CN113510686B

CN113510686B - 一种具有多模式切换功能的人机协作装配方法和系统

Info

Publication number: CN113510686B
Application number: CN202110855151.5A
Authority: CN
Inventors: 赵兴炜; 陶波; 陈沂洺; 丁汉
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2021-07-27
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2022-04-26
Anticipated expiration: 2041-07-27
Also published as: CN113510686A

Abstract

本发明公开了一种具有多模式切换功能的人机协作装配方法和系统，属于人机协作装配领域，将通过力反馈、位置反馈和速度反馈组合的人机协作装配模式按照不同的反馈形式划分为多种模式；所述多种模式包括零位置反馈的拖动模式、零力反馈的轨迹模式、位置负反馈的顺应模式以及位置正反馈的对抗模式；通过对拖动模式、轨迹模式、顺应模式和对抗模式进行切换，完成装配任务。本发明提出将人机协作装配模式划分为拖动模式、轨迹模式、顺应模式、对抗模式四种模式。每种模式各有适用的装配场景，将复杂的装配任务分解成用单个控制模式解决的装配步骤。通过各模式间的排列组合，可以满足复杂、多流程装配的需求，极大扩展了人机协作装配的适用范围。

Description

一种具有多模式切换功能的人机协作装配方法和系统

技术领域

本发明属于人机协作装配领域，更具体地，涉及一种具有多模式切换功能的人机协作装配方法和系统。

背景技术

人机协作技术使得机器人不局限于按预定轨迹执行任务，而可以根据人的意图实时调节机器人的状态，同时兼具机器人高执行力和人高决策力的优点，非常适用于复杂的装配环境。阻抗控制可以使机器人与外界环境进行动态力交互，既可以实现人机协作，又可以实现机器人与工件进行力交互，顺应装配中的对准误差，非常适用于人机协作装配领域。

然而，人机协作装配场景中存在着人，机器人和多个工件之间的复杂交互问题，装配工艺也通常分为多个任务步骤，单一的阻抗控制模式难以满足复杂的装配任务需求。

由此可见，现有人机协作技术存在模式单一、难以满足复杂装配任务的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有多模式切换功能的人机协作装配方法和系统，由此解决现有人机协作技术存在模式单一、难以满足复杂装配任务的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具有多模式切换功能的人机协作装配方法，包括：

将通过力反馈、位置反馈和速度反馈组合的人机协作装配模式按照不同的反馈形式划分为多种模式；

所述多种模式包括零位置反馈的拖动模式、零力反馈的轨迹模式、位置负反馈的顺应模式以及位置正反馈的对抗模式；

通过对拖动模式、轨迹模式、顺应模式和对抗模式进行切换，完成装配任务。

进一步地，所述人机协作装配模式下的控制器为：

其中，q和

为机器人的实际位置和速度，q_r和

为机器人期望轨迹的位置和速度，F为外部力，K_p为位置反馈增益，K_d为速度反馈增益，K_f为力反馈增益，τ为控制器输出。

进一步地，所述拖动模式下，控制器参数K_p＝0，K_d＞0，K_f＞0，机器人期望轨迹的位置与机器人的实际位置一致，机器人期望轨迹的速度为0；

所述轨迹模式下，控制器参数K_p＞0，K_d＞0，K_f＝0，根据装配任务需求设置机器人期望轨迹的位置和速度；

所述顺应模式下，控制器参数K_p＞0，K_d＞0，K_f＞0，根据装配任务需求设置机器人期望轨迹的位置和速度；

所述对抗模式下，控制器参数K_p＝0，K_d＞0，K_f＜0，机器人期望轨迹的位置与机器人的实际位置一致，机器人期望轨迹的速度为0。

进一步地，所述切换包括：

在轨迹模式中，当检测到外部力大于设定的外部力阈值时，自动切换轨迹模式至拖动模式；

在对抗模式中，当机器人与待装配工件的交互力大于设定的交互力阈值时，自动切换至轨迹模式；

在轨迹模式或拖动模式中，当机器人进入预装配区域后，自动切换为顺应模式。

进一步地，所述外部力阈值大于噪声幅值，所述噪声幅值包括用于检测外部力的传感器噪声以及被装配的工件运动的惯性力。

进一步地，交互力阈值大于等于对抗模式所需的交互力，例如，所述装配任务为扣合任务时，交互力阈值大于扣合力，所述装配任务为旋紧任务时，交互力阈值等于预紧力。

进一步地，所述切换还包括：在顺应模式或对抗模式中，通过操作者决策主动切换至轨迹模式。

进一步地，所述装配任务中机器人运动方向分为对准方向和进给方向，

在对抗模式中进行装配操作时，进给方向上位置增益参数K_f＜0，对准方向上位置增益参数K_f＞0；

在顺应模式进行人机协作装配时，设置进给方向的位置增益与对准方向外部力负相关。

进一步地，所述方法还包括：

采用拖动模式对机器人进行拖动示教，并记录运动特征点，将运动特征点连成运动轨迹；

通过在拖动模式拖动示教得到装配接触位置和装配进给方向，并给定进给深度，进而自动生成预装配位置，装配完成位置和进给轨迹；

机器人沿着运动轨迹到达预装配位置后切换至顺应模式，并沿着进给轨迹不断进给运动至装配完成位置，从而完成装配任务。

按照本发明的另一方面，提供了一种具有多模式切换功能的人机协作装配系统，包括：

拖动模块，用于将通过力反馈、位置反馈和速度反馈组合的人机协作装配模式中的零位置反馈模式作为拖动模式；

轨迹模块，用于将通过力反馈、位置反馈和速度反馈组合的人机协作装配模式中的零力反馈模式作为轨迹模式；

顺应模块，用于将通过力反馈、位置反馈和速度反馈组合的人机协作装配模式中的位置负反馈模式作为顺应模式；

对抗模块，用于将通过力反馈、位置反馈和速度反馈组合的人机协作装配模式中的位置正反馈模式作为对抗模式；

装配模块，用于通过调用拖动模块、轨迹模块、顺应模块和对抗模块，完成装配任务。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提出将人机协作装配模式划分为拖动模式、轨迹模式、顺应模式、对抗模式四种模式。每种模式各有适用的装配场景，将复杂的装配任务分解成用单个控制模式解决的装配步骤。通过各模式间的排列组合，可以满足复杂，多流程装配的需求，极大扩展了人机协作装配的适用范围。拖动模式采用零位置反馈的控制方法，可用于人，机器人交互的情况，例如拖动示教，工件搬运等人机交互场景。轨迹模式采用零力反馈的控制方法，可用于机器人自动执行任务，例如用于精准到达示教点，计算重力补偿参数等情况。顺应模式采用位置负反馈的控制方法，力顺应性好，可用于人，机器人和工件复杂交互情况，例如人与机器人协作装配工件。对抗模式采用位置正反馈的控制方法，可以进行强力交互，可用于旋紧夹具，扣合夹具等需要强交互力的情况。高精密装配任务难点在于，一是很难测得工件的准确位置信息，二是由于机器人的绝对精度较低，单纯的轨迹模式无法精准达到期望装配位置。本发明通过模式间切换完成装配任务，适用于人，机器人，工件复杂交互和多流程的精密装配任务。

(2)在拖动模式中，若无外部力，则机器人静止不动，若存在外部力，机器人对外部力表现为沿着外部力方向无弹性的顺应。机器人可以被人柔顺的拖动至工作空间的任意位置。为了达到上述拖动模式的控制效果，要求控制器参数K_p＝0，K_d＞0，K_f＞0，通常设置装配轨迹q_r＝q，

在轨迹模式中，机器人跟随期望轨迹进行移动，对外部力没有反馈。为了达到上述轨迹模式的控制效果，要求控制器参数K_p＞0，K_d＞0，K_f＝0，通常根据任务需求设置期望轨迹参数。在顺应模式中，机器人跟随期望轨迹进行移动，当有外部力时，机器人对外界力表现为沿着外力方向弹性顺应，当撤去外界力时，机器人会返回期望轨迹。为了达到上述顺应模式的控制效果，要求控制器参数K_p＞0，K_d＞0，K_f＞0，通常根据任务需求设置期望轨迹参数。顺应模式基于状态反馈位置信息可以对误差进行自动补偿，使机器人顺应至准确的装配位置。机器人可以完成高于工件定位精度和自身运动精度的装配任务。在对抗模式中，若无外部力，则机器人静止不动，若施加外部力，则机器人朝着外部力的反方向运动，与外部力的来源进行对抗。为了达到上述对抗模式的控制效果，要求控制器参数K_p＝0，K_d＞0，K_f＜0，通常设置装配轨迹q_r＝q，

(3)自动切换用于保证人机协同装配任务安全性，也可用作减少操作者工作量。在轨迹模式中，期望外界环境和人都不与机器人接触。但由于环境和人的状态是时变的，可能发生未知的意外碰撞。应该设置外部力阈值，当检测到外部力大于设定阈值时，应该自动切换轨迹模式至拖动模式，使机器人顺应外界环境，避免机器人发生严重碰撞。在对抗模式，期望机器人自动完成需要强力交互的任务，例如旋紧或扣合操作。但达到期望的交互力后，对抗模式使得机器人仍然向着施力的方向运动，这会使得交互力越来越大。因此需要设定交互力阈值，当机器人与环境的交互力大于阈值的时候，自动切换至轨迹模式，避免持续的对抗使得交互力不断上升，对机器人和工件造成伤害。环境中包括非装配区域和预装配区域，在轨迹模式或拖动模式，当机器人进入预装配区域后，自动切换为顺应模式。顺应模式的控制参数保证了人，机器人，工件可以安全稳定的进行交互，防止因操作者操作不当而发生意外情况。

(4)外部力阈值设置的原则为阈值大于噪声幅值，包括传感器噪声和工件运动的惯性力，防止噪声导致的误切换。交互力阈值可以根据任务需求设定，使得机器人完成对抗任务后自动退出对抗模式。

(5)在顺应模式或对抗模式，机器人和工件间可能具有很大的交互力。此时直接返回拖动模式，会使得机器人产生不期望的运动，产生未知的后果。因而，安全的方法是允许在顺应模式或对抗模式主动切换至轨迹模式。

(6)本发明把装配任务中机器人运动方向分为对准方向和进给方向。通过设置各向异性控制器参数，对装配过程中的对准方向和进给方向配置不同的交互特性。在对抗模式中进行装配，期望机器人顺应对准方向误差，在进给方向自动进行强力交互，直至达到交互力阈值。设置进给方向上位置增益参数K_f＜0，使得机器人可以自动完成具有强交互力的操作。在对准方向位置增益参数K_f＞0，使得机器人可以自动顺应对准误差，或方便操作者进行误差调整。在顺应模式进行人机协作装配时，期望机器人顺应对准方向误差，在进给方向能够到达期望的装配完成位置。设置对准方向外部力与进给方向的位置增益K_p负相关。表现为当装配工件因为对准方向存在误差，妨碍了持续进给运动时，进给方向刚性系数变小，避免装配工件间产生过大的交互力。当对准方向通过顺应完成误差补偿后，装配工件间的对准方向的交互力减小，此时位置增益K_p增大，减小机器人在沿装配方向进给运动时，工件间的摩擦力对进给运动的影响。

(7)人机协同装配旨在解决自动化装配无法胜任的多流程，复杂装配任务，但并不意味着操作者需要参与每一个装配步骤。通过在拖动模式进行拖动示教，可以示教出装配位置和装配轨迹，在相同的装配任务中，机器人可以在轨迹模式自动执行装配轨迹，操作者只需要对特殊情况进行决策即可。极大减少操作者的劳动量，并提高了装配效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种具有多模式切换功能的人机协作装配方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的模式切换及切换方法示意图；

图3是本发明实施例1提供的人机协作装配工作台示意图；

图4是本发明实施例1提供的人机协作装配轨迹图；

图5是本发明实施例1提供的人机协作装配操作流程图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1为机器人本体，2为操作者，3为固定工件，4为移动工件，5为快换夹具，6为固定工作台和固定夹具。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种具有多模式切换功能的人机协作装配方法，包括：

所述人机协作装配模式下的控制器为：

其中，q和

为机器人的实际位置和速度，可由机器人电机编码器获得，q_r和

为机器人期望轨迹的位置和速度，由任务给定，F为外部力，可以通过力传感器测量得到，K_p为位置反馈增益，K_d为速度反馈增益，K_f为力反馈增益，是可调参数，τ为控制器输出。通过调节K_p，K_d，K_f或设定q_r，

可以改变机器人的状态和与外界的交互特性。

拖动模式采用零位置反馈的控制方法，用于人，机器人交互的情况，例如拖动示教，工件搬运等人机交互场景。在拖动模式中，若无外部力，则机器人静止不动，若存在外部力，机器人对外部力表现为沿着外部力方向无弹性的顺应。机器人可以被人柔顺的拖动至工作空间的任意位置。为了达到上述拖动模式的控制效果，要求控制器参数K_p＝0，K_d＞0，K_f＞0，通常设置装配轨迹q_r＝q，

轨迹模式采用零力反馈的控制方法，用于机器人自动执行任务，例如用于精准到达示教点，计算重力补偿参数等情况。在轨迹模式中，机器人跟随期望轨迹进行移动，对外部力没有反馈。为了达到上述轨迹模式的控制效果，要求控制器参数K_p＞0，K_d＞0，K_f＝0，通常根据任务需求设置期望轨迹参数。

顺应模式采用位置负反馈的控制方法，力顺应性好，用于人，机器人和工件复杂交互情况，例如人与机器人协作装配工件。在顺应模式中，机器人跟随期望轨迹进行移动，当有外部力时，机器人对外界力表现为沿着外力方向弹性顺应，当撤去外界力时，机器人会返回期望轨迹。为了达到上述顺应模式的控制效果，要求控制器参数K_p＞0，K_d＞0，K_f＞0，通常根据任务需求设置期望轨迹参数。

对抗模式采用位置正反馈的控制方法，可以进行强力交互。用于旋紧夹具，扣合夹具等需要强交互力的情况。因此可以采用位置正反馈的控制方法，在对抗模式中，若无外部力，则机器人静止不动，若施加外部力，则机器人朝着外部力的反方向运动，与外部力的来源进行对抗。为了达到上述对抗模式的控制效果，要求控制器参数K_p＝0，K_d＞0，K_f＜0，通常设置装配轨迹q_r＝q，

如图2所示，四种装配模式间的切换方法分为主动切换和自动切换。主动切换用于操作者决策输入，自动切换用于保证人机协同装配任务安全性，也可用作减少操作者工作量。

主动切换方法是通过按钮进行切换。把按钮接入机器人控制柜的数字IO口，通过实时读取机器人IO参数就可以判断按钮状态。但处于任务安全考虑，应该限制部分模式间的直接主动切换。

例如在顺应模式或对抗模式，机器人和工件间可能具有很大的交互力。此时直接返回拖动模式，会使得机器人产生不期望的运动，产生未知的后果。因而，安全的方法是允许在顺应模式或对抗模式主动切换至轨迹模式，并设置装配轨迹q_r＝q，

使机器人静止在原位，由操作者决策下一步的操作。

自动切换为通过判断机器人位置速度及外部力的状态进行切换，自动切换可以根据装配任务需求进行设置。但一些自动切换方法可以保证人机协作装配任务的安全。例如如下的自动切换模式：

在轨迹模式中，期望外界环境和人都不与机器人接触。但由于环境和人的状态是时变的，可能发生未知的意外碰撞。应该设置外部力阈值F_maxt，当力传感器检测到外部力大于设定阈值时候F＞F_maxt，应该自动切换轨迹模式至拖动模式，使机器人顺应外界环境，避免机器人发生严重碰撞。自动切换阈值设置的原则为阈值大于噪声幅值，包括传感器噪声和工件运动的惯性力，防止噪声导致的误切换。

在对抗模式，期望机器人自动完成需要强力交互的旋紧或扣合操作。但达到期望的交互力后，对抗模式使得机器人仍然向着施力的方向运动，这会使得交互力越来越大。因此需要设定交互力阈值F_maxc，当机器人与环境的交互力|F|＞F_maxc的时候，自动切换至轨迹模式，并设置装配轨迹q_r＝q，

避免持续的对抗使得交互力不断上升，对机器人和工件造成伤害。同时使机器人静止在原位，由操作者决策下一步的操作。自动切换阈值可以根据任务需求设定，使得机器人完成对抗任务后自动退出对抗模式。例如，在执行工件扣合任务时候，阈值应略大于扣合力。在执行旋紧任务时，阈值应等于预紧力。

在轨迹模式或拖动模式，当机器人进入预装配区域后，自动切换为顺应模式。顺应模式的控制参数保证了人，机器人，工件可以安全稳定的进行交互，防止因操作者操作不当而发生意外情况。

把装配任务中机器人运动方向分为对准方向和进给方向。通过设置各向异性控制器参数，对装配过程中的对准方向和进给方向配置不同的交互特性。

在对抗模式中进行夹具的扣合和旋紧操作时(也可以视为装配的一种形式)，期望机器人顺应对准方向误差，在进给方向自动进行强力交互，直至达到交互力阈值。设置进给方向上位置增益参数K_f＜0，使得机器人可以自动完成具有强交互力的操作。在对准方向位置增益参数K_f＞0，使得机器人可以自动顺应对准误差，或方便操作者进行误差调整。

在顺应模式进行人机协作装配时，期望机器人顺应对准方向误差，在进给方向能够到达期望的装配完成位置。设置对准方向外部力与进给方向的位置增益Kp负相关。表现为当装配工件因为对准方向存在误差，妨碍了持续进给运动时，进给方向刚性系数变小，避免装配工件间产生过大的交互力。当对准方向通过顺应完成误差补偿后，装配工件间的对准方向的交互力减小，此时位置增益K_p增大，减小机器人在沿装配方向进给运动时，工件间的摩擦力对进给运动的影响。

在重复的装配任务中，如果工件有较高的重复装夹精度，操作者可以在拖动模式一次拖动示教得到期望的运动轨迹，进而自动生成运动轨迹。在重复的装配任务中都可以使用该装配轨迹，使操作者在每次装配任务中只需要对对准误差进行主动顺应操作，减少人在重复装配任务中的劳动量。在精密装配任务中，难以通过拖动示教的方法示教装配过程，因此无法获得完整的装配过程轨迹。有必要通过记录装配过程中容易获得的特征信息，自动生成装配轨迹。

自动生成运动轨迹的方法是拖动示教机器人，并记录运动特征点，设置特征点间的速度和加速度信息。通过运动特征点连成运动轨迹。

自动生成装配轨迹的方法是通过在拖动模式拖动示教得到装配接触位置，装配进给方向信息，并给定进给深度。进而自动生成预装配位置，装配完成位置和进给轨迹。预装配位置和期望装配位置仅在装配方向上存在距离差。机器人到达预装配位置后，会自动切换至顺应模式，并沿着进给方向不断进给运动至装配完成位置，从而完成装配任务。

实施例1

精密孔轴装配，装配过程具有确定的装配完成位置，所以采用顺应模式装配。固定工件由工作台固定夹具夹持。具有较好的重复装夹精度，可以通过一次示教得到装配位置信息，可以在重复装配任务中采用轨迹模式自动装配。移动工件和机器人末端安装有快换夹具，通过快换夹具快速扣合，释放，故采用对抗模式扣合装配。移动工件位置不确定，因而由操作者在拖动模式拖动至配合位置附近。

如图3所示，1为机器人本体，2为操作者，3为固定工件，4为移动工件，5为快换夹具，6为固定工作台和固定夹具。如图4所示，A为预装配位置，B为装配接触位置，C为装配完成位置。

如图5所示，精密孔轴装配的装配任务包括如下步骤：

1、拖动模式，根据任务环境和任务需求，拖动示教，记录运动特征点，生成机器人的运动轨迹。拖动示教得到孔轴装配接触位置B信息和装配方向信息，生成装配轨迹。

2、拖动模式，拖动机器人1至移动工件4位置附近。

3、对抗模式，操作者2直接拖动机器人1，调节机器人1与移动工件4的对准误差。在进给方向使快换夹具缓慢触碰。由于机器人与外界环境的对抗特点，会自动进行扣合动作，完成移动工件的装夹。

4、轨迹模式，机器人夹持移动工件，自动完成重力补偿参数计算，之后根据规划的轨迹到达预装配位置A。

5、顺应模式，机器人沿进给方向做进给运动。操作者可以拖动机器人调整对准方向的装配误差，装配工件触碰后，机器人也会根据触碰力信息，自动完成装配误差补偿。在进给方向，机器人根据对准方向的外部力，动态调节位置增益参数，使得装配过程中，工件间接触力不会过大。最终移动工件进给至装配完成位置C。

6、装配完成，转移工件，回到步骤2进行重复装配操作。

实施例2

螺栓组紧固装配。在用一组螺栓对工件紧固连接的装配任务中。若先拧紧一颗螺栓时，被连接件被压缩产生弹性变形，当它临近的螺栓被拧紧后，由于被连接件弹性变形作用使最初紧固的螺栓预紧力降低。所以螺栓组拧紧时通常分为初拧，复拧和终拧，并需要按照一定的顺序进行。

在顺应模式下，机器人末端切换为低力矩的自动旋拧工具，机器人自动顺应误差使螺栓对准螺纹孔，对螺栓进行初拧。初拧后的螺栓达不到预紧力要求，需要在对抗模式进行复拧和终拧操作。机器人末端切换为螺栓紧固工具，利用对抗模式中机器人与环境持续力对抗特性实现自动拧紧。通过力传感器监测拧紧力，用力矩控制法使螺栓预紧力达到装配要求。除此之外，可以在拖动模式示教得到装配任务流程，在重复装配任务中采用轨迹模式自动完成简单操作。以下为各装配模式在螺栓组紧固装配中的应用场景。

1、拖动模式，记录每个螺栓连接的位置信息和方向信息，所有螺栓的拧紧顺序，进一步生成装配轨迹。

2、轨迹模式，在轨迹模式，机器人可以按照装配流程，自动完成诸如利用自动快换夹具更换末端工具，自动上料(螺栓)，移动至预装配位置等一系列操作。

3、顺应模式，机器人末端切换为自动旋拧工具。机器人沿进给方向做进给运动，螺栓触碰工件后，机器人根据触碰力信息，自动完成对准误差补偿，使得螺栓对准螺纹孔。螺栓自动拧紧工具的作用下螺旋进给，实现初拧。

4、对抗模式，机器人末端切换为紧固工具，设置对抗模式阈值力矩等于螺栓紧固所需要的预紧力，操作者拖动机器人与螺栓接触，由于机器人与外界环境的对抗特点，机器人会持续拧紧螺栓直到拧紧力矩到达对抗模式的阈值力矩后自动退出对抗模式。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。