一种基于阻抗控制的法兰柔性装配对准方法及系统与流程

本发明涉及机器人柔性装配，具体涉及一种基于阻抗控制的法兰柔性装配对准方法及系统。

背景技术：

1、法兰柔性装配在工业制造与自动化生产中具有重要的应用价值，其装配质量直接关系到机械设备的密封性能与运行稳定性。随着工业自动化水平的不断提升，机器人被普遍应用于法兰装配作业中。然而，法兰装配过程涉及复杂的接触状态演变，特别是在旋转搜孔与孔位咬合阶段，末端执行器与法兰密封面及孔壁之间存在强烈的非线性摩擦与几何约束，对机器人的力控精度与自适应能力提出了极高要求。

2、申请公布号为cn117885102a 的中国专利申请文件公开了一种基于自适应阻抗控制的双机器人协同装配方法及系统，通过在双机器人机械臂末端夹爪分别安装六维力传感器采集接触力信号，经滤波和重力补偿处理后，建立基于位置的阻抗控制模型与模糊控制器，利用模糊控制器根据实时接触力对阻抗控制模型的惯性和阻尼参数进行自适应调节，最终实现断路器的柔性装配。上述技术方案通过模糊自适应律补偿环境位置不确定度，在一定程度上解决了传统定阻抗控制的力跟踪误差问题，提升了断路器轴孔类零件的装配精度与效率。

3、然而，上述技术方案主要针对断路器小型轴孔零件的双机器人协同装配场景设计，其阻抗参数调节仅依赖于力误差及其变化率的模糊推理，未考虑装配过程中接触状态的动态演变规律，也未对不同装配阶段的控制需求进行针对性区分。在法兰装配这类涉及大尺寸密封面旋转搜孔与孔位咬合的复杂工况下，该方案无法有效识别预咬合与完全咬合等关键接触状态节点，也难以实现切向刚度与法向阻尼的精准反向联动调节。

4、现有的机器人装配系统多采用固定参数的阻抗控制或导纳控制方案，难以适应装配过程中接触状态的动态变化。在旋转搜孔阶段，为了保护法兰密封面免受划伤并顺畅滑动，需要系统具备较高的切向柔顺性，而在孔位咬合瞬间，销轴与孔壁发生剧烈碰撞，为了防止末端执行器产生剧烈弹跳或振荡失稳，又要求系统具备较高的法向阻尼与刚度。固定参数的阻抗控制方案无法同时兼顾这两种截然相反的控制需求，导致在搜孔阶段容易因刚度过大而损伤密封面，或在咬合阶段因阻尼不足而引发装配失败。

5、此外，现有的接触状态判别方法往往依赖于简单的力阈值设定，容易受到法兰表面微观不平度引起的高频摩擦噪声干扰，导致误判孔位咬合状态。同时，由于缺乏对实际工况下摩擦特性的准确感知，控制参数的设定往往依赖人工经验，难以适应不同材料与表面状态的法兰装配需求。因此，如何准确识别装配过程中的接触状态演变，并据此自适应调节阻抗控制参数以兼顾搜孔柔顺性与咬合稳定性，成为当前法兰柔性装配领域亟待解决的核心技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于阻抗控制的法兰柔性装配对准方法及系统，以解决现有法兰装配过程中固定参数阻抗控制无法兼顾搜孔柔顺性与咬合稳定性以及接触状态判别易受摩擦噪声干扰的技术问题。

2、为解决上述问题，本发明提供的一种基于阻抗控制的法兰柔性装配对准方法的技术方案是：

3、一种基于阻抗控制的法兰柔性装配对准方法，包括：

4、s1、获取待装配法兰的点云数据并提取几何特征以估计初始位姿变换矩阵，基于初始位姿变换矩阵控制机器人末端执行器进行粗对准，并在法兰密封面平滑区域执行切向滑动测试以标定实际静摩擦系数；

5、s2、控制机器人末端执行器在法兰密封面执行空载旋转标定，采集切向合力时序信号并进行时频分析，计算低频能量与高频能量的比值作为接触状态判别指标，基于接触状态判别指标的统计特征设定动态阈值；控制机器人末端执行器进行正式旋转搜孔，实时计算当前时刻的接触状态判别指标，在当前时刻的接触状态判别指标超过所述动态阈值时判定进入预咬合状态；

6、s3、在预咬合状态下，实时计算切向合力的模与法向力的比值作为摩擦状态估计量，基于摩擦状态估计量与实际静摩擦系数的比较结果，同步自适应调节阻抗控制器的切向刚度分量和法向阻尼分量；

7、s4、基于摩擦状态估计量和切向合力的变化趋势判定孔位咬合成功，切换至插入模式完成法兰装配。

8、通过执行本发明提供的方法步骤，本发明将接触力信号分解为低频几何约束成分与高频摩擦噪声成分，实现了对接触状态演变关键节点的准确识别，并通过摩擦状态估计量驱动切向刚度与法向阻尼的反向联动调节，在同一阻抗控制框架内化解了旋转搜孔与孔位咬合两阶段控制需求的矛盾，实现了密封面保护与装配可靠性的协同保障。

9、优选的，获取待装配法兰的点云数据并提取几何特征以估计初始位姿变换矩阵，包括：对待装配法兰进行三维扫描获取点云数据，对点云数据执行平面拟合操作，提取平面的法向量作为法兰坐标系的z轴方向；在点云数据中执行圆形特征检测，定位各螺栓孔的圆心坐标，将检测到的多个圆心坐标进行圆拟合，获取螺栓孔节圆的圆心位置作为法兰坐标系的原点，完成法兰坐标系相对于机器人基坐标系的初始位姿变换矩阵的估计。

10、本发明能够准确建立法兰与机器人基坐标系之间的空间变换关系，保证粗对准的精度。优选的，所述实际静摩擦系数的获取方法包括：基于初始位姿变换矩阵规划末端执行器的粗对准运动轨迹，粗对准完成后切换至力控模式，控制末端执行器在法兰密封面平滑区域执行切向滑动测试，采集切向力与法向力的稳态比值，取稳态比值的峰值作为实际静摩擦系数。

11、本发明能够有效避免孔边缘几何突变对测量结果的干扰，得到的静摩擦系数能够真实反映当前接触表面的摩擦特性，为后续阻抗参数的自适应调节提供准确的物理依据。

12、优选的，所述动态阈值的获取方法包括：控制机器人末端执行器与法兰密封面保持轻接触并在无孔位约束的平滑区域旋转，持续采集切向合力时序信号；对切向合力时序信号执行短时傅里叶变换，分别计算低频频段内的功率谱积分作为低频能量以及高频频段内的功率谱积分作为高频能量，将低频能量与高频能量的比值定义为接触状态判别指标；对整个旋转周期内的接触状态判别指标组成的序列进行统计分析获取均值与标准差，将均值与预设倍数的标准差之和设定为动态阈值。

13、通过执行空载旋转标定并利用时频分析提取低频与高频能量比值，本发明能够有效滤除法兰密封面客观存在的表面粗糙度引起的高频摩擦噪声干扰，建立起适应当前实际工况的动态阈值基准，从而提升了后续正式搜孔过程中预咬合状态判定的稳定性与准确性。

14、优选的，基于摩擦状态估计量与实际静摩擦系数的比较结果，同步自适应调节阻抗控制器的切向刚度分量和法向阻尼分量，包括：根据摩擦状态估计量与实际静摩擦系数的比值，控制切向刚度分量从初始切向刚度基准值平滑下降至最小刚度保留比与初始切向刚度基准值的乘积；根据摩擦状态估计量与实际静摩擦系数的比值，控制法向阻尼分量从初始法向阻尼基准值同步增大，最大增益受控于最大阻尼增益倍数；将调节后的切向刚度分量和法向阻尼分量共同作用于阻抗控制器的核心动力学方程。

15、通过基于实时摩擦状态估计量对切向刚度进行平滑降维调节并对法向阻尼进行同步增益调节，本发明使得末端执行器在接近孔位时切向柔顺性逐渐增大以避免横向推力过载，同时在咬合瞬间具备充足的法向能量耗散能力以抑制弹跳，契合了复杂装配过程的动态力学需求。

16、优选的，在同步自适应调节阻抗控制器的切向刚度分量和法向阻尼分量之前，还包括：对摩擦状态估计量执行一阶低通滤波处理得到滤波后的摩擦状态估计量；将滤波后的摩擦状态估计量代入切向刚度分量与法向阻尼分量的调节关系式，实时更新阻抗参数矩阵并将其写入阻抗控制器的内部寄存器。

17、优选的，基于摩擦状态估计量和切向合力的变化趋势判定孔位咬合成功，包括：基于当前旋转角速度与螺栓孔直径，计算机器人末端执行器夹持的销轴扫过单个孔位特征区域的理论时间，基于理论时间设定咬合确认的时间窗长度；当摩擦状态估计量在连续的时间窗内维持在实际静摩擦系数的预设比例以上，并且测量的切向合力出现单调下降趋势时，判定孔位咬合成功。

18、优选的，切换至插入模式完成法兰装配，包括：判定孔位咬合成功后退出旋转搜孔模式，切换至位置控制主导的插入模式，沿法兰轴线方向施加受控的插入力；在插入过程中持续监测法向力与三轴力矩，计算横向倾覆力矩与轴向力矩的比值作为力矩不平衡度指标；当力矩不平衡度指标超出预设的不平衡度阈值时触发微调补偿动作，根据力矩偏差方向修正末端执行器姿态，直至力矩不平衡度指标回落至不平衡度阈值以下。

19、通过在插入阶段实时计算力矩不平衡度指标并触发微调补偿动作，本发明能够精准量化并纠正销轴轴线与孔轴线之间的空间偏斜，有效防止了因姿态不对中导致的孔壁拉伤或销轴卡滞现象，大幅提高了最终装配的对中质量与安全性。

20、优选的，在控制机器人末端执行器进行正式旋转搜孔之后，还包括：若在连续旋转预设周数后仍未检测到接触状态判别指标超过动态阈值，判定视觉粗对准偏差过大或法兰表面存在异常遮挡，自动触发二次视觉扫描与位姿修正流程重新估计初始位姿变换矩阵；若在插入过程中法向力超过预设的安全上限，立即停止插入动作并输出装配失败信号。

21、本发明提供的一种基于阻抗控制的法兰柔性装配对准系统的技术方案是：

22、一种基于阻抗控制的法兰柔性装配对准系统，包括处理器和存储器，存储器存储有计算机程序指令，当计算机程序指令被处理器执行时，实现上述任意一项技术方案中所述的基于阻抗控制的法兰柔性装配对准方法。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

24、本发明通过现场标定实际静摩擦系数与空载基线，构建了贴合当前真实物理工况的动态感知基准，避免了对理论经验值的盲目依赖，使得整个装配过程的力觉感知与状态判别更加敏锐且抗干扰能力强。此外，本发明将摩擦状态估计量作为阻抗参数自适应调节的底层驱动力，实现了切向刚度与法向阻尼的精准反向联动，赋予了机器人末端在搜孔阶段的高度切向柔顺性与咬合瞬间的充足法向耗散能力，在同一控制框架内化解了两阶段截然相反的控制需求。