一种微装配动作执行机构及精度补偿方法
文献发布时间：2023-06-19 18:37:28
技术领域
本申请涉及工业机器人技术领域，尤其涉及一种微装配动作执行机构及精度补偿方法。
背景技术
现在常用的工业机器人控制方式为半闭环式控制，每个转动轴上安装编码器。在工业机器人运作时，通过编码器及解析器能判断出机器人目前所在的位置。上述方法的缺点较为明显，以六轴机器人为例，六组舵机配合编码器会产生较大的累计误差，因此通过机器人控制系统(编码器及解析器等)得到的轨迹及空间点坐标较为理想。在对精度要求不高的重复动作(如码垛等)，上述机器人可得到较好的应用。但在航天器或者另类精度要求较高的微装配产品动作上，传统的工业机器人精度最高可达±0.02mm(目前国内外顶尖水平)，但仍无法较好的满足精度要求较高的实际工程应用需求。
传统的工业机器人为半闭环控制，舵机配合编码器会产生较大的累计误差，而这种误差在机器人运作过程中无法得到完全闭环的反馈。因此在长时间装配作业运作时，若无质检人员巡线，会有较高的几率产生不良品。
传统的工业机器人由于机器关节的运动副长时间磨损，运动副间隙会渗入较多的多余物，机器人精度会受到影响，而在半闭环的控制方式下，精度降低的情况只能靠技术人员做特殊标定进行判断，生产质量风险较高。
发明内容
本申请实施例提供一种微装配动作执行机构及精度补偿方法，用以在工业机器人进行微装配作业时，实现由原有的毫米级精度提高至微米级精度。
本申请实施例提供一种微装配动作执行机构，包括：
接口11，提供与工业机器人的标准接入口，所述接口11上设置有Z向转接板13；
Z向马达14，设置在所述Z向转接板13上，用以实现所需的Z向运动；
XY双向运动平台16，基于转动马达15设置在所述Z向马达14上，用于实现所需的X、Y向运动，其上设置有通用工具端接口17；
激光测距仪18，基于所述通用工具端接口17设置在XY双向运动平台16上，用于实现三向测距。
可选的，所述Z向马达14以及XY双向运动平台16基于压电陶瓷马达或微米级直线电机实现。
可选的，还包括直线轴承13，用于将所述Z向马达14连接在Z向转接板13上，实现所需的Z向运动。
本申请实施例一种微装配机器人精度补偿方法，包括：
控制工业机器人运动至目标点的临近点；
基于前述的微装配动作执行机构的激光测距仪检测所述临近点的坐标；
基于所述目标点的坐标与所述临近点的坐标之间的偏差；
根据所述偏差，控制前述的微装配动作执行机构运动至所述目标点。
可选的，根据所述偏差，控制前述的微装配动作执行机构运动至所述目标点包括：
判断所述偏差是否超过预先设置的距离阈值，若超过，则触发控制工业机器人向目标运动；
若所述偏差在所述距离阈值范围内，则触发控制所述微装配动作执行机构在三轴分别微调相应的距离。
可选的，在所述微装配动作执行机构完成一次调整后，所述微装配机器人精度补偿方法还包括：
利用所述激光测距仪在此检测当前临近点的坐标，并重复计算当前临近点的坐标与所述目标点的坐标之间的偏差；
判断所述偏差是否满足装配精度要求，若不满足则重复控制所述微装配动作执行机构在三轴分别微调相应的距离。
可选的，控制所述微装配动作执行机构在三轴分别微调相应的距离是通过补偿模块对所述偏差换算形成PWM脉冲波，并将所形成的PWM脉冲发送至所述微装配动作执行机构相应的马达，以实现微调相应的距离。
本申请实施例还提出一种微装配机器人精度补偿装置，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述的微装配机器人精度补偿方法的步骤。
本申请实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述的微装配机器人精度补偿方法的步骤。
本申请实施例设计了通用接口，可适应现有的大部分工业机器人，同时能够在工业机器人进行微装配作业时，实现由原有的毫米级精度提高至微米级精度。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本申请实施例的微装配动作执行机构示意图；
图2为本申请实施例的微装配动作执行机构与工业机器人的连接关系示例；
图3为本申请实施例的工业机器人接入微装配动作执行机构后的整体示例；
图4为本申请实施例的工业机器人以及三维基准面板示例；
图5为本申请实施例的精度补偿方法流程示例；
图6为本申请实施例的精度补偿方法OP向量示例；
图7为本申请实施例的精度补偿方法一种具体的OP向量示例；
图8为本申请实施例的精度补偿方法基于OP向量进行微动的一种具体示例。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本申请实施例提供一种微装配动作执行机构，如图1、图2所示，包括：
接口11，提供与工业机器人的标准接入口，所述接口11上设置有Z向转接板13。在一些具体实施例中，接口可以是一种通用化夹具等机器人工作所用工作接口端，例如可以是M8的螺纹孔呈圆周排列，包含常用的标准化法兰盘接口。
Z向马达14，设置在所述Z向转接板13上，用以实现所需的Z向运动。在一些具体实施例中，Z向马达14可以是压电陶瓷马达或微米级直线电机。
XY双向运动平台16，基于转动马达15设置在所述Z向马达14上，用于实现所需的X、Y向运动，其上设置有通用工具端接口17。在一些具体实施例中，XY双向运动平台16可以基于压电陶瓷马达或微米级直线电机来实现。具体的例如整个动作执行机构可以由3个平动式压电陶瓷马达及1个转动式压电陶瓷马达组成，根据压电陶瓷马达运行原理，全方位微动平台(动作执行机构)单次运动精度可达±0.1μm。如图3所示，本申请的微装配动作执行机构可以接入工业机器人2，当补偿模块(例如精度补偿控制盒3)发送的执行指令经压电陶瓷马达驱动器传输至全方位微动平台后，全方位微动平台可以执行相应的执行动作，例如图4中可以基于三维基准面板示4实现。
激光测距仪18，基于所述通用工具端接口17设置在XY双向运动平台16上，用于实现三向测距。本申请实施例的三向激光测距仪可以包括三组激光测距传感器，最大测量误差为±2μm，配合本申请实施例中的XY双向运动平台、Z向马达可以实现将工业机器人的精度提升一个量级。以同轴式装配工作为例：三向激光测距仪的作用是基于三维基准面板4，测量出全方位微动平台特殊标记点的坐标，再通过对比前期使用三坐标仪，手动示教机器人以及使用红丹合模液，红丹合模液是专为机工、钳工、车床、刨床技师配制的模液，其用于检测机件模具的密合情形是否有缺陷，同时方便机件的安装。
在一些实施例中，还包括直线轴承13，用于将所述Z向马达14连接在Z向转接板13上，实现所需的Z向运动。
在一些具体示例中，配合红丹合模液，对机器人进行标定找到基准坐标O，找到的基准坐标O(m,n,p)，计算出两点间的距离是否在全方位平台可调整范围内，如在可调整范围内，此时传统工业机器人(工业机器人2)驱动器暂停工作，全方位微动平台启动工作，通过精度补偿控制盒对X,Y,Z三个方向坐标的判断及运算，得到最佳的轨迹微运动算例，通过全方位微动平台驱动器发送至全方位微动平台的压电陶瓷马达，由压电陶瓷马达完成最终的执行动作。
本申请实施例设计了通用接口，可适应现有的大部分工业机器人，同时能够在工业机器人进行微装配作业时，实现由原有的毫米级精度提高至微米级精度。
本申请实施例一种微装配机器人精度补偿方法，如图5所示，包括：
在步骤S501中，控制工业机器人运动至目标点的临近点。
在步骤S502中，基于前述的微装配动作执行机构的激光测距仪检测所述临近点的坐标。
在步骤S503中，基于所述目标点的坐标与所述临近点的坐标之间的偏差。
在步骤S504中，根据所述偏差，控制前述的微装配动作执行机构运动至所述目标点。
本申请示例中以单次微米级同轴精度装配，目标点为设定的O(m,n,p)点为例进行举例说明，本申请的精度补偿方法，包括如下步骤：
工业机器人工具端处于初始位置，按预先编写的机器人驱动控制程序以传统工业机器人精度动作接近设定的O(m,n,p)点，此时工业机器人工具端接近O点位置，单独依靠传统机器人运动精度很难再继续靠近标记点O。
本申请示例中利用三向激光测距仪基于三维基准面板4，通过X、Y、Z三个方向的激光测距传感器测得此时的坐标，将此位置的空间点坐标记为P(x1,y1,z1)，如图6所示。将数据传输至精度补偿控制盒，利用如下公式：
计算出向量OP的距离，与预先设定的全方位微动平台的运动范围进行数据对比，判断OP是否在微装配动作执行机构的运动范围内，若在则根据偏差，控制的微装配动作执行机构运动至目标点(m,n,p)。
精度补偿控制盒主要部件之一是一块装有Linux操作系统的嵌入式开发板，并且外置一个液晶显示屏，方便使用及维护人员观察实时数据及微动平台状态。
网页端显示部分包括实时刷新环境数据(包括温湿度等)、采集机器人环境监控信息以及硬件控制(下发要去执行的命令)等。
数据处理部分包括创建进程线程、数据分发。创建进程线程整个过程传输计算速度为毫秒级，意味着精度补偿控制盒(基于Linux系统的开发板)需要进行多线程运行方式，激光测距指令传输、解析、采集均为单独的线程，本实施例中提及的运算表达式以及全方位微动平台的动作指令(PWM波的反射与接收)等均为单独的进程。数据分发(上行数据、下行数据)以及数据运算判断等。
一些具体示例中，控制系统将数据运算及判断进行结构体封装：
struct Data_processing{
float n；//O点Y轴数据。
float p；//O点Z轴数据。
float x；//P点X轴数据。
float y；//P点Y轴数据。
float z；//P点Z轴数据。
float e；//预留计算变量。
float motionmax；//全方位微动平台运动范围最大值。
float motionmin；//全方位微动平台运动范围最小值。
float motionx；//全方位微动平台x轴运动距离(|x-m|)。
float motiony；//全方位微动平台y轴运动距离(|y-n|)。
float motionz；//全方位微动平台z轴运动距离(|z-p|)。
}
在一些实施例中，根据所述偏差，控制前述的微装配动作执行机构运动至所述目标点包括：
判断所述偏差是否超过预先设置的距离阈值，若超过，则发出告警，触发控制工业机器人向目标运动；
若所述偏差在所述距离阈值范围内，则触发控制所述微装配动作执行机构在三轴分别微调相应的距离。
在一些实施例中，在所述微装配动作执行机构完成一次调整后，所述微装配机器人精度补偿方法还包括：
利用所述激光测距仪在此检测当前临近点的坐标，并重复计算当前临近点的坐标与所述目标点的坐标之间的偏差；
判断所述偏差是否满足装配精度要求，若不满足则重复控制所述微装配动作执行机构在三轴分别微调相应的距离。
作为一种具体的示例，数据采集部分包括三向激光测距仪等数据采集。
若上述公式(1)计算出的数据大于预先设定的数据则会触发系统报警。该种情况下超出全方位微动平台(微装配动作执行机构)的运动范围，可以再控制工业机器人向目标点运动至全方位微动平台的活动范围内。
若上述公式(1)计算出的数据小于等于预先设定的数据，则触发执行全方位微动平台X、Y、Z三轴的所需运动距离。
当全方位微动平台完成一次调整后，会触发三向激光测距仪再次测量出坐标，向量OP再次计算得到两点间的距离，若此时距离小于满足微装配所需的精度要求，则机器人将执行单个轴的运动完成装配动作。
若判断三结果为否，则重复执行上述动作。
在一些实施例中，控制所述微装配动作执行机构在三轴分别微调相应的距离是通过补偿模块对所述偏差换算形成PWM脉冲波，并将所形成的PWM脉冲发送至所述微装配动作执行机构相应的马达，以实现微调相应的距离。
本发明采用基于Linux的嵌入式控制方法，整套系统功率低，系统可裁剪型强，包络体积小，安装方式简单，运行算例可根据生产需求实时进行调整，环境适应性强，并且本申请的精度补偿判断方法逻辑简单，程序处理效率高，稳定性高。
本申请实施例还提出一种微装配机器人精度补偿方法的实施案例，用于确定出能满足μm级微装配要求的点O(6.12,3.14,4.13)，工业机器人通过自身的半闭环控制系统运动至点P(6.02,3.04,4.03)，此时再通过工业机器人的半闭环控制系统运动至点O难度非常大，本示例提出的方法主要目的是将上述情况的点P运动至点O。具体的控制逻辑如下所述：
步骤A1，工业机器人工具端按原有的精度通过预先编写的路径接近点O(6.12,3.14,4.13)(此时工业机器人的传统半闭环控制方法已无法将工具端以更高的精度靠近(或到达)点O(6.12,3.14,4.13))，如图7所示，记此时工业机器人到达的坐标为点P。
步骤A2，工业机器人转动关节停止运动。
步骤A3，精度补偿控制盒按预先编写的程序指令，通过串口通信将激光测距指令传输给Zigbee协调器，Zigbee协调器通过无线传输方式将指令发送给激光测距仪上的解析器，通过解析器将指令解析后让激光测距仪执行测距指令。选用无线传输的优点：将激光测距指令通过无线传输的方式发送给激光测距仪上的解析器，这种方式可避免在工业机器人上布电缆，可避免在运行过程中出现电缆与机器人发生缠绕断裂磨损等问题。
使用Zigbee作为协调器，达到功耗低的效果，Zigbee功耗5mA，一节5号电池用6个月左右，无需使用外部电缆供电。
步骤A4，激光测距仪完成测距，测得点P的坐标为P(6.02,3.04,4.03)。
步骤A5，激光测距仪将测得的数据暂存在解析器，解析器将数据解析后(X轴数值为6.02，Y轴数值为3.04，Z轴数值为4.03)打包通过无线传输方式发送至Zigbee协调器，协调器通过串口通信方式将激光测距数据传输给精度补偿控制盒。
步骤A6，精度补偿控制盒拿到了激光测距仪测得的数据，系统运行的程序通过指针调用激光测距仪数据，系统运行的数据处理程序结构体如下所述：
struct Data_processing{
float m；//O点X轴数据。赋值m＝6.12。
float n；//O点Y轴数据。赋值n＝3.14。
float p；//O点Z轴数据。赋值p＝4.13。
float x；//P点X轴数据。取值x＝6.02。
float y；//P点Y轴数据。取值y＝3.04。
float z；//P点Z轴数据。取值z＝4.03。
float e；//OP向量的数值计算值。运算表达式为
float motionmax；//全方位微动平台运动范围最大值。
float motionmin；//全方位微动平台运动范围最小值。
float motionx；//全方位微动平台X轴运动距离(运算表达式为|x-m|＝-0.1)。
float motiony；//全方位微动平台Y轴运动距离(运算表达式为|y-n|＝-0.1)。
float motionz；//全方位微动平台Z轴运动距离(运算表达式为|z-p|＝-0.1)。
}
判断OP向量数值是否在全方位微动平台的运动范围内(运算表达式为e＞motionmin，e＜motionmax)。
在应用案例中，假定计算出的e值在全方位微动平台的运动范围内：
此时程序已完成全方位微动平台在X、Y、Z轴上所需移动距离的计算，微动平台的X、Y、Z轴示意图如图8所示，分别在X、Y、Z轴方向上需要移动-0.1mm。
步骤A7，精度补偿控制盒此时已计算出全方位运动平台在X、Y、Z轴方向上分别需要运动的距离，这个运动距离换算为在一定频率及幅值条件下的PWM脉冲波形传输给压电陶瓷马达的驱动器(0.1mm)。传输过程为：精度补偿控制盒(基于Linux系统的开发板)将换算后的PWM脉冲波形通过串口通信方式发送给Zigbee协调器，Zigbee协调器将发射模块发出的模拟量通过无线的方式传输至全方位微动平台装载的接收模块，接收模块配合解析器将模拟信号发送至压电陶瓷的驱动器，驱动器启动，驱动压电陶瓷马达按指令完成响应的动作；
步骤A8，此时全方位微动平台完成了第一次微动作调整；
步骤A9，激光测距开始进行第二次测距(过程同上所述)，完成第二次判断，若第二次计算出来的e＜motionmin(全方位微动平台运动范围最小值)，则此时全方位微动平台无需再次移动，即满足微装配精度要求。
步骤A10，若e＞motionmin(全方位微动平台运动范围最小值)，则同上所述，继续执行微动平台动作指令。
本申请实施例采用全闭环控制方法，在工业机器人工具端(如夹爪等)处安装精度标定补偿装置。能在工业机器人进行微装配作业时，由原有的毫米级精度提高至微米级精度(精度可提高一个量级)。采用通用型标准法兰盘接口，可适应现有的大部分工业机器人，工厂只需在现有的工具端法兰盘安装本申请的全方位微动平台(微装配动作执行机构)，将控制盒安装在现有的机柜中，即可完成改造。
本申请实施例采用基于Linux的嵌入式控制方法，整套系统功率低，系统可裁剪型强，包络体积小，安装方式简单，运行算例可根据生产需求实时进行调整，环境适应性强。
采用的全闭环控制方法，能准确反映出机器人运动副因为长时间运作磨损导致精度下降的情况，能自主提醒保养维护。
本申请实施例还提出一种微装配机器人精度补偿装置，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述的微装配机器人精度补偿方法的步骤。
本申请实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述的微装配机器人精度补偿方法的步骤。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述的方法。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本申请的保护之内。