图像送入计算机进行处理；

完成所有待安装模块的一面检测后，工业机器通过夹爪人将模块转移至翻面支架，工业机器人调整姿态重新抓取模块，并以另外一面朝上放置于检测台的对应位置，进行待检测模块的换面；工业机器人按此动作完成所有待安装模块的换面操作；

工业机器人对待安装模块的另一面进行拍照检测；

对对待安装模块进行拍照检测过程中，如果存在任一待安装模块检测不合格，则检测台对应位置指示灯亮红灯，工业机器人动作停止，等待人工更换掉不合格待安装模块，更换新的待安装模块并确认后，工业机器人继续进行检测，直至检测台上所有待安装模块检测合格，所有指示灯绿灯点亮；

工业机器人通过夹爪将待安装模块抓取至装配台的装配托架上，驱动气缸顶出固定模块，然后工业机器人将下一个待安装模块抓取至第一个待安装模块的上端，调整位姿后，开始第一个待安装模块和第二个待安装模块的装配，装配过程中由六维力传感器反馈三个维度上的力和力矩的实时数据至计算机，根据设定期望力

第一个待安装模块和第二个待安装模块插装完成后，工业机器人从检测台抓取第三个待安装模块至第二个待安装模块的上端，调整位姿后，开始第三个待安装模块和第二个待安装模块的装配，直至完成所有模块的装配，气缸缩回，完成拼接式电源机箱的装配。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述工业机器人通过工业相机依次对待安装模块的电连接器部位进行拍照，并将采集到的图像送入计算机进行处理，包括：

根据电连接器的尺寸以及工业相机采集的视野大小，通过水平移动工业机器人分别采集多帧插针的待拼接图像，确保每幅图像彼此都有重叠区域；

采用视觉标定板对工业相机像素当量进行标定，完成图像像素到实际尺寸单位的换算（即，将像素坐标下的尺寸换算成实际尺寸），从所拍摄的图像中得到电连接器的实际尺寸；

对拍摄到的原始图像进行滤波处理，消除噪声干扰；

采用Sobel微分算子对图像进行特征提取，然后采用图像拼接方法对相邻位置的图像重叠区域进行融合，得到高分辨率且完整的电连接器图像；

通过对电连接器插针插孔进行模板训练，进一步对拼接完成的图像进行插针插孔的匹配，识别出图像上的所有检测点；

对所有检测点的间距和缺陷进行检测，并与阈值对比，判断待安装模块是否合格。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述对拍摄到的原始图像进行滤波处理，消除噪声干扰，包括：

计算一幅图像中像素的中值：

（1）

式中，X1，X2，…，Xn为图像区域内的灰度值，Xi1、Xi2、…、Xin从小到大顺序进行排序的灰度值，且Xi1

用该中值替代区域中心像素点的灰度值，实现噪声消除。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述采用Sobel微分算子对图像进行特征提取，然后采用图像拼接方法对相邻位置的图像重叠区域进行融合，得到高分辨率且完整的电连接器图像；包括：

采用Sobel微分算子进行图像边缘提取：Sobel算子有0°和90°两个方向的卷积模板，水平方向梯度Gx与垂直方向梯度Gy计算公式如式（2）-（6）所示：

（2）

（3）

（4）

水平方向梯度 Gx 与垂直方向梯度 Gy的幅值和方向角为：

（5）

（6）

式中：Z为3×3的窗口像素矩阵，（x，y）为中心像素，

将计算得到的梯度幅值G与选取阈值比较，并进行二值化处理，即梯度幅值G大于等于阈值，则判断为边缘点，给予灰度值为0，否则为255；

获取到边缘图像后，再使用特征匹配实现电连接器多幅图像拼接，进而实现待安装模块的检测。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述由导纳控制算法计算工业机器人末端的位置修正值，包括：

将工业机器人末端和环境接触等效为质量-阻尼-弹簧二阶系统，单自由度系统表示为：

（7）

其中，

根据工业机器人各关节编码器反馈得到工业机器人当前位置

工业机器人末端执行器分别在 X、Y、Z 轴三个方向均设置为等效质量-阻尼-弹簧系统，进而实现工业机器人在三个维度上都能进行导纳控制。

本发明实施例的技术方案所产生的有益效果如下：

本发明实施例的技术方案的一种基于机器人的拼接式电源机箱的装配装置，包括工业机器人、多功能治具，检测台、装配台、金属底座、翻面支架、夹爪、工业相机、六维力传感器、缓冲工装、指示灯、移动轮、装配托架、气缸、气缸支架、固定工装和计算机；本发明实现多达6个模块的拼接式电源机箱的自动化组装，满足了拼接式电源的装配要求，提高了拼接式电源的装配效率，提升了装备制造的智能化水平。

本发明实施例的技术方案的一种基于机器人的拼接式电源机箱的装配方法，在装配前通过工业相机对待安装模块拍照，并经图像去噪、拼接处理，实现其形位尺寸及缺陷检测，判断模块是否合格；在装配中通过六维力传感器采集机器人末端和多功能治具间的应力变化，运用导纳控制方法，提高了装配成功率，避免了损坏待安装模块。本发明实现多达6个模块的拼接式电源机箱的自动化组装，相对传统手动装配，提高了装配效率与智能化水平。

附图说明

图1是根据一示例性实施例示出的一种基于机器人的拼接式电源机箱的装配装置结构示意图；

图2是图1所示的一种基于机器人的拼接式电源机箱的装配装置的另一角度视图；

图3是根据一示例性实施例示出的一种多功能治具结构示意图；

图4是根据一示例性实施例示出的一种检测台结构示意图；

图5是根据一示例性实施例示出的一种装配台结构示意图；

图6是根据一示例性实施例示出的一种拼接式电源结构示意图；

图7是根据一示例性实施例示出的一种基于机器人的拼接式电源机箱的装配方法流程图。

具体实施方式

为能更清楚地说明本发明方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。

如图1-图6所示，本发明实施例提供的一种基于机器人的拼接式电源机箱的装配装置，包括工业机器人1、多功能治具2，检测台3、装配台4、金属底座5、翻面支架6、夹爪7、工业相机8、六维力传感器9、缓冲工装10、指示灯11、移动轮12、装配托架13、气缸14、气缸支架15、固定工装16和计算机；

所述工业机器人1的末端法兰固定有六维力传感器9，所述装配台4安装在金属底座5上，所述工业机器人1安装在金属底座5一端，所述翻面支架6的下端固定在工业机器人1旁边的金属底座5上，上端与多功能治具2连接，所述多功能治具2通过法兰与六维力传感器9连接；所述夹爪7和工业相机8安装在所述多功能治具2上且彼此方向呈90度夹角，所述夹爪7上还安装有缓冲工装10；所述检测台3的工作台上安装有指示灯11，所述检测台3的下端安装有移动轮12；所述装配托架13和气缸支架15安装于装配台4上，所述气缸支架15上端安装有气缸14，所述气缸14的活塞杆通过金属连杆与固定工装16连接，用于固定电源机箱装配完成的部分，所述装配托架13用于放置装配中的拼接式电源机箱20；

所述计算机通过以太网线与所述工业机器人1、工业相机8和六维力传感器9连接，用于进行数据交互。

作为本实施例一种可能的实现方式，如图1-图3所示，所述工业机器人1包括型号为 KR10 R1100-2的库卡工业机器人，属于位置控制型；所述工业相机8包括型号为CAM-CIC-10MR-10-GC的康耐视工业相机；所述六维力传感器9包括型号为HPS-FT060S的海伯森六维力传感器。

作为本实施例一种可能的实现方式，如图6所示，所述拼接式电源机箱20由多个待安装模块19组成，每个待安装模块两侧分别安装有插针侧电连接器17和插孔侧电连接器18。多个待安装模块通过电连接器的插装实现稳定的电气连接。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述检测台3上设置有6个指示灯11，工业机器人1引导工业相机8对预先放置于检测台3的多达6个待安装模块19进行形位尺寸及缺陷检测，检测每个待安装模块19的电连接器上所有插孔和插针的位置，是否存在插针缺失及插孔堵塞，如果合格，则相应位置指示灯11亮绿灯，否则亮红灯。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述待安装模块两侧都需要检测，工业机器人1引导工业相机8对全部待安装模块19的一面检测完成后，工业机器人1通过夹爪7依次抓取待安装模块19至翻面支架6，工业机器人1调整姿态后重新抓取模块，并以不同面朝上重新放置于检测台3的相同位置，并继续完成对待安装模块另一面的检测。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述检测台上还设置有定位销，用于定位每个待安装模块。

如图7所示，本发明实施例提供的一种基于机器人的拼接式电源机箱的装配方法，包括如下步骤：

系统初始化，工业机器人回初始位置，预先放置待安装模块于检测台相应位置；

工业机器人通过工业相机依次对待安装模块的电连接器部位进行拍照，并将采集到的图像送入计算机进行处理；

完成所有待安装模块的一面检测后，工业机器通过夹爪人将模块转移至翻面支架，工业机器人调整姿态重新抓取模块，并以另外一面朝上放置于检测台的对应位置，进行待检测模块的换面；工业机器人按此动作完成所有待安装模块的换面操作；

工业机器人对待安装模块的另一面进行拍照检测；

对对待安装模块进行拍照检测过程中，如果存在任一待安装模块检测不合格，则检测台对应位置指示灯亮红灯，工业机器人动作停止，等待人工更换掉不合格待安装模块，更换新的待安装模块并确认后，工业机器人继续进行检测，直至检测台上所有待安装模块检测合格，所有指示灯绿灯点亮；

工业机器人通过夹爪将待安装模块抓取至装配台的装配托架上，驱动气缸顶出固定模块，然后工业机器人将下一个待安装模块抓取至第一个待安装模块的上端，调整位姿后，开始第一个待安装模块和第二个待安装模块的装配，装配过程中由六维力传感器反馈三个维度上的力和力矩的实时数据至计算机，根据设定期望力

第一个待安装模块和第二个待安装模块插装完成后，工业机器人从检测台抓取第三个待安装模块至第二个待安装模块的上端，调整位姿后，开始第三个待安装模块和第二个待安装模块的装配，直至完成所有模块的装配，气缸缩回，完成拼接式电源机箱的装配。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述工业机器人通过工业相机依次对待安装模块的电连接器部位进行拍照，并将采集到的图像送入计算机进行处理，包括：

根据电连接器的尺寸以及工业相机采集的视野大小，通过水平移动工业机器人分别采集多帧插针的待拼接图像，确保每幅图像彼此都有重叠区域；

采用视觉标定板对工业相机像素当量进行标定，完成图像像素到实际尺寸单位的换算（即，将像素坐标下的尺寸换算成实际尺寸），从所拍摄的图像中得到电连接器的实际尺寸；

对拍摄到的原始图像进行滤波处理，消除噪声干扰；

采用Sobel微分算子对图像进行特征提取，然后采用图像拼接方法对相邻位置的图像重叠区域进行融合，得到高分辨率且完整的电连接器图像；

通过对电连接器插针插孔进行模板训练，进一步对拼接完成的图像进行插针插孔的匹配，识别出图像上的所有检测点；

对所有检测点的间距和缺陷进行检测，并与阈值对比，判断待安装模块是否合格。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述对拍摄到的原始图像进行滤波处理，消除噪声干扰，包括：

计算一幅图像中像素的中值：

（1）

式中，X1，X2，…，Xn为图像区域内的灰度值，Xi1、Xi2、…、Xin从小到大顺序进行排序的灰度值，且Xi1

用该中值替代区域中心像素点的灰度值，实现噪声消除。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述采用Sobel微分算子对图像进行特征提取，然后采用图像拼接方法对相邻位置的图像重叠区域进行融合，得到高分辨率且完整的电连接器图像；包括：

采用Sobel微分算子进行图像边缘提取：Sobel算子有0°和90°两个方向的卷积模板，水平方向梯度Gx与垂直方向梯度Gy计算公式如式（2）-（6）所示：

（2）

（3）

（4）

水平方向梯度 Gx 与垂直方向梯度 Gy的幅值和方向角为：

（5）

（6）

式中：Z为3×3的窗口像素矩阵，（x，y）为中心像素，

将计算得到的梯度幅值G与选取阈值比较，并进行二值化处理，即梯度幅值G大于等于阈值，则判断为边缘点，给予灰度值为0，否则为255；

获取到边缘图像后，再使用特征匹配实现电连接器多幅图像拼接，进而实现待安装模块的检测。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述由导纳控制算法计算工业机器人末端的位置修正值，包括：

将工业机器人末端和环境接触等效为质量-阻尼-弹簧二阶系统，单自由度系统表示为：

（7）

其中，

根据工业机器人各关节编码器反馈得到工业机器人当前位置

工业机器人末端执行器分别在 X、Y、Z 轴三个方向均设置为等效质量-阻尼-弹簧系统，进而实现工业机器人在三个维度上都能进行导纳控制。

所述多功能治具固定于所述工业机器人的末端法兰；所述夹爪、工业相机、六维力传感器固定于多功能治具；所述指示灯、定位销安装于检测台；所述装配托架、气缸安装于装配台；所述工业机器人、检测台、装配台、翻面支架安装于金属底座。所述计算机通过以太网线与工业机器人、工业相机、六维力传感器进行数据交互。

工业机器人、装配台、翻面支架均安装于金属底座，可以稳定上述部分，防止由于工业机器人移动而造成设备抖动。

根据电连接器的尺寸以及工业相机能够采集的视野大小，通过水平移动工业机器人分别采集多帧插针的待拼接图像，确保每幅图像彼此都有重叠区域。

在将采集到的图像送入计算机进行处理过程中，涉及到图像标定、图像去噪和图像拼接处理。

（1）图像标定：采用视觉标定板对工业相机像素当量进行标定，完成图像像素到实际尺寸单位的换算（将像素坐标下的尺寸换算成实际尺寸），这样就可以从所拍摄的图像中得到电连接器的实际尺寸。

（2）图像去噪：由于在采集图像过程中，工业机器人运动会存在轻微抖动，另外图像信号传输过程由于外在干扰也会造成信号波动，导致图像存在噪声信号。必须对拍摄到的原始图像进行滤波处理，以消除上述可能的噪声干扰。具体采用中值滤波法去噪，先计算一幅图像中像素的中值，用该中值替代区域中心像素点的灰度值，实现噪声消除。进行图像中值计算的过程为：将区域内的灰度值记为X1，X2，…，Xn，将这些灰度值按照从小到大的顺序进行排序，设排序顺序为：Xi1

（1）。

（3）图像拼接：解决电连接器检测高精度检测需求与电连接器外形尺寸较大间的矛盾，采用图像拼接方法得到高分辨率且完整的电连接器图像。具体是先对图像进行特征提取，然后对相邻位置的图像重叠区域进行融合，实现图像拼接。本发明采用Sobel微分算子进行图像边缘提取。Sobel算子有0°和90°两个方向的卷积模板，水平方向梯度Gx与垂直方向梯度Gy计算公式如式（2）-（6）所示，其中Z为3×3的窗口像素矩阵，（x，y）为中心像素

（2）

（3）

（4）

得到的水平方向梯度 Gx 与垂直方向梯度 Gy的幅值和方向角为：

（5）

（6）

式中：

最后将计算得到的梯度幅值G与选取阈值比较，并进行二值化处理，即梯度幅值G大于等于阈值，则判断为边缘点，给予灰度值为0，否则为255，此算法具有原理简单、边缘平滑和抗噪声的特点。获取到边缘图像后，再使用特征匹配实现电连接器多幅图像拼接，进而实现待安装模块的检测。

采用本发明进行拼接式电源机箱装配时，通过人工预先放置待装对象于检测台，工业机器人通过工业相机依次对待安装模块进行图像采集，一面检测完成后，工业机器人通过夹爪依次抓取待安装模块至翻面支架，工业机器人调整姿态后重新抓取模块，并以不同面朝上重新放置于检测台的相同位置，并继续完成对待安装模块另一面的检测。同时将采集到的图像经计算机处理，判断其形位尺寸是否存合格及是否存在缺陷，若合格则机器人工业通过夹爪将多个待装对象依次转移至装配台，两两插装。插装时通过六维力传感器检测应力变化，采用导纳控制方法实时调整工业机器人的装配轨迹及姿态，至完成所有待安装模块装配。

通过工业机器人引导工业相机对待安装模块进行检测，可解决工业相机在保证检测精度的前提下视野小而电连接器尺寸较大的问题，具体为结合工业相机能够采集到的视野大小以及位于待安装模块（19）的电连接器尺寸，先由工业机器人水平移动带动工业相机采集多帧电连接器的局部图像，并对图像进行去噪、特征提取，对相邻位置的图像重叠区域进行融合，实现图像拼接。本发明采用Sobel微分算子进行图像边缘提取，使用模板匹配实现电连接器多幅图像拼接，进而实现待安装模块的检测。

机器人将待安装模块依次插装过程中，由于电连接器插针数量多且具有弱刚性的特点，按固定轨迹插装成功率低且非常容易对电连接器造成损坏。采用导纳控制方法可以提高装配成功率并避免损坏电连接器。具体为机器人末端接触力与期望接触力之差通过导纳控制器转换为位置修正量，再叠加到机器人预置轨迹中得到最终的期望轨迹，以此调整机器人末端的运动，提高拼接式电源机箱装配中的柔性与智能化水平。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。