機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能裝配、協(xié)作裝配是“中國(guó)制造2025”提出的具體要求,現(xiàn)有的機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了力伺服控制,面對(duì)市場(chǎng)多元化需求,現(xiàn)有裝配機(jī)器人智能化程度較低,產(chǎn)品裝配效率不高,因此,借助人工智能技術(shù)對(duì)裝配機(jī)器人實(shí)現(xiàn)快速,高效的智能裝配迫在眉睫。本文基于視覺(jué)/力覺(jué)融合的六自由度機(jī)器人,對(duì)裝配機(jī)器人傳感器重力補(bǔ)償及手爪標(biāo)定、工作空間路徑規(guī)劃、力位跟蹤控制等展開(kāi)研究。1.裝配機(jī)器人六維力傳感器重力補(bǔ)償及手爪標(biāo)定。建立傳感器空間受力模型,獲取N(N≥3)組不同姿態(tài)的負(fù)載下傳感器數(shù)據(jù),采用最小二乘法分析并進(jìn)行實(shí)驗(yàn),求得傳感器零點(diǎn)值、負(fù)載重心坐標(biāo)、以及負(fù)載重力值,對(duì)機(jī)器人所受的外部環(huán)境力精確補(bǔ)償�；谝曈X(jué)引導(dǎo)抓取軸模型,對(duì)工具坐標(biāo)系位置標(biāo)定采用最小二乘法求解,姿態(tài)標(biāo)定采用Halcon手眼視覺(jué)標(biāo)定計(jì)算。最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)定,獲得工具坐標(biāo)系到末端坐標(biāo)系的變換矩陣,為路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)軸的精確抓取做準(zhǔn)備。2.裝配機(jī)器人路徑規(guī)劃。提出一種改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法(局部)和APF-RRT(全局)結(jié)合的避障路徑規(guī)劃算法。首先,根據(jù)六自由度裝配機(jī)器人模型,引入浮動(dòng)控制點(diǎn)和固定控制點(diǎn),修正引力勢(shì)場(chǎng)函數(shù),對(duì)斥力勢(shì)場(chǎng)引入與目標(biāo)點(diǎn)的相對(duì)距離,并增加調(diào)節(jié)因子實(shí)現(xiàn)勢(shì)場(chǎng)調(diào)控,使機(jī)器人碰到障礙物時(shí)朝著目標(biāo)點(diǎn)的方向逃離;其次,針對(duì)勢(shì)場(chǎng)法易陷入極小問(wèn)題,將APF的目標(biāo)引力概念引入RRT的搜索樹(shù)擴(kuò)展階段,使機(jī)器人向目標(biāo)點(diǎn)方向移動(dòng),從而跳出局部極小。最后,對(duì)提出算法采用MATLAB進(jìn)行多環(huán)境仿真,證明該算法可以對(duì)六自由度裝配機(jī)器人從抓取到裝配位置實(shí)現(xiàn)工作空間環(huán)境的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃,能適應(yīng)環(huán)境的變化。3.裝配機(jī)器人力位跟蹤控制算法研究。對(duì)軸孔接觸時(shí)六維力傳感器進(jìn)行受力分析,建立軸孔裝配接觸的阻抗控制數(shù)學(xué)模型,將傳感器的受力轉(zhuǎn)換為軸孔的實(shí)際接觸力,進(jìn)行基于末端力反饋的阻抗控制;對(duì)裝配過(guò)程阻抗模型穩(wěn)態(tài)力誤差進(jìn)行分析,采用Simulink搭建機(jī)器人阻抗仿真系統(tǒng),采用控制變量法對(duì)期望的阻抗參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)仿真得到合適的阻抗參數(shù);對(duì)于不確定環(huán)境加入模型參考自適應(yīng)控制算法,對(duì)柔順裝配系統(tǒng)進(jìn)行在線力位調(diào)節(jié),仿真實(shí)驗(yàn)表明,加入了自適應(yīng)系統(tǒng)的阻抗控制在面對(duì)以下環(huán)境:平面的位置和剛度突變、斜面、平面向斜面過(guò)渡、曲面、平面向曲面過(guò)渡等環(huán)境時(shí),切向位置跟蹤響應(yīng)由2s降低到0.2s,穩(wěn)態(tài)接觸力響應(yīng)由4s降低到0.4s,法向接觸力跟蹤誤差由4N降低到到0.3N,自適應(yīng)阻抗比阻抗控制有良好的適應(yīng)環(huán)境能力,實(shí)現(xiàn)了柔順裝配力位精確跟蹤仿真。4.裝配機(jī)器人路徑規(guī)劃實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,無(wú)障礙環(huán)境下采用改進(jìn)勢(shì)場(chǎng)法與APF-RRT融合算法進(jìn)行路徑規(guī)劃,驗(yàn)證了算法應(yīng)用的有效性;在機(jī)器人工作空間存在球形包絡(luò)長(zhǎng)方體盒子的障礙物前提下,采用本文提出的算法進(jìn)行路徑規(guī)劃,驗(yàn)證了算法的避障路徑規(guī)劃能力。
【學(xué)位單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP242
【部分圖文】：

多數(shù)企業(yè)開(kāi)始使用機(jī)器人代替人力，因此裝配機(jī)器人的智能化，柔性化對(duì)實(shí)現(xiàn)智能制造其重要[3]。針對(duì)近年來(lái)機(jī)器人智能裝配的研究發(fā)展趨勢(shì)，本文對(duì)機(jī)器人裝配關(guān)鍵技術(shù)：路徑規(guī)以及裝配過(guò)程的柔順控制等方面進(jìn)行研究。1.1 研究背景及意義近幾年中國(guó)制造業(yè)在全球市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力越來(lái)越激烈，發(fā)達(dá)國(guó)家借助人工智能技術(shù)發(fā)展掀起了智能制造“再工業(yè)化”浪潮[4]， 國(guó)際上有德國(guó)政府出臺(tái)“工業(yè) 4.0”，美國(guó) 2年實(shí)施“先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃”[5]，日本 2013 年實(shí)施“再興戰(zhàn)略”[6]，俄羅斯提出“新國(guó)家戰(zhàn)略”[7]，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。為此，中國(guó)提出“中國(guó)制造 2025”戰(zhàn)略[8]，把智能制造作為主攻點(diǎn)，大力發(fā)展機(jī)器領(lǐng)域，爭(zhēng)取在 2025 年達(dá)到工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域智能、協(xié)作裝配，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，解放人力到 2018 年為止，中國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示，可以看到工業(yè)機(jī)器人占比達(dá) 67%裝配機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人規(guī)模占比 16%，可以看出，市場(chǎng)需求潛力巨大，工業(yè)機(jī)器人發(fā)展速前景可觀。

自主裝配機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)外部環(huán)境力精確感知以及能準(zhǔn)確抓感器，安裝在機(jī)器人腕部。因?yàn)槭肿Φ淖ト“疾鄄糠峙c傳感器較重，故其所測(cè)得的機(jī)器人所受外部環(huán)境力并不精確，故本章力補(bǔ)償研究以便能精確測(cè)量外部接觸力為后面阻抗控制打下裝配前進(jìn)行路徑規(guī)劃手爪能夠準(zhǔn)確到達(dá)預(yù)抓取位置，還需到手爪進(jìn)行工具坐標(biāo)系的標(biāo)定，精確的工具坐標(biāo)系標(biāo)定對(duì)下一目標(biāo)位姿有重要影響。本章以實(shí)驗(yàn)室固高科技 GRB3016 機(jī)器象，進(jìn)行傳感器重力補(bǔ)償和手爪工具坐標(biāo)系標(biāo)定研究。/力矩傳感器感知重力補(bǔ)償傳感器接觸力的測(cè)量配過(guò)程需要獲取末端執(zhí)行器與工作空間環(huán)境的接觸力信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人柔順控制。本文在機(jī)器人末端法蘭盤(pán)安裝帶有六時(shí)測(cè)量機(jī)器人三個(gè)方向的力和力矩。六維力傳感器系統(tǒng)主要有器、電源、電纜及軟件系統(tǒng)等。其連接示意圖如圖 2-1 所示。

圖 2-2 傳感器力信號(hào)Fig.2-2 Sensor force signal2.2.2 重力補(bǔ)償算法裝配機(jī)器人需要精確感知末端手爪抓取軸以及軸孔裝配時(shí)的外界接觸力，然后控制系統(tǒng)據(jù)此修正機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，才能保證裝配作業(yè)的柔順性，傳感器安裝如圖 2-3 所示。圖 2-3 腕部傳感器Fig.2-3 Wrist sensor
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