机器人控制和装配结合的机密机械手-中文翻译
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来自 Springer作者Z Liu, T Nakamura摘要This paper researches how to realize the automatic assembly operation on a two-finger precision manipulator. A multi-layer assembly support system is proposed. At the task-planning layer, based on the computer-aided design (CAD) model, the assembly sequence is first generated, and the information necessary for skill decomposition is also derived. Then, the assembly sequence is decomposed into robot skills at the skill-decomposition layer. These generated skills are managed and executed at the robot control layer. Experimental results show the feasibility and efficiency of the proposed system.更多出版源The International Journal of Advanced Manufact., 2007, 31(7):797-804原文网址:http:/xueshu.baidu.com/s?wd=paperuri%3A%2824a8f17a595ed9994d76a94269634e37%29&filter=sc_long_sign&tn=SE_xueshusource_2kduw22v&sc_vurl=http%3A%2F%2Flink.springer.com%2Farticle%2F10.1007%2Fs00170-005-0232-5&ie=utf-8&sc_us=3126948775035117707机器人控制和装配结合的机密机械手摘要这篇文章研究了怎样实现两个手指精密机械手进行自动装配。提出架设了一个多层次的装配支持系统。在任务规划层的基础上,计算机辅助设计(CAD)模型,装配序列最先产生,必要的技能信息也从此分析而得到。装配顺序为在技能分解层的机器人技能。 这些技能,在机器人控制层进行管理和执行。实验结果表明了该系统的可行性和有效性。关键词:机械手、装配计划、程序分解、自动装配1 简介由于微电子机械系统(MEMS)技术,许多产品都变得小儿很复杂的,比如麦克风,微光学元件,微流体生物医学方面的设备,创造增加了对微型零件的自动化精密装配技术和系统的需求。在半自动化或自动化装配中,许多努力都是以微型组装技术为重点。但是,高灵活性,高效率和可靠性好的微组装技术,还是有带深入研究。 这篇文章研究了如何实现对于两个手指的机械手的自动装配操作。提出了一个多层次的装配支持系统。自动装配是一个很复杂的问题,可能涉及到许多不同的问题,比如任务计划,装配顺序的产生,运行和控制等等。它可以简单的分成两个阶段:装配计划和机器人控制。 在装配计划阶段,生成装配所需的信息,如装配顺序。在机器人阶段由装配计划阶段产生的信息控制机器人,并且控制装配作业。程序可以作为装配计划到机器人控制的接口。由于程序上的几个机器人系统已经有报道了,这些系统后面的基本理论是机器人编程。机器人的动作被指定为技术单元,在此基础上,装配的任务是手动编写程序。通过这些程序,机器人被控制去自动完成组装任务。一个以程序为基础的微型操作系统已经在作者的实验室完成了,它可以实现许多微型操作。在这个系统中,装配任务被手动分成技能顺序,并且翻译成一个文件。再加入文件到这个系统中,系统可一自行执行装配任务。本文尝试探讨一个好用,而且简单的顺序方法,来减轻手工编程的负担。它是一种有效的方法,从几何级算计机辅助设备(CAD)模型确定装配顺序。很多方法已经被提了出来。这篇文章采用一种简单的方法来生成装配顺序 。她和低层次的 CAD数据模型结构无关,并且可以和许多商业 CAD 软件包来提供应用程序编程接口(API)相连接。在提出的方法中,不同的组件之间的关系图是首先通过分析装配而建立,但是,在图的基础上搜索可能的顺序。根据某些标准,最终得到最先顺序。把装配顺序分解成机器人技术顺序,有些做品被报道。在 Nnaji et al.的作品中,按照事先确定的格式,装配任务命令被扩展到更详细的命令,它可以作为机器人技术实现。Mosemann 和 Wahl 的分解方式是基于自动生成装配计划的图表 AND/OR 的分析。本文提出了一种方法来指导程序分解。零件的装配过程分成不同的阶段,并且不见处于不同的状态。具体的工作流程使部件从一个状态到另一个状态,每个工作流程与一个程序发生器相连接。根据工作流程不同有开始状态和目标状态,程序生成器产生一系列的命令,是不见进一步达到他的最终状态。这里提出了系统的层次结构,如图 1 所示。关羽怎么样通过多个层次来利用机器人组装产品的转配信息。最上面是装配任务计划。任务计划和命令生成所需要的信息从 CAD模型中提取,并且保存在数据库里面,在 CAD 模型的基础上,装配任务按顺序完成。在明令分解层,任务分解为程序序列。生成的程序在机器人控制层管理和执行。2 任务计划程序是不能直接使用在装配阶段的,而是使用任务。一个任务可以完成了装配的一系列操作,比如,从通过移动部件来定位一个部件,到和另一个部件进行组装。换一句话说就是,一个任务包括许多的功能,它们可能通过几个不同的程序来完成。一个任务定义为:T=(基础部件,组装部件,操作)Base-Part 和 Assembly-Part 是两个部件组装在一起。Base-part 固定在工作平台上,而 Assembly-Part 是通过机器人的抓取,组装到 Base-Part 上。操作描述了 Assembly-Part 与 Base-Part 如何组装。操作Insertion-T ,screw,align-T,.对于微细机构通常是简单的,他们可以通过实体几何(CSG)来建立模型。目前,许多商业 CAD 软件包支持 3D CSG 建模。装配模型包含两个部件,具有一定的装配关系定义怎么样将这两个部件进行组合。在 CAD 模型中,这种关系被几何约束条件限定。几何信息不能直接用于知道装配操作,我们能够从 CAD 模型装配操作所需要的必要信息。通过搜索装配 CAD 模型定义的装配和几何关系(配偶关系) ,我们可以生成一个零件之间的关系图。在图中,节点表示零件。如果节点连接,这意味着在连接的节点(零件)有装配关系。2.1 装配方向在 CSG 中,两个零件之间的关系,几何约束,最终表示为平面与线条之间的关系,比如共线、共面、相切、垂直等。轴与孔的装配,两个零件之间的装配关系包含两个约束:轴 Lc-shaft 的中心线与孔 Lc-hole 的中心线共线,平面 P-Hole 与平面 P-Shaft 共面。装配方向是一个装配操作的关键问题。本文采用以下方法在几何约束的基础上计算可能的装配方向(以图 3 所示的轴孔操作作为例子):对关系图中的一个零件,计算其每一个几何约束的剩余自由度,也称分离度。对于共面,剩余的自由度为 R1=x,y,Rotz。对于共线,剩余的自由度为 R2=z,Rotz 。R1,R2 也可以表示为 R1=1.1.0.0.0.1 R2=0.0.1.0.0.1 。在这里,1 表示是两个部分之间有一个分离度。R1R2=0.0.0.0.0.1 ,因此,绕 Z 轴旋转的自由度在下面的步骤被忽略。还会出现一种循环关系在关系图中,例如 part5,part6 和 part7,在计算装配配方向之前,循环关系必须打破。假设在 CAD 模型的各个部分都完全约束,而不是过度约束,采用下面简单的办法。循环中的 part t,利用公式计算个数 Nii=Ri1Ri2Rin,这里1s 的个数分别大于 Upart5,part6 和 Upart6,part5 ,那么就可以认为零件 part7 的位置是由 part5 和 part6 两个部分约束确定的,并且零件 part5 和零件 part6 可以通过它们之间的约束来完全约束。在图中我们可以把零件 part5 和 part6 结合到一起,也叫复合节点。复合节点将被看作一个独立的部分,但很明显,复合节点意味着装配顺序。在关系图中为所有节点的计算装配方向。再次,举个例子轴孔装配的起始状态,在一个分离度中以一定的距离分离零件(大于最大公差) ,然后检查是否发生干扰。在 R1 的 x轴与 y 轴的分离造成轴与孔的干扰。Z 轴正方向的分离不会造成干扰。因此,选择 z 轴正方向作为装配方向,就是矢量 M 在装配坐标系统的检测。应该指出的是,在某些情况下,对于一个零件可能有几个可能的装配方向。对于装配方向即将结束的装配操作应该放在首位。装配状态,在装配方向上,零件之间发生接触,可以通过几何约束很简单的检查出来,最后位置通过压力传感器测量,而位置信息作为最终条件。计算抓的位置。在本文中,是通过两个独立探针来抓取操作零件,这将在第四部分进行讨论,而且抓取考虑零件的面或者边缘。在这种情况下会有几个装配方向,通过G1G2Gi 寻找抓取平面,这里的 Gi 指当零件处于自由状态时第 i 个装配方向上可能的抓取面或者边。比如,在中间,对于面 P1/P1,P2/P2和 P3/P3都可以作为抓取面,抓取平面为末端执行器接近的方向作为抓取平面的法向矢矢量。很明显,并非所有平面上所有点都可以抓取。下面的方法用来确定抓面积。末端执行,器用长方体作为模型,首先添加到 CAD 模型中,预抓取平面共面或者相切。一开始在装配方向上抓取的边远离 Base-Part,在装配方向上沿着抓取平面移动末端执行器知道末端执行器完全抓取零件,抓取平面与末端执行器完全接触,或者发生碰撞。几下这条边和移动的距离,两者都在零件的坐标系统中测量来得到。沿着装配方向逐步分离两个零件,同时检测在其他自由度的干扰,知道在其他自由度上没有干扰发生。显然一定的分离距离能保证每一个 不发生干扰。这就是所谓的调配方向上的完全长度。这个长度是用于无碰撞路径计算,这将在下一节讨论2.2 装配顺序有些依据可用于寻找最佳的装配顺序,比如组件的机械稳定性,并联执行的精准度,固定装置等等。但对于微型装配,在选择装配顺序时,我们应该注意他的一个重要特征有限的用作空间。装配通常在显微镜下进行和监测,并且装配工作空间非常小。装配顺序给装配效率带来很大的影响。比如,一个简单的三个零件的组合。在方案 a 中间,零件A 首先装配到 B 上,在这种情况下,因为空间小零件 C 不能与组件 AB 装配。为了将零件 C和组件 AB 组装,组件 AB 不得不从工作区卸载。然后再把 C 转移和固定到工作区。之后,组件 AB 重新转移到工作区。在方案 B 中,没有任何卸载部件的必要。方案 a 显然效率低下而且可能带来许多不确定性。换句话说,在一个装配顺序中间,组件的卸载次数越多,装配效率越低。在本文中,由于微型装配小型工作区,部件的卸载次数选择经可能卸载次数少的。本文提出以下办法来寻求装配顺序。装配关系图是用来寻找最佳的装配顺序。采用试探的方法,减少搜索时间:1.检查与两个以上节点连接的节点。如果它连接节点的装配方向不同,把它们标记为非活动节点,而标记相同装配方向为活动装配方向。2.选择一个不是非活动节点的节点。标记当前节点为基本节点(零件) 。第一个零件固定在与装配方向相反的工作区域(这是在 CAD 模型进行) 。把基础件的尺寸(例如重量或者体积)与它的连接件相比较。这些尺寸可以通过组装材料清单(BOM)很容易得到。如果基础件相对非常小,就标记为非活动节点。3.选择一个与基本节点相连接的节点作为装配节点(零件) 。如果基本节点需要从工作区域卸载就检查装配方向。如果需要,跟新一个变量,比如 mount+,重新放置元件(注意,不仅有工作区中基础零件;也可能有已经组装的其他零件) ,以便装配方向保持向上。4.在 CAD 模型,在可能的装配方向上,将装配件移动到基础件上,同时检查是否有干扰(碰撞)发生。如果发生干扰,标记这个节点为非活动节点,接着进入第二步,根据零件的集合特性选择操作方式。在这一步中,也计算一个 Obstacle Box。这个盒子,模拟一个长方体,包括工作区的所有部件。它是用来计算移动装配件时的无碰撞路径,这将在下一节介绍。这个 Obstacle Box 用一个位置矢量和它的宽度,高度和长度来描述。5.记录装配顺序,包括操作类型,装配方向,抓取定位。6.如果搜索所有节点之后,没有发现非活动节点,就标记第一基本节点为非活动节点,转到步骤 2.如果还没有,选择与装配节点连接的节点。标记为一个装配节点,把这个装配节点作为一个基本节点。检查这个装配节点是否有一个装配方向与之前的装配方向之相同。如果有,在下面的步骤中使用之前的装配方向,然后转到步骤 3.整个图形搜索完成之后,我们可能有几个装配顺序。比如 mount 值,选择一个效率更高的方案。如果一个顺序都没有反馈,用户可能不得不认为选择一个。如果在图 2 所示的关系图中有 N 个节点。所有这些都不是非活动节点,每个节点可能有 M 个装配方向,则需要 MN 次计算找出所有装配顺序。但是,因为通常情况下,一个零件只有一个装配方向和一些非活动节点,计算应该少于 MN 次。应该指出的是,在上述计算中,涉及几个坐标系统,比如装配顺序坐标,基础零件坐标和装配坐标。坐标之间由一个 4*4 变换矩阵来表示,这些都是在我们创建关系图时在装配 CAD 模型的基础上计算得来的。在数据库中矩阵和所有相关零部件储存在一起。他们还被用在程序分解。3 程序分将和执行3.1 原始程序的定义原始程序使装配计划和机器人控制之间得以连接。已经有一些对于原始程序的定义。这些定义之间的根本区别是技能的复杂性以及它可以实现的功能。从装配计划的角度看,一个程序可以实现更多的功能显然较好。然而,对于能实现许多功能的程序的控制可能就会变得复杂。在论文中,用来操作的部分是两个不同的探讨,而不是一个探头或者平行颚爪。即使是抓取工作,控制过程也是不容易的。此外,像移动一个零件可能不仅设计机械手,还有工作平台。因此,为了简化控制过程,在论文中定义的程序不包括许多功能。更重要的是,技能应该很容易的应用到各种组装任务,即一套 程序应该一般表达具体的任务。在程序之间不应该有重叠。在论文中,对机器人控制技术的原始程序定义为:Si=Attributes-i,Action-I (Attributes-i) Start-I (Attributes-i),End-i(Attribues-i),Condition-I (aAttributes-i)Attributes-I 要被执行的信息。他们可分为必须属性和选项属性,或者感官属性和 CAD的模型驱动的属性。所代表的属性通过不同层使用的全局变量表现出来。Action-I 机器人的动作,这是基本 sensormotion。在许多行动,比如工作台移动,探针移动,工作台旋转,探针旋转,触摸,插入,攻丝,抓取,对于一个程序,只有 一个动作。由于空间有限,行动的细节将不再论文中讨论。Start-I Action-i 的初始状态,这是由传感器测量。End-I Action-I 的最终状态,这是由传感器计算。Condition-I 在何种 Action-i 执行的条件。从上面的定义我们可能会发现,论文中的程序是在机器人开始状态和结束状态的动作,并且它们在特定条件下执行。论文中的装配计划生成机器人动作序列,并且分配给这些行动的属性值。3.2 程序分解一些方法已经被提出用于程序分解。本文提出了一种新的方法来指导程序分解。如上所述,在本文中间,一个任务是 Assembly-Part 装配作为 Assembly-Part 的装配周期。在装配周期中,Assembly-Part 可能在不同的装配状态。在图 6 轴现实为插入任务相关的工作流程。一个工作流程包含一组程序使 Assembly-Part 从一个状态到另一个状态。一个工作流程与一个特定的程序生成器相关联,程序生成器是有生成的程序控制。对于不同的装配任务,可能使用相同的工作流程,但是由于不同的任务产生的特殊程序可能会有所不同。该任务提供默认任务模版,其中定义了默认状态。在与相应的 Assembly-Part 建立关系后,这些模版被导入到系统中并且实例化。在某些情况下,默认的模版中定义的一些状态可能没有用。比如,如果轴已经被放置在工作区,被夹具确定位置,那些 FREE 和 In-WS状态可以从轴的装配周期中间删除。该系统为用户提供了工具来修改这些模版或者生成自己的模版。该工具的用户界面将显示.对于一个工作流程,开始状态由感觉值来确定,而且状态在 CAD 模型和感官的基础上来计算。根据开始状态和目标状态,程序生成器生成一系列程序。在这里,我们用图 6 作为例子来说明如何生成程序。装配任务(装配周期)启动后,模版被读入 Coordinator 中。对于 Move 工作流程,它的启动状态是 Grasped,这意味着 Assembly-Part 是机器人的末端执行器抓住,显然,Assembly-Part 的位置也被锁定。它的目标状态是 Adjusted,这它与 Base-Part 装配前的状态,在 Adjusted 状态,对 Assembly-Part 方向是由装配方向决定的,而 Safe Length 位置是由长度决定。这些值被放置在任务规划层,并且储存在数据库。当任务模版导入,这些数值读入内存坐标,并且进入工作区的坐标转换。在程序分解中有一个重要的和必要的步骤生成一个无碰撞轨迹。在这里,我们使用了直线,简单并且易于计算。假设 P3 是 Assembly-Part 状态的位置,P0 是在 Grasped 状态的位置。以下方法生成路径:对于 Assembly-Part 和装配方向定位的基础上,选择程序(Rotate-Table 或者Rotate-Probes) ,调整零件方向和赋值这些程序的属性。在 Obstacle Box 基础上,装配方向,Assembly-Part 的实际位置、方向,中间位置 P1和 P2 都需要来被计算。对于每段的路径,验证是否 Move-Table 程序(对于一个大范围)或者 Move-Probe 程序(一个小范围)应被使用。每个段生成的程序清单和对这些程序进行标记。3.3 程序运行在一组程序生成后,这组程序使零件到达特定的状态,这些程序被转移到技能管理模型。该系统使一个或者多个程序进入“正在运行的”程序列表,同时派遣它们到微操作机械手,一旦该程序被机器人运行完成,系统就会将它们从“正在运行的任务”清单中删除,并将其放在“已完成的任务”列表中。在所有的这些程序被运行后,零件的状态被跟新完成。对于一些状态,程序的运行和程序的产生同时进行。比如:对于图 6 中的Insertion 循环,如果零件的信息位置已知,移动工作流程程序生成可以和程序的生成同时进行。装配过程对用户开放。通过目标程序管理表结构,用户可以很容易监督和控制装配过程。比如:用户可以暂停正在运行的程序,调整程序或者修改错误,直接输入命令或将机器人调整到手动状态。4 实验4.1 实验平台本文使用的实验平台对于微装配操作,需要权衡精度和工作空间。为了获得较大的工作空间并且有较高的精度,通常使用两个阶段的控制。这些系统同城是两类不同的执行结构,略显不好的是拥有较大的工作空间,但精度较低,更好的是有小的工作空间,但精度很高。在系统中,一个平面运动单元提供大范围精度不高的移动操作,以 2 微米的精度在X 和 Y 方向移动,这是由 NSK 公司生产的现行工作平台,这个工作平台也可以提供 Z 轴旋转,它是由一个最大分辨率为 0.1/步的步进电机驱动。在这个机械手中,两个独立的探测器,用来操作微型部件,而不是单一探头或平行颚爪。这两个探头固定在两个最大分辨率为 0.05/的步进电机上。然后两台电机分别固定在平行运动机构,这是一个平行六面体的运动连和一个平行四边形的运动连的串行联结。当1、2、3 足够小时,最终效应运动可以视为直线运动。励磁器用来驱动并联机构,它包括一个空芯线圈和一个永磁体。永磁体连接到并行链节,线圈固定在底座上。磁悬浮本质上是不稳定的因为他是非接触线运行,很容易受到外部干扰。为了尽量减少来自外部干扰的影响,一个基于观测干扰的方法来用来控制我们的显微操作。激光位移传感器直接用来测量探头的位置。反射器连接到末端执行器。由 BL AUTOTEC公司生产的纳米传感器用来测量的力的大小。该微型操作机械手的位置分辨率为 1 微米,最高解析度为 0.8gf,而最大扭矩为 0.5gfcm。一堆机械手结构更详细的解释中可以在图中找到。所有装配作业在有奥林巴斯公司生产的显微镜 SZCTV B061 下进行。由夏普 GBP-KPCI 图像采集卡采集的图像信息,它的工作频率为 25MHz。4.2 实验机械手组装一个有三个组件的装配件。这是一个在作者实验室胭脂的微型机器人的轮子。下面的几何约束在 CAD 模型定义:CL-cup 和 CL-axis 共线,CL-gear 和 CL-axis 共线,Plane-cup 和 Plane-gear-1 共面,Plane-gear 和 Plane-axis 共面。根据上述集合约束,三部分构成一个循环关系图。随着商业软件 Solidworks2005,创建了 CAD 模型,它的 API 函数用于开发装配模型。Oracle 9.2 用来建立装配信息数据库。与程序开发相关的模型用 Visual Basic6.0,程序生成模型在 HP 工作站与你系那个在 Windows 2000 上,2.0G 赫兹的 CPU 和 1.0GB 内存。假设零件的位置可以用,可以事先花了大约 7 分钟生成的程序顺序。生成的装配顺序是将齿轮装配到轴上,然后将轴套组到轴和齿轮上。在装配操作中,零件被放置在专用夹具中,然后移动到工作区域,它们的初始位置和方向可以确定。因此,在试验中,所有的不同零件的程序序列都可以产生,然后转移到程序管理单元。该程序通过 TCP/IP 通信传输到微操作机械手。因此微操作机械手控制器是基于 DOS 运行,WTTCP 工具套件适应 ICP/IP 通信协议。因此,目前,该装置自动化控制还没有实现,零件必须手动固定到工作台。不同的任务(不同零件的装配周期)之间的协调需要进行手动操作。图 12 显示了装配过程中的一些截图。a 图中,轴固定在工作区,b 图中,齿轮固定在工作区,从 c 到 e,探测器抓取齿轮,移动,并装配到轴上,f 图中,轴套固定在工作区,从 g 到 i,轴套与齿轮和轴装配。可以发现,该系统可以成功进行装配任务。5 结论本文介绍了一种以程序为基础的操作系统。在计算机辅助设计(CAD )模型的基础上生成程序序列。通过寻找装配关系,构建一副装配图。在集合玉树的基础上本文提出的方法来得出装配方向和抓取位置,几何约束定义了不同零件之间的关系。因此位操作机器人工作空间非常小,装配顺序会带来太大的影响。现在,在工作区安装件所需的次数为标准来选择最佳装配顺序。本文介绍方法来指导程序分解。装配过程被分为不同的阶段。在一个阶段,零件处于装配状态。一个特定的工作流程使它到达最终的目标状态,这是装配周期中的理想状态并且是在 CAD 模型的信息和感觉信息的基础上计算出来的,一个特殊的程序生成器,与工作流程相连,产生程序使零件到达它的最终状态。程序序列生成后,系统分派他们到机械手的控制器来驱动机械手。用实验来验证所提出的方法,组装了三个部件。结果证明了该系统的可行性。该系统已经可以进行自动化装配操作。但是,仍然有许多问题需要解决,以实现全自动化装配。比如,目前,零部件的位保证是通过专用夹具来实现,现在,基于 CAD 下的图像处理模型正在发展中。预计,随着图像的处理模型的发展,系统可以处理处于随即位置和方向的零件。- 配套讲稿:
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