[发明专利]基于操作意图识别的变导纳辅助大部件装配方法及系统

说明书

本发明涉及利用重载工业机器人进行大尺寸部件人机交互装配的领域，提供了一种基于操作意图识别的变导纳辅助大部件装配方法及系统，变导纳柔顺辅助装配方法包括：考虑抑制系统惯性与人机交互工作柔顺性，优化定导纳控制方法，搭建基于人类操作意图识别的变导纳控制模型；结合导纳系数对控制的影响，设计选取导纳系数的实验方案，分析变导纳控制特性；针对辅助装配不同阶段的要求，定制自由空间与约束空间下相应的机器人末端运动规则；基于机器人的安全工作空间，建立虚限位壁限制拖拽范围。本发明的方法，操作柔顺性好、克服惯性能力强，同时考虑了重载机器人在自由空间与约束空间下进行大部件辅助装配的应用，实用性及通用性好。

技术领域

本发明涉及领域为G05D：非电变量的控制或调节系统，具体涉及基于操作意图识别的变导纳辅助大部件装配方法及系统。

背景技术

随着航空制造自动化程度的要求不断提高，各大飞机制造公司都先后开始了将工业机器人应用于飞机自动装配的研究，旨在提高装配精度及装配安全性。合理的柔顺控制方法不仅可以保证协作任务的安全和高效，还能大大减轻人类在任务中的负担。机器人主动顺应控制分为阻抗控制、导纳控制、位置力混合控制等。导纳控制相比其他两种方式具有对环境要求不高、不依赖机器人动力学模型的特点，能够提高重载工业机器人在人机交互过程中的顺应性与安全性。虽然机器人在导纳控制下能顺应人手操作，但是由于重载工业机器人本身惯性大的特点，针对一些特殊情况如突然加减速、装配件接触、机器人运动超出安全工作空间等，仍会造成装配不稳定与不安全。

由于固定导纳控制模型难以适应时变的运动状态，人机交互的安全性和舒适度欠佳。中国专利“CN111390877A，一种外骨骼装置及外骨骼变导纳控制方法”，采用虚拟阻抗与虚拟刚度成比例调整的策略，达到可变导纳控制的目的。该专利方案中导纳调整策略仍较为僵硬，忽略了惯性对系统的影响，也未考虑操作员的舒适度，对于一些特殊情况如机器人的启停、突然改变方向等仍会因惯性导致动作不柔顺或系统不稳定。且其设计的基于机械结构的硬限位和基于红外光电传感器的软限位的安全区间是依靠硬件装置实现的，未在软件层面上进行判断与保护。中国专利“CN111660306A，一种基于操作者舒适度的机器人可变导纳控制方法及系统”，根据考虑了操作员舒适度的虚阻尼调整策略构建机器人六自由度导纳控制模型，由该导纳控制模型获取的交互力与期望力间的偏差力可修正机器人末端的位置、速度以及加速度。然而上述专利方案中对舒适力并未做定义，仅以一种舒适力对拖拽的不同情况进行控制，难以满足操作者对舒适力的要求，且其根据操作者舒适力生成的虚阻尼调整策略是通过机器人运动速度进行系数控制，这不仅需要在运动初期施加更大的力，停止机器人时也会较慢，导致系统惯性较大，会造成安全隐患。此外该系统仅考虑了调整虚拟阻尼值，忽略了虚拟质量对系统的影响，易影响系统极点后出现不稳定现象。于是针对现有技术中的人机交互型机器人不能快速灵敏的响应操作者意图的缺陷，中国专利“CN109910005A，用于机器人的变导纳控制方法以及系统”，设计了在人类纯加速与纯减速意图下各导纳系数的控制规律，但其未考虑在反向意图阶段机器人由减速变为加速过程导致的导纳系数突变对系统运动状态的影响，也未考虑在机器人速度较大或人类希望机器人停止运动等情况下对系统惯性的抑制，控制稳定性与安全性较差。且其设置的安全措施为当拖拽的运动速度超过一定值时，控制机器人强制停止，该设置不仅使操作舒适度减低，且突然停止的发生会使操作员不能及时反应，出于惯性仍会继续拖拽部件，从而易对传感器造成损害。同时，该系统仅考虑了自由空间下的人机交互，未涉及约束空间下的情况，工程应用较弱。硕士论文“飞机襟翼机器人辅助装配柔顺控制技术”提出了考虑自由空间与无轨约束空间中基于人类意图识别的变导纳控制方法，然而忽略了系统惯性对拖拽大负载部件的影响，未对系统惯性进行有效抑制，使改变机器人运动状态较为迟钝，系统柔顺性较低，同时其未考虑重载机器人的安全工作空间问题，存在较大安全隐患。

综上，现有控制方案中对重载机器人的惯性抑制不明显，对导纳系数的设定难以满足大负载情况下准确跟踪操作意图的变化，系统操作舒适度及安全度较低。

发明内容

发明目的：本发明提出基于操作意图识别的变导纳辅助大部件装配方法，以解决现有技术存在的上述问题。