借助工业机器人安装组件的方法

摘要

本发明涉及一种借助工业机器人（1）将具有导入部分（9）和保持部分（7）的组件（6）安装入工件（11）的开口（10）中的方法，所述工业机器人具有终端操纵装置（3），所述终端操纵装置在保持部分（7）导引所述组件（6），本发明的方法包括步骤：通过工业机器人（1）的移动使所述组件（6）的导入部分靠近开口（10）（S1）；在组件（6）的导入部分（9）与工件（11）接触之后借助工业机器人提高过程作用力直至达到过程作用力阈值（P）（S2），其中所述过程作用力特别是以材料应力的形式存储；在达到过程作用力阈值（P）时提高工业机器人的柔韧性（S3）；以及基于通过材料松弛而释放出的过程作用力，执行工业机器人的被动的定中心运动（S4）。

说明书

技术领域

本发明涉及一种安装组件的方法，用于借助工业机器人将具有导入部分 和保持部分的组件安装到工件的开口中，该机器人具有终端操纵装置，终端 操纵装置在保持部分导引组件。

背景技术

EP 1405690A1描述了一种用于将阀门安装到汽车轮缘的为安装阀门而 确定的孔中的工业机器人和方法。为了将阀位置正确地安装到管中，设置了 照相系统，其确定管孔在轮缘上的准确位置并且将其传输给控制系统，控制 系统与该工业机器人相连用于控制机器人。

JP 07-088730A描述了包含两个工业机器人的装配单元。汽车的仪表盘 为工件，其具有开口，要将一个组件安装于该开口上。为此仪表盘具有标记。 两个工业机器人中之一带有照相系统，以便能拍摄仪表盘的开口和标记。从 借助于照相系统拍摄的开口的位置和标记，来确定组件的安装位置和安装方 向，而另一机器人持握该组件，相应的被驱动以将组件位置正确地相对于工 件定位到其安装位置。

JP 04-348885A描述了一种用于将组件导引入工件的开口的方法，其中 组件被机器人移动地带到开口处。如果组件位于工件开口的边缘，该组件被 机器人转动并且接触力的变化被记录或存储。基于接触力的变化，确定运动 的方向，机器人向该方向运动组件以将其位置正确地导引入开口中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于将组件安装入工件的开口中的改进的方 法。

本发明的目的通过如下的方法得以实现，即借助工业机器人将具有导入 部分和保持部分的组件安装入工件的开口的方法，所述机器人具有终端操纵 装置，所述终端操纵装置在保持部分导引组件，包括步骤：

-通过工业机器人的移动使组件的导入部分靠近开口；

-在组件的导入部分与工件接触之后借助工业机器人提高过程作用力 直至达到过程作用力阈值，在此过程作用力特别是以材料应 力的形式存储；

-在达到过程作用力阈值时提高工业机器人的柔韧性；以及

-基于通过材料松弛而释放出的过程作用力，进行工业机器人的被动的 定中心运动（Zentrierbewegung）。

组件特别可以是橡胶弹性组件。组件例如可以具有弹性体、橡胶即硫化 天然橡胶、橡胶/或者硅橡胶。此外组件还可具有在某种程度上也提供弹性性 能的其他材料，例如金属。组件本身也具有、即固有弹性性能，所以过程作 用力可以以材料应力的形式存储于组件中。替代地或者附加地，过程作用力 也可以材料应力的形式存储于工业机器人的弹性构件和/或者弹性的终端操 纵装置中和/或者通过工业机器人的以力-和/或者以力矩控制的运行来模拟。

特别是可以将当工业机器人使组件与工件相接触时在组件与工件之间产 生的接触力理解为过程作用力。

过程作用力域值表示最大的力，在达到该最大力时，特别是以材料应力 的形式存储于弹性组件中、存储于工业机器人的弹性构件和/或者弹性的终端 操纵装置中和/或者通过工业机器人的以力-和/或者以力矩控制的运行来模 拟，过程作用力的大小足够让工业机器人在提高其柔韧性时做被动的定中心 运动。

工业机器人柔韧性也即柔韧性的控制特别是可以通过阻抗控制 （Impedenzregelung）而不是导纳控制（Admittanzregelung）来实现。

导纳控制基于在关节层面上工业机器人的现有的位置控制。在此必须测 量从外部作用到工业机器人上的广义力，从这些力出发，确定工业机器人的 相应于所期望的动态特性的运动，该运动通过逆运动学和从属的位置控制向 工业机器人发送命令。

与导纳控制相反，阻抗控制基于现有的在关节层面的转矩控制。测量出 真实的位置相对于所定义的目标位置的偏移，并且相应于所期望的动态响应 确定所期望的广义力和力矩。该力可以通过已知的工业机器人动力学被映射 成相应的关节扭矩。该扭矩最终可通过从属的扭矩控制予以调整。

所期望的笛卡尔特性可以基于从属的位置、扭矩或者链接阻抗控制来实 现。这种控制的实现可以通过在工业机器人的关节处集成力矩传感器实现。 为此传感器检测在驱动装置的驱动中起作用的一维扭矩。其大小可以作为测 量参数用于控制，并且使得能够在控制范畴内考虑关节的弹性。特别地通过 使用扭矩传感器而不是在终端操纵装置上使用的力矩传感器，可以检测那些 不是施加于终端操纵装置上而是施加于工业机器人的组件上和/或者在工业 机器人持握的构件上的力。

对于提高柔韧性的特点，换句话说可以理解为提高工业机器人的亲和势 以使从外部作用于机器人上的干扰力减小或者变成零。

关于被动定中心运动的概念，可以理解为如下的各种运动：即工业机器 人由于外力的作用而执行的运动，而不用驱动工业机器人的关节做主动运动。

特别地开孔可以是工件上的通孔、盲孔或者出自工件的冲孔。该口可具 有圆形的形状，但开孔还可具有其他的轮廓。开口特别是还可以是完全通用 的轮廓，尤其是具有凹型的轮廓。因此，开口的轮廓例如可具有卵形或者椭 圆的形状而不是圆形的形状。

提高工业机器人的柔韧性可通过柔韧性的跳跃式改变实现。提高柔韧性 也可以在非常短的时间间隔内完成，使得在工业机器人的被动运动发生时可 以有可接受的很高的加速度。因此举例来说，由于摩擦效应减少了能量损失， 使得这些释放出来的能量可供用于工业机器人的被动运动。

柔韧性从起始柔韧性值跳跃式地改变到目标柔韧性值可发生在100微秒 与12毫秒之间的时窗内。特别有利的是建立1毫秒的时间窗。

在所有根据本发明的实施例中，提高工业机器人的柔韧性可通过控制参 数的跳跃式改变而实现，特别是通过对提高过程作用力起作用的控制回路的 增益因子的重置归零来实现。

进一步，提高工业机器人的柔韧性也可通过将工业机器人从以位置控制 的运行切换至以力-和/或者以力矩控制的运行而实现。换句话说，可改变控 制规则或者机器人特性，也即从导纳控制变为阻抗控制。这种切换可以特别 突然地也即尽可能快地实现。

根据本发明，过程作用力可以以材料应力的形式存储于组件中。替代地 或附加地，过程作用力可以以材料应力的形式存储于工件中。替代地或附加 地，过程作用力可以以材料应力的形式存储于工业机器人的弹性构件和/或者 弹性的终端操纵装置中。代替实际存储于工业机器人的弹性构件和/或者弹性 的终端操纵装置中，工业机器人的弹簧刚性还可通过工业机器人的以力-和/ 或者以力矩控制的运行来模拟。

根据本发明的方法的变形，如果组件相对于工件的开口所处的实际位置 偏离于组件相对于工件的开口的目标位置超过预定的容许值，则重复所描述 的方法的步骤。换句话说，必要时根据本发明的方法可以频繁地重复运行， 直到组件能够被导入工件的开口中。也即是说，必要时可在位置控制的运行 与力-或者力矩控制的运行之间多次来回切换。

在所有根据本发明的实施例中，至少组件的导入部分设计为圆形截面， 开口是圆形开口，使得工业机器人的被动定中心运动准确地朝着中心的方向 来进行。

因此，依照本发明各实施例提供的方法，可将组件导入工件的开口中， 而不需昂贵的传感器来确定和/或者测量开口的位置。也不需要对工业机器人 的控制设备进行特殊的、用于主动跟踪工件开口位置的编程。

在一种示例性的、汽车制造的应用情形中，涉及橡胶模压部件，例如要 自动导入到汽车的尚未被处理的车身，以便能使用封闭的腔室油漆车身的填 塞（Stopfen）。该组装任务首先是在车身的底面上表现为一种活动，其至今 是手动难以实施的，因此在工业机器人投入使用时可以自动化了。

对于根据本发明的方法，它尤其涉及找到开口的中心尤其是圆形开口的 孔中心点具体策略。

在装配过程中存在的问题是，由于工件的组件容差，并不知道准确的导 入位置，所述工件例如是生产线上的车身主体和输入单元。由此，截止到目 前工业机器人必须执行搜索移动，以便准确地确定由理想化的模型所称的孔。 其后才开始实际的装配过程。这样的搜索过程耗费时间，也即周期时间。本 发明的目的是至少能为确定类型的技术上相关的组件减少搜索时间。特别地 应该巧妙的利用组件的特性，其中所述组件例如橡胶具有自身的弹簧刚性。

所谓的轻型机器人提供不同的控制运行方式。这些被用于装配过程。机 器人例如在搜索阶段连同所持握的组件行进到所称的理想的孔，直到机器人 感知到压力。在该搜索行进过程中机器人本身是刚性连接的，也即以位置控 制的方式运行。只要机器人感知到反力，机器人自身突然被软切换（weich geschaltet），也即其以力-/力矩控制的方式而运行。对于KUKA LBR III型轻 型机器人，所述切换可借助指令"TRIG BY CONTACT"被触发。

在从位置控制的运行切换到力-/力矩控制的运行的时刻，组件由于其自 身的弹簧刚性将机器人推开，因为组件的弹簧释放。与此同时机器人的弹簧 刚性可被选择为适度地小。

对于开口或者凹陷的轮廓例如圆形的孔，通过组件的外推总是发生在沿 着中心的方向或者圆中心点。由此，在所述外推之后，机器人处于有利的导 入位置可以以最小的开销导入组件。

由此，根据本发明，一旦从装配过程作用到机器人关节或者终端操纵装 置的反力是可感知到的，便提供突然的刚性切换。由此组件本身被用作弹簧 或者能量储存器以支持装配过程。

由此可以利用弹性实现将组件精确地导入工件的孔中，所述的弹性是以 环境材料的特性的形式、所要被导入的组件的材料特性、机器人的特性比如 扭矩传感器、终端操纵装置的特性的形式而存在和/或者以控制规则的形式虚 拟地呈现于控制中。

根据本发明的一个方面，机器人的特性或者控制规则的突然改变或者骤 然变化，其中以弹性形式存储的能量被释放。释放的能量引起过程作用力， 针对过程的稳定性和减小周期时间，该过程作用力可以正面地的被加以利用。 一般地，对于圆形组件和/或开口或者至少是凸状的组件和/或者凹陷的开口， 恢复力主要沿着正确的方向也即是往中心的方向作用以便正确地对齐要被组 装的组件。

经由组件的推开由此总是发生在沿着圆的中心点的方向。由此机器人便 处于有利的导入位置，以便用最少的搜索时间导入组件。

通过合理地选择机器人的刚性参数，恢复力组分由此可以被动地被利用， 以明显地加速搜索过程。所利用的效果是，如已经描述的，基于在材料中存 储的弹性势能。机器人此外还代表了一个可编程的也即虚拟的弹簧，其可以 突然被释放。在释放过程中机器人被组件本身推向有利的位置。

本方法并不限于将填塞放置到车身主体上，而是可扩展到所有的模件， 若模件拥有自身的、显著的弹性常数也即材料刚性。工件上开口的孔形，例 如作为圆形或者椭圆形，有利地支持该效果，但也不仅仅限于此，即本方法 也适用于其他类型的形状。

原则上，环境的和机器人的现有的、也即真实的弹性以及虚拟的弹性可 作为能量存储器利用。为此机器人自身在开始时切换为刚性。这可以以所描 述的位置控制形式存在。然后组件随机器人行进至加压状态，也即组件被带 到与工件的开口相接触，并且现有的弹簧能量存储器被加载。机器人指令， 例如KUKA LBR III型轻型机器人的指令"TRIG_BY_CONTACT"，确保了: 在超过作用力域值时，机器人可被突然软切换。在整个系统中现有的、尤其 是势能可以由此突然被释放。

在所有这类装配过程和安装过程中，释放的力可以指向一个对过程起支 持作用的方向，比如在上面的例子中由圆形的物体所指示的。一般地，这样 的序列执行一遍（Durchlauf）就足够了。但该执行可以根据需要被重复。

能量存储效果也可通过终端操纵装置中例如在夹爪中的被动的弹簧元件 实现，或者通过作为翼缘和夹爪之间的中间件的被动弹簧元件实现。如上面 描述的同样的纲领性序列可以在这样的实施例中实现。

在装配刚性组件时，例如将金属螺栓装配到金属孔中，所需的弹簧刚性 可来自于机器人本身，也即通过机器人构件的机械约束产生，或者只要环境 刚性不足时所需的弹簧刚性甚至也可以虚拟地产生。

附图说明

使用附图示例性地说明根据本发明的方法。

图1示出了在安装过程中的带有终端操纵装置的工业机器人;以及

图2示出了作为本发明方法的例子的流程图。

具体实施方式

在图1中示出了工业机器人1。在所示出的根据本发明的实施例中，其 例如为KUKA LBR III型轻型机器人。工业机器人1在其手凸缘（Handflansch） 2上具有终端操纵装置3。终端操纵装置3也可以被称为夹爪。所示出的终端 操纵装置3具有两个可相互相向移动的抓爪4和5。在抓爪4和5之间，组 件6在其保持部分7被把持。工业机器人1具有通过关节8彼此相互连接的 肢体部件12。通过工业机器人1的关节8的运动，终端操纵装置3和组件6 被移动。除了保持部分7外组件6还具有导入部分9。通过本发明的方法， 借助工业机器人1，组件6的导入部分9被插入到工件11的开口10中。

图2中示意性地示出了本发明的方法的一个实施例。在第一步骤Sl的靠 近行驶中，通过工业机器人1的运动使组件6的导入部分9靠近开口部10。 靠近可通过工业机器人1的位置控制的运行来实现。

然后在第二步骤S2中，在组件6（更确切地说是导入部分9)与工件11 （更确切地说是开口10的边缘13）接触之后，提高过程作用力，在组件6 的导入部分9与工件11接触之后借助工业机器人提高过程作用力直至达到过 程作用力的阈值P，在此过程作用力特别是以材料应力的形式存储在组件6、 终端操纵装置3和/或工业机器人1中。

接着，当达到过程力的阈值后，或在超过过程力的阈值P后，在第三步 骤S3中，提高工业机器人的柔韧性。提高工业机器人的柔韧性可以通过柔 韧性的跳跃性的变化来实现。柔韧性的变化可以是工业机器人1从位置控制 的运行至力-/力矩控制的运行的切换。

工业机器人1的柔韧性提高之后，或者工业机器人1在从位置控制的运 行切换至力-/力矩控制的运行之后，在第四步骤S4中，由于通过材料松弛而 释放的过程作用力，工业机器人1执行被动的定中心运动。即工业机器人1 不是通过关节8驱动的控制来主动地移动，而是工业机器人1通过由于材料 松弛而释放出的过程作用力，也即特别是通过作用于机器人的结构上的外力 而被动地推开。在本发明的变形中，被动的定中心运动是通过机器人的结构 的材料的应力松弛来实现的，即由于工业机器人1的内力和/或由于工业机器 人1的弹簧刚性，由工业机器人1的力-和/或力矩控制的运行来模拟。

在可选的另一步骤S5中，在组件6相对于工件11的开口10居中后， 工业机器人的柔韧性又被减小或者工业机器人从力-和/或力矩控制的运行重 新被切换回到位置控制的运行。在步骤S6中，若组件6上的导入部9装配 在开口10中是可能的，则完成安装组件6，并且安装过程结束。

若尚不可能将组件6的导入部分9装配在开口10中，则根据本发明的方 法的实施例，S2至S5的步骤可一次或如有必要时多次重复进行和/或可以被 改变。

特别地，如果组件6相对于工件11的开口10所处的实际位置偏离于组 件6相对于工件11的开口10的目标位置超过预定的容许值，则可重复方法 的步骤S2至S5。

组件6的导入部分9可至少设计为圆形截面，或者开口10可以是圆形开 口，由此使工业机器人的被动定中心运动准确地朝着中心的方向进行。