本發明屬于自動化控制技術領域，尤其是一種手機電池自動化裝配系統及其控制方法。

背景技術：

在3C行業中，手機電池的裝配是一個重要的環節，人的視覺、觸覺等感覺通過大腦智慧的引導，在裝配過程中得到了充分發揮。但據相關資料顯示，傳統的工業生產中，從事裝配工作的操作人員占全部工業生產勞動力的半數以上，而且通過對典型產品所需要的裝配工時統計發現，裝配工序所用的時間占總生產時間的50％以上，花費在裝配生產線上的成本支出占生產總成本的30％以上。因此，現代工業的發展必須解決自動裝配技術的瓶頸，實現自動裝配技術的跨越發展，讓其成為現代工業技術發展的助推器。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種手機電池自動化裝配系統及其控制方法，解決人工裝配效率低的問題

本發明解決其技術問題是采取以下技術方案實現的：

一種手機電池自動化裝配系統，包括系統主機、視覺感知系統、力覺感知系統和執行系統，所述執行系統包括機器人和機器人控制器，所述視覺感知系統安裝在工作臺上方，所述力覺感知系統安裝在機器人的末端，所述力覺感知系統、視覺感知系統通過數據線與系統主機相連接，所述系統主機通過雙絞線與機器人控制器相連接，所述機器人控制器通過現場總線與機器人相連接，所述機器人安裝在工作臺的一側，在工作臺上安裝有傳送帶，系統主機通過機器人控制器控制機器人從取料點抓取電池并將其移動到工作臺上實現手機電池的自動裝配功能。

所述機器人采用六自由度串聯機器人。

所述視覺感知系統由光源和工業攝像機構成。

所述力覺感知系統采用六維力傳感器。

一種手機電池自動化裝配系統的控制方法，包括以下步驟：

步驟1、視覺感知系統采集現場圖像，確定手機電池初始位置并向系統主機發送位置信息；

步驟2、系統主機接收位置數據，向執行系統發出運動指令；

步驟3、執行系統夾持工件，并且先快后慢地接近裝配位置目標點；

步驟4、執行系統接近手機電池，力覺感知系統進行受力分析并向系統主機發送受力信息；

步驟5、系統主機根據力反饋的大小和方向確定機器人的運動方向并調整位姿，循環執行以上步驟實現手機電池自動化裝配功能。

本發明的優點和積極效果是：

1、本發明將工業機器人、視覺感知系統和力覺感知系統集成在一起，通過各種傳感器對裝配環境進行識別和感知，主動地完成裝配任務，通過加入傳感技術，機器人在預定目標點出現誤差等情況時，能夠自主完成裝配誤差和定位誤差的補償，有效地解決了人工裝配效率不高的問題，提高了工作效率。

2、本發明采用多自由度串聯型機械臂；建立基于機器視覺的智能檢測系統，基于機器人運動學與動力學的模型，構建柔順控制系統模型，實現基于視覺信息反饋的精確運動軌跡規劃，突破機器視覺、阻抗控制算法、運動學建模、精確路徑規劃等關鍵技術，實現基于機器視覺和阻抗控制的手機電池裝配自動化設備的實用化和商品化。

附圖說明

圖1為本發明的系統連接示意圖；

圖2為本發明的系統控制關系示意圖；

圖3為本發明的設備安裝位置示意圖；

圖4為本發明的控制方法流程圖；

圖5為本發明的圖像處理與分析處理示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明實施例做進一步詳述：

一種于視覺技術與阻抗控制的手機電池自動化裝配系統，如圖1至圖3所示，包括系統主機、視覺感知系統、力覺感知系統和執行系統。所述執行系統包括機器人及機器人控制器，所述機器人控制器安裝在控制柜內，所述機器人安裝在工作臺的一側，在工作臺上安裝有傳送帶，傳送帶上放置有手機，機器人控制器控制機器人從取料點抓取電池并將其移動到工作臺上實現手機電池的裝配功能。所述視覺感知系統安裝在工作臺上方，所述力覺感知系統安裝在機器人的末端，所述力覺感知系統、視覺感知系統通過數據線與系統主機相連接，系統主機通過雙絞線與控制器相連接，控制器通過現場總線與機器人相連接。

在本實施例中，機器人采用六自由度串聯機器人，最大承載能力為3KG，具備柔順操作系統所需要的高精度、易操作、多功能等特點；所述機器人控制器是與六自由度串聯機器人相對應的控制裝置，該機器人控制器與系統主機相連接并在系統主機的控制下實現對機器人控制功能。上述機器人及控制器配套使用且均為市售產品。

所述視覺感知系統包括光源和工業攝像機，在本實施例中，采用工業攝像機作為視覺傳感器，其CMOS或CCD傳感器將圖像轉換成傳感器信號并輸出數字信號，工業攝像機內置有圖像處理模塊并實現圖像的灰度化、圖像的二值化、圖像輪廓的提取以及中心點生成等功能，得到位置數據，最后傳輸給系統主機。在本裝配系統中，視覺感知系統的主要任務是檢測工件位置信息；根據裝配方案的規劃，在裝配過程的初始階段，視覺傳感器需要對工件進行圖像采集，然后通過處理得到工件的位置信息，再輸送給系統主機。

所述力覺感知系統采用安裝在機器人末端的六維力傳感器作為力覺傳感器，其將檢測到的電信號采集并傳送給系統主機。所述機器人末端的六維力傳感器信息需要由傳感器坐標系變換為機器人工具坐標系，由此可以通過傳感器的力信息反饋得到系統主機中裝配工件之間的接觸作用力信息。力覺傳感器系統分析接觸力的規律主要是通過機器人末端的六維力傳感器分支上各單維力傳感器檢測外部信號，由于傳感器輸出的力信號存在著噪聲，采用移動平均值濾波法做濾波處理，將檢測到的電信號經過放大裝置和數據采集裝置傳輸給系統主機，然后由系統主機對采集到的數字信號進行相應的計算和處理，進而得到機器人末端的三維空間力和力矩信息。

所述系統主機是整個系統的控制中心，協調各個環節的動作順序和信息傳遞。整個裝配過程中，系統主機感知視覺傳感器和力覺傳感器反饋的裝配狀態，系統主機通過處理傳感信息，向執行系統發出運動控制指令，由執行系統完成相應的動作，同時感知系統會實時檢測裝配狀態，反饋給集成控制系統做出適當調整，直到最終達到裝配的目標位置。

在本實施例中，系統主機內設有軟件集成系統，實現傳感信息的采集、處理以及力控制功能，傳感信息采集是依據多個傳感器來完成對外界環境信息的采集和處理，如完成視覺和力覺等傳感信息的采集和處理工作。視覺和力覺的信息來源和信號不同，采集和處理過程中要對其進行識別和分析，以便提供相應的控制信息。所述力控制功能是根據力傳感器所采集的信息來完成控制過程，力控制功能的主要內容就是：系統主機根據接觸受力情況識別出裝配狀態，然后根據設定的算法得到裝配位姿偏差，最后夾持工件調整位姿，完成裝配。

本發明的手機電池自動化裝配過程如下：六自由度串聯機器人運動到取料點——打開機器人末端的真空泵——吸取手機電池——運動到手機與電池的裝配點處，六自由度串聯機器人下降——通過阻抗控制算法修正微小的位置誤差——裝配電池——運動到取料點開始下一輪循環。

一種手機電池自動化裝配系統的控制方法，如圖4所示，包括以下步驟：

步驟1、視覺感知系統采集現場圖像，確定工件初始位置并向系統主機發送位置信息。

在本步驟中，視覺感知系統首先需要進行圖像檢測與識別，其具體方法為：通過CCD對電池進行拍攝后，找出電池的位姿，并判斷該電池是否與模型匹配，包括：檢測電池的尺寸，識別出圖像的真實大小；確認電池是否處于正確的裝配狀態中，并確認沒有任何的損壞。在進行檢測時，先對電池進行定位。定位后，進行特征抽取，最后進行特征匹配，得出電池的特征值。對電池的尺寸的檢測采用投影圖法，通過投影圖可識別出圖像的真實尺寸，進而與模型匹配，判斷電池是否合格。

然后，視覺感知系統進行圖像處理與分析過程，如圖5所示，具體方法為：首先進行圖片的灰度化處理，將彩色圖片變為黑白圖像；進而用閾值判別法對圖像進行二值化處理，采用OTSU算法確定閾值進行二值化。OTSU算法是一種自適應計算單閾值的方法，簡單高效，該方法以最佳門限將圖像灰度直方圖劃分成目標和背景兩部分，使兩部分類間方差取最大值，即分離性最大。最后進行零件的特征提取，由于手機電池是由方形這個簡單的幾何形狀構成，所以可以通過幾何形狀特征識別出電池，即采用方形形狀的矩形度、面積和周長等特征識別出待抓取零件。

視覺感知系統可以利用工業攝像機附帶的SDK控制攝像機完成視覺信息數據的采集工作，通過攝像頭所帶的函數庫進行圖像的數據采集工作。本視覺感知系統采用Eye-to-hand單目視覺感知系統，工業攝像機通過攝像頭采集電池的位置圖像需要進行圖像處理，考慮到相機采集圖像過程中有噪聲的存在，所以首先對采集到的圖像進行高斯平滑的預處理，以減少噪聲的影響，然后再進行其它處理。

步驟2、系統主機接收位置數據，向執行系統發出運動指令。

步驟3、執行系統夾持工件，并且先快后慢地接近裝配位置目標點。

機器人接到運動命令后，進行插補、求反解等運算，然后生成運動文件，通過控制器和伺服系統驅動運動單元，最終控制機器人以一定的速度運動。當機器人運動到某一位置并將要與外界環境接觸時，力覺感知系統開始實時監測機器人末端的受力情況，一旦有接觸力出現，系統主機內部則會根據力反饋策略將接觸力信息轉換成機械手的位姿偏差信息，從而計算出機器人末端的相應位置，循環上述過程，最終實現對機器人末端位姿的調整和校正。

步驟4、執行系統裝配手機電池，力覺感知系統進行受力分析并向系統主機發送受力信息。

在本步驟中，機器人在進行力控制時，實時檢測機器人末端位置和接觸力，根據反饋位置和期望阻抗模型產生期望力輸出，取期望力與實際接觸力之差，加上由計算力矩法補償機器人動力學模型非線性的控制力矩作為關節驅動力，使機器人系統表現為期望的阻抗模型特征，機器人末端表現出的阻抗特性是根據接觸力大小直接控制機器人關節驅動力矩實現。最后生成運動文件以控制機器人運動。

步驟5、系統主機根據力反饋的大小和方向確定機器人的運動方向并調整位姿。

循環執行以上步驟實現手機電池自動化裝配功能。

本發明在實際工作時，首先需要在系統主機上輸入程序命令，計算機將命令編譯后下達給機器人進行位置控制。然后在機器人運動過程中六維力傳感器對機器人末端受力情況進行實時檢測，將檢測信息進行濾波、去干擾、放大等處理，然后經過數據總線傳輸給系統主機，系統主機會將這些力數據整合通過設置好的控制程序進行反饋控制，從而機器人根據采集到的三維空間全力信息進行位置控制，驅動機器人的下一步運動，完成柔順性控制。

需要強調的是，本發明所述的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發明包括并不限于具體實施方式中所述的實施例，凡是由本領域技術人員根據本發明的技術方案得出的其他實施方式，同樣屬于本發明保護的范圍。