CN107571246A - 一种基于双臂机器人的零件装配系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双臂机器人的零件装配系统及方法，该系统包括：底座；设置在底座上的上料机构，其用于放置待装配的零件；设置在底座上的双臂机器人，其用于装配零件，及，设置在双臂机器人上的视觉识别系统，其用于对待装配零件进行三维重建，以采集装配位置信息并发送至所述双臂机器人。本发明通过两个机械臂的协同运动，主动臂与从动臂实时互换，实现装配半成品在空间中的翻转，取消翻转工装，并且可以通过机械臂各关节的旋转，调整工作范围，实现快速换型或补料，提高装配效率。

Description

一种基于双臂机器人的零件装配系统及方法

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，具体涉及一种基于双臂机器人的零件装配系统及方法。

背景技术

电子产业产品种类多，组装结构复杂，目前3C装配行业中需求最多的像手机、笔记本、平板电脑等便携式设备的组装大部分由人工完成，且需要处理大量的异形薄壁零件，且零件间为过度约束装配，不合适的外力、操作都会导致精度丢失，人工装配的产品的一次合格率较低。

传统的单臂机器人只适合于刚性工件的操作，并受制于环境，且对许多装配工作而言单臂操作是不够的。复杂电子产品采用传统机器人进行装配，不仅需要大量的工装定位才能完成异形零件的装配，每制作一个工装只能满足一类产品的组装，而且在有工装定位的装配时，大部分是在一个平面内完成组装，但是电子产品的装配需要各个面的组装，是一个三维空间内的组装，因此在传统工装设计中还需要一个翻转装置，这就导致传统机械臂组装的效率低下。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于双臂机器人的异形薄壁零件装配系统及方法，已解决上述现有技术的问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于双臂机器人的零件装配系统，包括：

底座；

设置在底座上的上料机构，其用于放置待装配的零件；

设置在底座上的双臂机器人，其用于装配零件，及，

设置在双臂机器人上的视觉识别系统，其用于对待装配零件进行三维重建，以采集装配位置信息并发送至所述双臂机器人。

上述的基于双臂机器人的零件装配系统，其中，所述上料机构包括：

与待装配零件形状匹配的仿形凹槽，设置在上料机构上，其用于放置待装配零件；

设置在上料机构上的快速定位装置，其用于对上料机构和待装配零件快速定位。

上述的基于双臂机器人的零件装配系统，其中，所述底座上设置有第一定位孔；每个所述待装配零件上至少设置有一个第二定位孔；所述快速定位装置包括：

与第一定位孔配合的第一定位销，设置在上料机构上，其用于对上料机构快速定位；

与第二定位孔配合的第二定位销，设置在上料机构上，其用于对待装配零件快速定位。

上述的基于双臂机器人的零件装配系统，其中，所述双臂机器人包括：

设置在底座上的机器人主体；

设置在机器人主体两侧各一个的机械臂，其用于夹取待装配的零件；

设置在机器人主体上的控制器，其分别与机械臂和视觉识别系统连接，用于控制机械臂的运动。

上述的基于双臂机器人的零件装配系统，其中，所述机械臂由多个旋转关节连接构成，其还包括：

与旋转关节一一对应的多个旋转关节电机，其与控制器连接，用于调节旋转关节的位置；

设置在机械臂末端的柔性装配夹具，其材质为弹性材料，用于吸附异形薄壁零件，以使零件能够微小移动和摆动；

设置在机械臂末端的多维力传感器，其与控制器连接，用于测量机械臂末端柔性装配夹具与零件的接触压力。

上述的基于双臂机器人的零件装配系统，其中，所述控制器包括：

位置控制环，其用于将接收自多维力传感器的接触压力信号转化为机械臂末端位置信号；

转矩控制环，其用于根据位置控制环发出的机械臂末端位置信号调整旋转关节电机的转矩。

上述的基于双臂机器人的零件装配系统，其中，所述视觉识别系统包括：

视觉识别系统支架；

设置在视觉识别系统支架上的双目视觉相机，其与控制器连接，用于采集待装配零件的图像信息；

设置在视觉识别系统支架上的一个激光测距传感器，其与控制器连接，用于采集待装配零件的位置信息。

本发明还提供了一种基于双臂机器人的零件装配方法，包含以下步骤：

步骤1：零件识别：由双目视觉相机对装配半成品采集图像信息并传递给控制器，控制器控制机械臂运动到装配半成品上方；

步骤2：零件抓取：双臂机器人的两个机械臂分为主动臂和从动臂，控制器能够实时控制机械臂进行主动臂和从动臂的互换；控制器控制从动臂通过柔性装配夹具夹住装配半成品并悬空，等待组合装配；

步骤3：精确定位：控制器控制主动臂和从动臂上下翻转装配半成品，以将装配半成品底面朝上；并通过双目视觉相机所采集的图像信息与激光距离传感器所采集的位置信息对装配半成品进行冗余约束点的三维物体重建，精确定位每个冗余约束点的位置；

步骤4：组合装配：控制器控制主动臂夹住待装配零件并取出；并根据冗余约束点的精确位置信息，进行待装配零件和装配半成品的组合装配；组合装配过程中，控制器根据多维力传感器的信号，调整机械臂的接触压力和位置，进行力和位置的混合控制，结合柔性装配夹具使待装配零件在一定范围内微小移动和摆动，实现各冗余约束点的一次装配到位。

上述的基于双臂机器人的零件装配方法，其中，所述上下翻转装配半成品的方法具体为：

步骤A1：控制器控制从动臂从背面夹住装配半成品，并同时控制主动臂从装配半成品的正面进行夹住；

步骤A2：装配半成品完全夹住后，控制器控制主动臂和从动臂将装配半成品的正面与背面的翻转；

步骤A3：装配半成品翻转后，控制器控制主动臂和从动臂互换，并控制主动臂放开装配半成品。

上述的基于双臂机器人的零件装配方法，其中，所述三维物体重建的方法具体为：

步骤B1：控制器对双目视觉相机所采集的图像信息进行梯度边缘计算；

步骤B2：控制器根据激光测距传感器所采集的位置信息对图像信息的边缘点进行三维重建；

步骤B3：控制器对未重建的点根据周围的边缘点拟合三维坐标。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明基于双臂机器人的零件装配系统及方法，通过双目视觉相机和激光测距传感器实现待装配零件的三维重建，实现装配位置信息的采集，再通过两个机械臂末端安装的多维力传感器，实现对机械臂末端柔性装配夹具的力和位置混合控制，结合柔性装配夹具对零件和装配半成品的柔性抓取后可在一定范围内微小移动和摆动，通过以上措施补偿零件的来料误差和整个机械臂到夹具的误差，实现在三维空间中的对位，完成零件的柔性冗余配合装配；再通过两个机械臂的协同运动，主动臂与从动臂实时互换，实现装配半成品在空间中的翻转，取消翻转工装，并且可以通过机械臂各关节的旋转，调整工作范围，实现快速换型或补料，提高装配效率。

附图说明

图1为本发明基于双臂机器人的零件装配系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种基于双臂机器人的零件装配系统，包括：

底座100；

设置在底座100上的上料机构200，其用于放置待装配的零件；

设置在底座100上的双臂机器人，其用于装配零件，及，

设置在双臂机器人上的视觉识别系统，其用于对待装配零件进行三维重建，以采集装配位置信息并发送至所述双臂机器人。

所述上料机构200包括：

与待装配零件形状匹配的仿形凹槽，设置在上料机构200上，其用于放置待装配零件；

设置在上料机构200上的快速定位装置，其用于对上料机构200和待装配零件快速定位。

所述底座100上设置有第一定位孔；每个所述待装配零件上至少设置有一个第二定位孔；

所述快速定位装置包括：

与第一定位孔配合的第一定位销，设置在上料机构200上，其用于对上料机构200快速定位；

与第二定位孔配合的第二定位销，设置在上料机构200上，其用于对待装配零件快速定位。所述第二定位销用于插入待装配零件上的第二定位孔中以实现待装配零件的定位，并未将待装配零件与上料机构200之间进行固定，以便于机械臂320的夹取。

一种实施例，针对小的待装配零件，每个待装配零件上设置有一个第二定位孔，可以在上料机构200上放置多个小零件。

一种实施例，针对大的待装配零件，每个待装配零件上至少设置有一个第二定位孔，至少可以在上料机构200上放一个大零件，也可以放多个大零件。

所述双臂机器人包括：

设置在底座100上的机器人主体310；

设置在机器人主体310两侧各一个的机械臂320，其用于夹取待装配的零件；

设置在机器人主体310上的控制器，其分别与机械臂320和视觉识别系统连接，用于控制机械臂320的运动。

所述机械臂320由多个旋转关节321连接构成，其还包括：

与旋转关节321一一对应的多个旋转关节电机，其与控制器连接，用于调节旋转关节321的位置；

设置在机械臂320末端的柔性装配夹具322，其用于夹取待装配的零件；

设置在机械臂320末端的多维力传感器，其与控制器连接，用于测量机械臂320末端柔性装配夹具322与零件的接触压力。

所述控制器包括：

位置控制环，其用于将接收自多维力传感器的接触压力信号转化为机械臂320末端位置信号；

转矩控制环，其用于根据位置控制环发出的机械臂320末端位置信号调整旋转关节电机的转矩。

所述柔性装配夹具322的材质为弹性材料，用于吸附异形薄壁零件，以使零件能够微小移动和摆动。

所述视觉识别系统包括：

视觉识别系统支架；

设置在视觉识别系统支架上的双目视觉相机410，其与控制器连接，用于采集待装配零件的图像信息；

设置在视觉识别系统支架上的一个激光测距传感器420，其与控制器连接，用于采集待装配零件的位置信息。

所述机器人主体310两侧各设置有多个上料机构200和一个视觉识别系统。每个视觉识别系统对应其面前的多个上料机构200，用于采集上料架构上的待装配零件的图像信息和位置信息。双臂机器人每次装配时仅从一侧上料机构200处取料，另一侧的上料机构200处可以进行补料或换型工作，当前工作范围内的零件用尽后，所述双臂机器人可以通过协调关节的运动，将工作范围转换至对侧上料机构200，继续进行取料装配工作。

本发明还提供了一种基于双臂机器人的零件装配方法，包含以下步骤：

步骤1：零件识别：由双目视觉相机410对装配半成品(多个零件组合装配后的中间产品或待装配的零件)采集图像信息并传递给控制器，控制器控制机械臂320运动到装配半成品上方；

步骤2：零件抓取：双臂机器人的两个机械臂320分为主动臂和从动臂，控制器能够实时控制机械臂320进行主动臂和从动臂的互换；控制器控制从动臂通过柔性装配夹具322夹住装配半成品并悬空，等待组合装配；

步骤3：精确定位：控制器控制主动臂和从动臂上下翻转装配半成品，以将装配半成品底面朝上；并通过双目视觉相机410所采集的图像信息与激光距离传感器所采集的位置信息对装配半成品进行冗余约束点的三维物体重建，精确定位每个冗余约束点的位置；

步骤4：组合装配：控制器控制主动臂夹住待装配零件并取出；并根据冗余约束点的精确位置信息，进行待装配零件和装配半成品的组合装配；组合装配过程中，控制器根据多维力传感器的信号，调整机械臂320的接触压力和位置，进行力和位置的混合控制，结合柔性装配夹具322使待装配零件在一定范围内微小移动和摆动，实现各冗余约束点的一次装配到位。

所述上下翻转装配半成品的方法具体为：

步骤A1：控制器控制从动臂从背面夹住装配半成品，并同时控制主动臂从装配半成品的正面进行夹住；

步骤A2：装配半成品完全夹住后，控制器控制主动臂和从动臂将装配半成品的正面与背面的翻转；

步骤A3：装配半成品翻转后，控制器控制主动臂和从动臂互换，并控制主动臂放开装配半成品。

所述三维物体重建的方法具体为：

步骤B1：控制器对双目视觉相机410所采集的图像信息进行梯度边缘计算；

步骤B2：控制器根据激光测距传感器420所采集的位置信息对图像信息的边缘点进行三维重建；

步骤B3：控制器对未重建的点根据周围的边缘点拟合三维坐标。

综上所述，本发明基于双臂机器人的零件装配系统及方法，通过双目视觉相机和激光测距传感器实现待装配零件的三维重建，实现装配位置信息的采集，再通过两个机械臂末端安装的多维力传感器，实现对机械臂末端柔性装配夹具的力和位置混合控制，结合柔性装配夹具对零件和装配半成品的柔性抓取后可在一定范围内微小移动和摆动，通过以上措施补偿零件的来料误差和整个机械臂到夹具的误差，实现在三维空间中的对位，完成零件的柔性冗余配合装配；再通过两个机械臂的协同运动，主动臂与从动臂实时互换，实现装配半成品在空间中的翻转，取消翻转工装，并且可以通过机械臂各关节的旋转，调整工作范围，实现快速换型或补料，提高装配效率。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种基于双臂机器人的零件装配系统，其特征在于，包括：

底座；

设置在底座上的上料机构，其用于放置待装配的零件；

设置在底座上的双臂机器人，其用于装配零件，及，

设置在双臂机器人上的视觉识别系统，其用于对待装配零件进行三维重建，以采集装配位置信息并发送至所述双臂机器人。

2.如权利要求1所述的基于双臂机器人的零件装配系统，其特征在于，所述上料机构包括：

与待装配零件形状匹配的仿形凹槽，设置在上料机构上，其用于放置待装配零件；

设置在上料机构上的快速定位装置，其用于对上料机构和待装配零件快速定位。

3.如权利要求2所述的基于双臂机器人的零件装配系统，其特征在于，所述底座上设置有第一定位孔；每个所述待装配零件上至少设置有一个第二定位孔；所述快速定位装置包括：

与第一定位孔配合的第一定位销，设置在上料机构上，其用于对上料机构快速定位；

与第二定位孔配合的第二定位销，设置在上料机构上，其用于对待装配零件快速定位。

4.如权利要求1所述的基于双臂机器人的零件装配系统，其特征在于，所述双臂机器人包括：

设置在底座上的机器人主体；

设置在机器人主体两侧各一个的机械臂，其用于夹取待装配的零件；

设置在机器人主体上的控制器，其分别与机械臂和视觉识别系统连接，用于控制机械臂的运动。

5.如权利要求4所述的基于双臂机器人的零件装配系统，其特征在于，所述机械臂由多个旋转关节连接构成，其还包括：

与旋转关节一一对应的多个旋转关节电机，其与控制器连接，用于调节旋转关节的位置；

设置在机械臂末端的柔性装配夹具，其材质为弹性材料，用于吸附异形薄壁零件，以使零件能够微小移动和摆动；

设置在机械臂末端的多维力传感器，其与控制器连接，用于测量机械臂末端柔性装配夹具与零件的接触压力。

6.如权利要求5所述的基于双臂机器人的零件装配系统，其特征在于，所述控制器包括：

位置控制环，其用于将接收自多维力传感器的接触压力信号转化为机械臂末端位置信号；

转矩控制环，其用于根据位置控制环发出的机械臂末端位置信号调整旋转关节电机的转矩。

7.如权利要求4所述的基于双臂机器人的零件装配系统，其特征在于，所述视觉识别系统包括：

视觉识别系统支架；

设置在视觉识别系统支架上的双目视觉相机，其与控制器连接，用于采集待装配零件的图像信息；

设置在视觉识别系统支架上的一个激光测距传感器，其与控制器连接，用于采集待装配零件的位置信息。

8.一种基于双臂机器人的零件装配方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1：零件识别：由双目视觉相机对装配半成品采集图像信息并传递给控制器，控制器控制机械臂运动到装配半成品上方；

步骤2：零件抓取：双臂机器人的两个机械臂分为主动臂和从动臂，控制器能够实时控制机械臂进行主动臂和从动臂的互换；控制器控制从动臂通过柔性装配夹具夹住装配半成品并悬空，等待组合装配；

步骤3：精确定位：控制器控制主动臂和从动臂上下翻转装配半成品，以将装配半成品底面朝上；并通过双目视觉相机所采集的图像信息与激光距离传感器所采集的位置信息对装配半成品进行冗余约束点的三维物体重建，精确定位每个冗余约束点的位置；

步骤4：组合装配：控制器控制主动臂夹住待装配零件并取出；并根据冗余约束点的精确位置信息，进行待装配零件和装配半成品的组合装配；组合装配过程中，控制器根据多维力传感器的信号，调整机械臂的接触压力和位置，进行力和位置的混合控制，结合柔性装配夹具使待装配零件在一定范围内微小移动和摆动，实现各冗余约束点的一次装配到位。

9.如权利要求8所述的基于双臂机器人的零件装配方法，其特征在于，所述上下翻转装配半成品的方法具体为：

步骤A1：控制器控制从动臂从背面夹住装配半成品，并同时控制主动臂从装配半成品的正面进行夹住；

步骤A2：装配半成品完全夹住后，控制器控制主动臂和从动臂将装配半成品的正面与背面的翻转；

步骤A3：装配半成品翻转后，控制器控制主动臂和从动臂互换，并控制主动臂放开装配半成品。

10.如权利要求8所述的基于双臂机器人的零件装配方法，其特征在于，所述三维物体重建的方法具体为：

步骤B1：控制器对双目视觉相机所采集的图像信息进行梯度边缘计算；

步骤B2：控制器根据激光测距传感器所采集的位置信息对图像信息的边缘点进行三维重建；

步骤B3：控制器对未重建的点根据周围的边缘点拟合三维坐标。