搬运装配机器人主动柔顺技术研究与应用软件开发

摘要

搬运装配是目前工业机器人的一大应用领域。传统的位置控制型机器人通过示教与再现实现搬运与装配任务，由于实际作业中的工件误差与环境变动，示教再现往往难以完成任务，甚至发生碰撞。本文针对机器人在工件搬运与装配过程中对力觉感知与反应能力的需求，系统地研究了搬运装配机器人主动柔顺控制关键技术和应用软件开发实现。
　　本文首先阐述了搬运与装配机器人的发展现状，综述了柔顺搬运装配中的被动柔顺与主动柔顺研究现状并论述了主动柔顺控制算法。在分析了支重轮安装过程中搬运与装配需求的基础上，设计机器人主动柔顺搬运装配系统，介绍了系统的组成，解决了机器人控制器与外部PC间的实时通信问题，并实现了PC对抓手的控制和对传感器数据的采集，搭建了基于KRC4控制器的KR16-2工业机器人柔顺作业平台;然后，在建立了KR16-2机器人的关节模型并求解了机器人的D-H参数的基础上，计算出了用于力估算的KR16-2力雅可比矩阵。通过坐标系的转换，将工具坐标系下描述的运动转换为基坐标系下的描述的运动，解决了传感器坐标系与机器人运动描述之间的不匹配问题。
　　本文结合孔轴装配过程的主动柔顺需求，实现了基于参考点的三维模型重力补偿方法，解决了机器人末端姿态变化导致传感器零点改变的问题。根据孔轴装配的作业流程与孔轴接触状态，给出了孔轴装配不同阶段的柔顺控制策略并完成了实验验证;结合柔顺搬运放置任务需求与减少使用昂贵大量程传感器的需求，给出了柔顺搬运放置任务中的简化动力学模型，阐述了通过电机转矩估算机器人广义操作力并通过补偿获得末端接触力的方法，通过估算力完成机器人的柔顺搬运放置任务;最后，实现了机器人端控制程序及PC端机器人主动柔顺控制软件的开发，并结合视觉定位功能，在KUKA KR16-2平台上通过支重轮搬运装配任务的测试，验证了搬运装配主动柔顺系统的有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 装配机器人的发展与现状

1．2 柔顺搬运装配技术研究现状

1．2．1 被动柔顺控制技术

1．2．2 主动柔顺装配技术

1．3 主动柔顺控制算法

1．3．1 基于位置的阻抗控制算法

1．3．2 力位混合控制算法

1．4 论文研究内容及意义

1．5 论文组织结构

第二章 装配机器人控制系统总体设计

2．1 项目需求分析

2．1．1 装配任务需求

2．1．2 任务分解与需求分析

2．1．3 机器人外部控制基本方法

2．2 机器人搬运装配柔顺控制总体设计

2．3 柔顺控制系统整体软件结构

2．4 系统集成与通信方案

2．4．1 KRC4通信接口

2．4．2 RSI实时控制接口

2．4．3 PC与抓手通信

2．4．4 传感器数据采集与传输

2．5 本章小结

第三章 KR16-2机器人运动学建模与运动问题求解

3．1．1 机器人坐标系的建立与DH参数计算

3．1．2 机器人连杆坐标系齐次变换关系

3．2 KR16-2雅可比矩阵的求解

3．3 KR16-2力雅可比矩阵的求解

3．4 工具坐标系与基坐标系转换

3．4．1 力控制中的坐标系转换问题描述

3．4．2 工具坐标系到基坐标系的转换

3．5 本章小结

第四章 基于全空间力控的机器人柔顺装配功能开发

4．1 基于参考点的三维力模型重力补偿

4．1．1 单维重力模型与三维重力模型补偿算法

4．1．2 重力分量的估算

4．1．3 基于参考点的重力补偿

4．1．4 基于参考点的重力矩补偿

4．1．5 重力补偿实验验证

4．2 孔轴装配模型建立与插孔过程分解

4．2．1 孔轴装配模型的建立

4．2．2 孔轴装配误差分析

4．2．3 孔轴装配过程分解

4．3 孔轴装配过程主动柔顺控制策略

4．4 主动柔顺孔轴装配功能实验验证

4．5 本章小结

第五章 基于估算力的机器人柔顺搬运放置功能开发

5．1 机器人末端力估算问题分析

5．2 基于电机转矩的末端力估算方法

5．2．1 机器人轴转矩的估算方法

5．2．2 转换效率系数的求解与末端力的计算

5．3 估算末端力的重力与摩擦力扰动补偿

5．4 基于估算力的柔顺放置策略与实验验证

5．5 无传感器柔顺过程存在问题分析

5．6 本章小结

第六章 装配搬运机器人主动柔顺控制系统实现与实验验证

6．1 机器人控制器端程序开发

6．1．1 KUKA RSI实时通信程序开发

6．1．2 实时通信配置与通信协议开发

6．1．3 KRL控制程序开发

6．2 PC端柔顺搬运装配作业控制软件开发

6．2．1 控制系统软件总体架构

6．2．2 通信任务模块开发

6．2．3 力控制任务模块开发

6．2．4 人机交互模块开发

6．3 柔顺装配搬运任务整体测试

6．3．1 搬运装配任务实验环境

6．3．2 搬运装配任务前期准备工作

6．3．3 搬运装配运行过程实验验证

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

作者硕士期间发表的论文及科研成果

附录