通过力觉控制实现精准装配的自动双头插线装置及方法与流程

1.本发明涉及线缆装配技术领域，特别是一种通过力觉控制实现精准装配的自动双头插线装置及方法。


背景技术：

2.在线缆装配的过程中，有很大一部分的工程量是将控制器各种线缆插入控制电路板上对应的连接器内，以便实现对如电梯等设备的控制。传统的配线工序是通过人工完成的，工人需要将布线板安装在指定的架子上，根据设计好的电气连接图将线缆逐一插入相应的连接器并按规定的线路布线。这种人工操作的方法，完全依赖于工人插线的熟练程度。效率低下，劳动强度高，而且很可能由于工人的疏忽导致插线错误，不符合当今企业发展对工业智能化的要求。如果可以用自动化设备代替人工插线，将会大大提高企业生产的效率，提高装配的精度。
3.目前，国内外已经开展了一系列机器人自动配线方法的研究。于飞等首次提出了机器人自动插柔性细导线端子的方法，他们将力学传感器技术与视觉检测技术结合，实现了插线前端子轴向角度的调整与插线完成的检测。但是该技术没有考虑到柔性端子存在与连接器孔对准困难的问题，仅仅通过示教手段完成插线，一旦连接器位置发生变化就会导致插线失败。而且该方案夹线夹爪尺寸庞大，设计复杂，实际的电路布线板通常没有这么大的布线空间，夹爪容易与布线板发生干涉。刘志伟等研究的一种电子插接件插线定位装置，提出了可以用电控小车控制连接器靠近待插线缆，但是该方案需要手动将线缆放置到插线装置上，自动化程度较低。还有竹内匡弘等设计的自动插线装置，通过传感器的初始定位和ccd拍摄线材端面轮廓进行位置补正将线缆插接到预定位置的连接器上，但该设计只能完成线缆的单头插线，而且要求线缆端子摆放在较为合适的初始位置。
4.国外在配线领域的研究主要涉及这些方向，一是光纤线缆的自动配线。如以色列fiberzone公司研发的自动插线设备afm，它通过独特的双层棋盘格设计，可以实现任意线路的快速换接，而且线缆之间不会发生缠绕。但是该设计需要定制专门的连接器转接口，制作成本高，而且不利于线路的重新设计。二是将线缆的裁剪、剥线和接线一体化的配线设备。如意大利systemrobot公司设计的自动布线系统，它的机器人末端由线缆存储盒、送线机构和剥线切线机构组成，结构紧凑，插线效率高。但是该设计主要适用于照明电路等通过线芯与连接器插接的场景，无法适应复杂端子与连接器孔在轴向角度与位置的高精度要求。还有一部分研究是通过视觉和力学算法的结合来满足插线的精度，如brad hammer设计的一种移动操作手，但这些算法还是把插线过程归结到简单的柔性线缆轴孔装配问题上，与实际的配线过程仍存在着较大差距。
5.综上，虽然国内外针对线缆装配问题设计了一系列自动化设备，但是大多数设备都存在尺寸庞大或者精度不足等问题。对于电梯等设备配线领域，柔性线缆端子在电路板上的双头插线和布线这一技术问题，尚无实际解决方案。


技术实现要素：

6.本发明的第一目的在于解决现有技术的不足，提出一种通过力觉控制实现精准装配的自动双头插线装置，可以完成一根线缆从取线、插入线缆其中一端、布线和插入线缆的另一端的全过程，能够满足工厂生产的自动化要求。
7.本发明的第二目的在于提出一种通过力觉控制实现精准装配的自动双头插线方法。
8.本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种通过力觉控制实现精准装配的自动双头插线装置，包括上位控制系统、多轴联动机器人、夹线机构、连接器安装架、运动平台和插线辅助机构，多轴联动机器人、含有力传感器的夹线机构、运动平台和插线辅助机构分别连接上位控制系统，并由上位控制系统控制；连接器安装架相邻于运动平台，连接器安装架设有待插线的连接器；
9.夹线机构安装在多轴联动机器人上并随多轴联动机器人的移动而移动，夹线机构用于夹持待插线缆进入插线辅助机构及连接器的接线孔；
10.插线辅助机构安装在运动平台上并随着运动平台在水平方向和竖直方向上移动，插线辅助机构用于供待插线缆插入，通过旋转来带动待插插线旋转，以调整线缆末端上的端子的姿态，通过在运动平台的带动下移动至连接器并对准连接器的接线孔，以引导待插线缆末端上的端子插入连接器的接线孔中；
11.上位控制系统用于根据力传感器采集的端子入孔过程中的力反馈信息来判断端子是否顺利入孔及是否插紧。
12.优选的，夹线机构包括上法兰、双目相机架、双目相机、光源、力传感器、下法兰、气动手指、左夹爪和右夹爪；
13.其中，上法兰安装在双目相机架上，并且上法兰的一端与多轴联动机器人的法兰盘相连接，另一端与力传感器、下法兰和气动手指依次连接；双目相机和光源均安装于双目相机架，左夹爪和右夹爪均安装在气动手指上；双目相机、力传感器、光源和气动手指分别连接上位控制系统，双目相机和力传感器均向上位控制系统发送采集的数据，上位控制系统通过气动手指驱动左、右夹爪共同夹取线缆。
14.优选的，连接器安装架包括布线板、分别安装在布线板上的连接器和弹性限位线夹，连接器分为第一连接器和第二连接器，第一连接器用于插入线缆其中一端上的第一端端子，第二连接器用于插入线缆另一端上的第二端端子，弹性限位线夹用于夹紧线缆以限制线缆移动。
15.优选的，运动平台包括模组底座、两个竖直方向直线模组、水平方向直线模组、过渡板、传动轴、第一电机和第二电机；
16.其中，两个竖直方向直线模组安装在模组底座上，第一电机安装在其中一个竖直方向直线模组上，上位控制系统连接并控制第一电机，第一电机通过传动轴与平行的两个竖直方向直线模组传动连接，且通过传动轴同时驱动两个竖直方向直线模组；
17.水平方向直线模组安装在竖直方向直线模组的滑块上，并由竖直方向直线模组带动其竖直移动；第二电机安装在水平方向直线模组上，上位控制系统通过第二电机连接并驱动水平方向直线模组；
18.插线辅助机构包括线缆姿态限制机构、线缆角度旋转调整机构和线孔装配导向机
构，线缆姿态限制机构、线缆角度旋转调整机构和线孔装配导向机构均安装在过渡板上并且前后依次排列，三者通过过渡板安装在水平方向直线模组的滑块上，进而在水平方向直线模组上做水平移动。
19.更进一步的，线缆姿态限制机构包括固定架、第一夹爪气缸和左、右限制块，第一夹爪气缸通过固定架安装在过渡板上，左、右限制块分别安装在第一夹爪气缸的左、右滑块上，左、右限制块在顶端还设有梳齿型结构；
20.第一夹爪气缸连接上位控制系统，上位控制系统通过第一夹爪气缸驱动两个限制块合拢或分离；插线时，合拢的左、右限制块的梳齿型结构相互交叉，并共同合成可容纳待插线缆且尺寸大于待插线缆的第一插线槽。
21.更进一步的，线缆角度旋转调整机构包括第三电机、齿轮基架以及位于齿轮基架内的齿轮组、不完全齿轮、夹爪驱动机构和旋转夹爪，第三电机和夹爪驱动机构分别连接上位控制系统，并由上位控制系统控制工作状态；
22.齿轮组和不完全齿轮可旋转地安装于齿轮基架，不完全齿轮位于齿轮组上方并与齿轮组相互啮合，第三电机固定于齿轮基架，第三电机连接齿轮组并驱动齿轮组转动，进而带动不完全齿轮转动；
23.夹爪驱动机构固定于不完全齿轮，旋转夹爪连接于夹爪驱动机构，并由夹爪驱动机构驱动其旋转以靠近或远离不完全齿轮，也即使旋转夹爪闭合或打开；
24.不完全齿轮在其中心轴处还设有正v形结构，旋转夹爪设有倒v形结构；插线时，旋转夹爪闭合，其倒v形结构与不完全齿轮的正v形结构共同合成一可容纳待插线缆的第二插线槽，待插线缆位于该第二插线槽中并由旋转夹爪夹紧，且随不完全齿轮的旋转而旋转，以改变端子的姿态。
25.更进一步的，线孔装配导向机构包括前端支撑件、前推气缸、第二夹爪气缸、过渡件和左、右导向块，前端支撑件安装在过渡板上，前端支撑件上方按照从下往上顺序依次安装有前推气缸、过渡件和第二夹爪气缸，左、右导向块分别安装在第二夹爪气缸的左、右滑块上；
26.前推气缸和第二夹爪气缸分别连接上位控制系统，上位控制系统通过前推气缸带动两个导向块靠近或远离连接器，通过第二夹爪气缸带动两个导向块合拢或分离；
27.左、右导向块在前端还凸设有尺寸逐渐缩小到连接器接线孔大小的引导部，插线时，合拢的左、右导向块及引导部共同合成可容纳待插线缆且尺寸大于待插线缆的第三插线槽，合拢的两个引导部用于对准并抵接到连接器的接线孔。
28.优选的，所述装置还设有放线台，放线台设置在多轴联动机器人和运动平台周围，放线台安装有放线架，放线架设有成排的弹性定位线夹；待插线缆放置在放线台上，线缆其中一端上的第一端端子由弹性定位线夹夹紧，另一端上的第二端端子自由摆放。
29.本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种通过力觉控制实现精准装配的自动双头插线方法，所述方法基于本发明第一目的所述的通过力觉控制实现精准装配的自动双头插线装置，包括如下步骤：
30.s1、寻孔：在上位控制系统的控制下，运动平台将插线辅助机构移动到连接器安装架上待插线的连接器前，使插线辅助机构中的线孔装配导向机构对准连接器的接线孔；
31.s2、取线：在上位控制系统的控制下，夹线机构夹取待插线缆其中一端上的第一端
端子；
32.s3、插第一端端子：在上位控制系统的控制下，多轴联动机器人带动夹线机构移动，使待插线缆进入插线辅助机构中的线缆姿态限制机构、线缆角度旋转调整机构和线孔装配导向机构，其中，第一端端子的头部位于线孔装配导向机构中，尾部显露在线孔装配导向机构外；线缆角度旋转调整机构随即带动待插线缆旋转来调整第一端端子的姿态，使第一端端子与接线孔相匹配；
33.然后，夹线机构夹取待插线缆，线缆角度旋转调整机构松开待插线缆，多轴联动机器人随即带动夹线机构移动，使第一端端子通过线孔装配导向机构，并插入到连接器的接线孔中；
34.在第一端端子入孔的过程中，夹线机构的力传感器采集力反馈信息，上位控制系统根据力反馈信息来判断第一端端子是否顺利入孔及是否插紧，在无法顺利入孔和插紧情况下，夹线机构和线缆角度旋转调整机构再共同调整第一端端子的姿态；
35.s4、插第二端端子：在上位控制系统的控制下，夹线机构夹取待插线缆另一端，在多轴联动机器人的带动下待插线缆进入线缆角度旋转调整机构、线缆姿态限制机构，其中，待插线缆另一端上的第二端端子的头部位于线缆姿态限制机构中，尾部显露在线缆姿态限制机构外；线缆角度旋转调整机构随即带动待插线缆旋转来调整第二端端子的姿态，使第二端端子与连接器安装架上待插线的另一连接器的接线孔相匹配；然后，夹线机构夹取待插线缆，并使待插线缆与插线辅助机构分离；
36.在上位控制系统的控制下，运动平台将插线辅助机构移动到连接器安装架上待插线的另一连接器前，使线孔装配导向机构对准该连接器的接线孔；然后，多轴联动机器人带动夹线机构移动，使第二端端子通过线孔装配导向机构，并插入到该连接器的接线孔中；
37.在第二端端子入孔的过程中，夹线机构的力传感器采集力反馈信息，上位控制系统根据力反馈信息来判断第二端端子是否顺利入孔及是否插紧，在无法顺利入孔和插紧情况下，夹线机构和线缆角度旋转调整机构再共同调整第二端端子的姿态。
38.优选的，步骤s1过程具体如下：
39.初始状态下线缆姿态限制机构的左、右限制块为分离状态，线缆角度旋转调整机构的旋转夹爪为打开状态，线孔装配导向机构的左、右导向块为分离状态；
40.上位控制系统控制夹线机构的双目相机始终在工作状态，双目相机实时拍照并将拍摄的图片上传回上位控制系统；
41.上位控制系统基于图片，控制多轴联动机器人从初始位置出发，将双目相机移动到第一连接器和第二连接器的位置，通过三角测量法计算出第一连接器和第二连接器在多轴联动机器人基坐标的位置，进而控制运动平台移动到第一连接器的位置，使线孔装配导向机构与第一连接器待插线的接线孔对准，再通过第二夹爪气缸驱动两个导向块靠拢，通过前推气缸驱动导向块前移，使合拢的两个引导部抵接到第一连接器的接线孔；
42.步骤s2过程具体如下：
43.上位控制系统控制多轴联动机器人移动到放线台，双目相机拍照并将拍摄的图片上传回上位控制系统；
44.上位控制系统根据图片确定放线台上某一根待插线缆的第一端端子的位置，进而控制多轴联动机器人移动到该位置，控制夹线机构的气动手指闭合，使左夹爪和右夹爪联
合夹起第一端端子；
45.步骤s3过程具体如下：
46.s31、上位控制系统控制多轴联动机器人移动，使得待插线缆穿过线缆姿态限制机构，上位控制系统通过第一夹爪气缸驱动左、右限制块靠拢，梳齿型结构相互交叉，将待插线缆限制在线缆姿态限制机构的第一插线槽中；
47.s32、上位控制系统继续控制多轴联动机器人向前移动，将第一端端子的头部放入线孔装配导向机构的第三插线槽中，第一端端子的尾部显露在线孔装配导向机构外；再通过夹爪驱动机构控制旋转夹爪闭合，使线缆限制在第二插线槽中并由旋转夹爪夹紧；
48.s33、上位控制系统控制气动手指打开，使左夹爪和右夹爪分离，双目相机拍摄第一端端子尾部；上位控制系统根据拍摄的图片获知此时第一端端子的姿态，进而控制第三电机工作，驱动线缆角度旋转调整机构的不完全齿轮旋转来带动线缆转动，直至第一端端子的姿态调整至与接线孔相匹配；
49.s34、上位控制系统再控制气动手指重新闭合，使左夹爪和右夹爪联合夹紧线缆，通过控制夹爪驱动机构工作，使旋转夹爪松开线缆；
50.s35、上位控制系统控制多轴联动机器人带动线缆向前移动，使第一端端子穿过引导部并进入第一连接器的接线孔中；
51.s36、上位控制系统控制多轴联动机器人带动夹线机构回拉线缆，此时力传感器采集力反馈信息并上传回上位控制系统，当力反馈信息达到设定的阈值，上位控制系统即判断第一端端子顺利入孔并已插紧，然后控制气动手指打开，使左夹爪和右夹爪分离，同时通过前推气缸驱动线孔装配导向机构后移回位；否则，重新调整第一端端子的姿态再入孔；
52.所述方法在步骤s3插入第一端端子之后，还包括布线操作：
53.上位控制系统控制运动平台移动到连接器安装架上的弹性限位线夹的位置；
54.上位控制系统通过前推气缸驱动线孔装配导向机构前移，引导部抵接到弹性限位线夹并将限位线夹压开，使得线缆进入到弹性限位线夹；上位控制系统再通过运动平台驱动引导部沿弹性限位线夹运动，直至完全离开弹性限位线夹，该弹性限位线夹由于引导部离开随即恢复原状并夹紧线缆；
55.接着，上位控制系统通过前推气缸驱动引导部后移，控制气动手指闭合，使左、右夹爪联合夹紧线缆，再控制多轴联动机器人带动夹线机构向后拉线缆，直到力传感器采集到的力反馈信息达到设定的阈值，说明此时该段线缆已经绷直；
56.之后，上位控制系统控制运动平台移动到连接器安装架上的其他弹性限位线夹的位置，并重复上述操作；
57.步骤s4过程具体如下：
58.s41、上位控制系统根据双目相机拍摄的图片确定线缆的第二端端子的位置，进而控制多轴联动机器人移动到该位置；
59.s42、上位控制系统控制夹线机构的气动手指闭合，使左夹爪和右夹爪联合夹起第二端端子，通过第一夹爪气缸驱动左、右限制块分离，通过第三电机驱动旋转夹爪打开，通过第二夹爪气缸驱动左、右导向块分离，运动平台下移，使得线缆完全脱离插线辅助机构，随即通过第二夹爪气缸驱动左、右导向块靠拢，使两个引导部合拢；
60.s43、上位控制系统控制多轴联动机器人移动，使线缆从前往后穿过旋转机构，并
进入线缆姿态限制机构，第二端端子的头部位于第一插线槽中，第二端端子的尾部显露在线缆姿态限制机构外；随后通过夹爪驱动机构控制旋转夹爪闭合，使线缆限制在第二插线槽中并由旋转夹爪夹紧；
61.s44、上位控制系统控制气动手指打开，使左夹爪和右夹爪分离，双目相机拍摄第二端端子尾部，根据拍摄的图片获知此时第二端端子的姿态，进而控制第三电机工作，驱动不完全齿轮旋转来带动线缆转动，直至第二端端子的姿态调整至与接线孔相匹配；
62.s45、上位控制系统再控制气动手指重新闭合，使左夹爪和右夹爪联合夹紧线缆，通过控制夹爪驱动机构工作，使旋转夹爪松开线缆；
63.s46、上位控制系统通过第一夹爪气缸驱动左、右限制块分离，通过第三电机驱动旋转夹爪打开，控制多轴联动机器人带动夹线机构取出线缆；
64.s47、上位控制系统控制运动平台移动到第二连接器的位置，通过前推气缸驱动线孔装配导向机构前移，使引导部对准并抵接到第二连接器待插线的接线孔；
65.s48、上位控制系统控制多轴联动机器人移动，使第二端端子穿过引导部并进入第二连接器的接线孔中；
66.s49、上位控制系统控制多轴联动机器人带动夹线机构回拉线缆，此时力传感器采集力反馈信息并上传回上位控制系统，当力反馈信息达到设定的阈值，上位控制系统即判断第二端端子顺利入孔并已插紧，然后控制气动手指打开，使左夹爪和右夹爪分离，同时通过前推气缸驱动线孔装配导向机构后移回位；否则，重新调整第二端端子的姿态再入孔。
67.本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
68.1、本发明针对电梯等设备配线的实际项目需求，设计了一种通过力觉控制实现精准装配的自动双头插线装置。该装置通过插线辅助机构来实现插线前端子轴向姿态的调整及引导端子入孔，降低线缆端子与连接器的接线孔对准的精度要求，通过力反馈信息获知线缆端子是否顺利入孔及插紧，可完成从取线，插入线缆第一端，布线，插入线缆第二端的全过程，实现了插线操作全程自动化、智能化，与实际项目在布线板的配线过程具有很高的契合度，且比传统的人工插线具有更高的效率和稳定性。
69.2、本发明设计的线缆角度旋转调整机构运用了不完全齿轮与齿轮组的两个齿轮啮合的设计，解决了齿轮不完整的情况需要旋转360度的技术难题，而且将旋转机构安装在可移动的二维运动平台上，随机器人插线的实际位置运动，这一设计避免了机器人每次插线前要额外运动到给定的旋转调整位置，而且解决了机器人插线缆第二端时线缆剩余长度过短，难以夹取线缆到固定位置调整轴向姿态的问题。
70.3、本发明设计的线孔装配导向机构将插柔性线缆产生的对孔问题转移到刚性的导向器与连接器孔配对上，有效提高了插接的精度和效率。
71.4、考虑到线缆端子结构复杂，入孔后可能出现与连接器孔壁干涉等情况，本发明在夹线机构上安装了力传感器，可用于监测线缆端子安装情况，以便在线缆端子入孔后对端子姿态的实时调整。
72.5、本发明设计的线缆角度旋转调整机构、线缆姿态限制机构和线孔装配导向机构相结合可实现线缆按预定路径的布线效果，结构紧凑简洁。
附图说明
73.图1为本发明实施例1中通过力觉控制实现精准装配的自动双头插线装置的整体结构图。
74.图2为图1装置中夹线机构的结构图。
75.图3为图1装置中放线台的结构图。
76.图4为图1装置中连接器安装架和运动平台的结构图。
77.图5为图1装置中插线辅助机构的结构图。
78.图6为图1装置中插线辅助机构在另一视角下的结构图。
79.图7为图1装置中线缆角度旋转调整机构和线孔装配导向机构的结构图。
80.图8为线缆角度旋转调整机构的分解图。
81.图9为线缆角度旋转调整机构的局部组合图。
82.图10为图1装置中线缆姿态限制机构、线缆角度旋转调整机构和线孔装配导向机构放入线缆后的示意图。
83.图11为图1装置的控制示意图。
84.图12为图1装置的工作流程图。
85.标号说明：
[0086]1‑
多轴联动机器人，2
‑
夹线机构，201
‑
上法兰，202
‑
双目相机架，203
‑
双目相机，204
‑
光源，205
‑
力传感器，206
‑
下法兰，207
‑
气动手指，208
‑
左/右夹爪，3
‑
运动平台，301
‑
模组底座，302
‑
模组底座连接件，303
‑
水平方向直线模组，304
‑
竖直方向直线模组，305
‑
传动轴，306
‑
第一电机，307
‑
l型地脚，308
‑
过渡板，309
‑
第二电机，4
‑
线缆姿态限制机构，401
‑
固定架，402
‑
第一夹爪气缸，403
‑
左/右限制块，404
‑
梳齿型结构，405
‑
第一插线槽，5
‑
线缆角度旋转调整机构，501
‑
前基架板，502
‑
后基架板，503
‑
第三电机，504
‑
下侧大齿轮，505
‑
左/右侧小齿轮，506
‑
不完全齿轮，507
‑
通孔，508
‑
舵机，509
‑
舵盘，510
‑
旋转夹爪，511
‑
正v形结构，512
‑
倒v形结构，513
‑
缺口，514
‑
卡扣结构，6
‑
线孔装配导向机构，601
‑
前端支撑件，602
‑
前推气缸，603
‑
第二夹爪气缸，604
‑
左/右导向块，605
‑
过渡件，606
‑
引导部，7
‑
放线台，701
‑
放线架，702
‑
弹性定位线夹，703
‑
线缆，704
‑
第一端端子，705
‑
第二端端子，8
‑
连接器安装架，801
‑
布线板，802
‑
第一连接器，803
‑
第二连接器，804
‑
弹性限位线夹。
具体实施方式
[0087]
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0088]
实施例1
[0089]
本实施例提供了一种通过力觉控制实现精准装配的自动双头插线装置，包括上位控制系统、多轴联动机器人1、夹线机构2、放线台7、连接器安装架8、运动平台3和插线辅助机构，插线辅助机构进一步包括线缆姿态限制机构4、线缆角度旋转调整机构5和线孔装配导向机构6。
[0090]
其中，多轴联动机器人连接至上位控制系统，其移动受上位控制系统的控制。
[0091]
如图1所示，夹线机构安装在多轴联动机器人上，且可随多轴联动机器人的移动而移动。夹线机构同时也连接至上位控制系统，并且在上位控制系统的控制下夹取待插线缆，
实现夹持待插线缆进入插线辅助机构及连接器的接线孔。
[0092]
另外，定义x轴所在方向为左右方向(水平方向)，y轴所在方向为前后方向，z轴所在方向为上下方向(竖直方向)。
[0093]
如图2所示，夹线机构2具体包括上法兰201、双目相机架202、双目相机203、光源204、力传感器205、下法兰206、气动手指207和左、右夹爪208。
[0094]
上法兰安装在双目相机架上，上法兰的一端与多轴联动机器人的法兰盘相连接，另一端与力传感器、下法兰和气动手指依次连接。双目相机和光源均安装于双目相机架，左夹爪和右夹爪均安装在气动手指上。双目相机、力传感器、光源和气动手指分别连接上位控制系统，双目相机用于拍摄其视野下的场景并将拍摄的图片发送给上位控制系统，以便上位控制系统根据图片获知各设备及线缆的位置及端子姿态等。上位控制系统通过气动手指驱动左、右夹爪，以实现夹取线缆。力传感器用于采集端子入孔过程中的力反馈信息并将力反馈信息发送给上位控制系统。
[0095]
这里，左、右夹爪的线缆接触面均凹设成圆弧状，以配合线缆，方便夹取和收拢线缆，另外，为使左、右夹爪可以夹持得更紧，线缆接触面还贴有砂纸来增大摩擦力。
[0096]
放线台用来放置待插线缆，具体来说，如图3所示，放线台7安装有放线架701，放线架设有成排的弹性定位线夹702，线缆703其中一端上的第一端端子704由弹性定位线夹夹紧，以防止线缆掉落，线缆另一端上的第二端端子705则自由摆放在放线台上。
[0097]
连接器安装架8包括布线板801、分别安装在布线板上待插线的连接器和弹性限位线夹804，可参见图4，为与待插线缆相匹配，连接器分为第一连接器802和第二连接器803，线缆的第一端端子可插入到第一连接器，第二端端子可插入到第二连接器，端子插入到连接器后，在实际通电使用时可构成电性连接。弹性限位线夹可用于夹紧线缆，限制线缆移动。
[0098]
如图1所示，运动平台设置在多轴联动机器人和连接器安装架之间，放线台设置在多轴联动机器人和运动平台周围。如图4所示，运动平台3包括模组底座301、两个竖直方向直线模组304、一个水平方向直线模组303、过渡板308、传动轴305、第一电机306和第二电机309。
[0099]
两个竖直方向直线模组可通过模组底座连接件302安装在模组底座上，两个竖直方向直线模组相互平行。第一电机安装在其中一个竖直方向直线模组上，本实施例第一电机是安装在竖直方向直线模组的下端位置，第一电机通过传动轴与两个竖直方向直线模组传动连接。上位控制系统连接第一电机并控制第一电机的工作状态，第一电机可通过传动轴实现两个竖直方向直线模组的联动。
[0100]
水平方向直线模组可通过2个l型地脚307安装在两个竖直方向直线模组的滑块上，使得水平方向直线模组与两个竖直方向直线模组相垂直，水平方向直线模组可在两个竖直方向直线模组的带动下竖直移动。第二电机安装在水平方向直线模组上，本实施例第二电机是安装在水平方向直线模组的左侧位置。第二电机与水平方向直线模组、上位控制系统相连接，上位控制系统控制第二电机的工作状态，进而通过第二电机驱动水平方向直线模组。
[0101]
过渡板安装在水平方向直线模组的滑块上，线缆姿态限制机构、线缆角度旋转调整机构和线孔装配导向机构均通过螺钉安装在过渡板上，并且按照前后顺序依次排成一
列，如图1、图5～图7所示，三个机构可以在运动平台的带动下在水平方向和竖直方向上移动。
[0102]
如图5～图7和图10所示，线缆姿态限制机构4具体包括固定架401、第一夹爪气缸402和左、右限制块403，第一夹爪气缸通过固定架安装在过渡板上，左、右限制块分别安装在第一夹爪气缸的左、右滑块上，第一夹爪气缸连接上位控制系统，上位控制系统可通过第一夹爪气缸驱动两个限制块合拢或分离。
[0103]
在本实施例中，左、右限制块在顶端还设有梳齿型结构404，该梳齿型结构的线缆接触面均凹设成圆弧状，合拢的左、右限制块的梳齿型结构可以相互交叉，两个梳齿型结构的线缆接触面共同合成可容纳待插线缆的第一插线槽405，且第一插线槽的尺寸大于线缆，使得待插线缆在被线缆姿态限制机构限位的同时，可以顺畅地前后移动。
[0104]
如图5～图10所示，线缆角度旋转调整机构5具体包括第三电机503、齿轮基架以及位于齿轮基架内的齿轮组、不完全齿轮506、夹爪驱动机构和旋转夹爪510，第三电机和夹爪驱动机构分别连接上位控制系统，并由上位控制系统控制工作状态。
[0105]
不完全齿轮位于齿轮组上方并与齿轮组内的齿轮相互啮合。第三电机固定于齿轮基架，第三电机连接齿轮组并驱动齿轮组转动，进而带动不完全齿轮转动。
[0106]
在本实施例中，齿轮基架可由前基架板501和后基架板502组成，前、后基架板可设置通孔507，齿轮组可通过轴承与通孔的配合来安装到基架板，从而可相对齿轮基架旋转。同样，不完全齿轮的中心轴可嵌入到通孔中，从而不完全齿轮可以相对齿轮基架旋转。其中一个基架板可设置含有安装孔的一竖直板，以使第三电机安装在竖直板上，第三电机的转轴穿过安装孔与齿轮组相连接。
[0107]
这里，齿轮组由多个相互啮合的齿轮组成，例如本实施例是由下侧大齿轮504和左、右侧小齿轮505构成，下侧大齿轮通过螺钉与第三电机连接，同时与左、右侧小齿轮相啮合，左、右侧小齿轮交替地与不完全齿轮相啮合。
[0108]
不完全齿轮的中心轴和通孔可以设置相配合的卡槽和凸缘，卡槽和凸缘相嵌合形成卡扣结构514，可防止不完全齿轮脱离齿轮基架。不完全齿轮的中心轴可设有贯穿前、后端面的缺口513，舵机的电源和信号线通过该缺口引到齿轮基架外面，防止不完全齿轮旋转时发生缠绕。
[0109]
夹爪驱动机构固定于不完全齿轮，旋转夹爪连接于夹爪驱动机构，并由夹爪驱动机构驱动其旋转以靠近或远离不完全齿轮，也即使旋转夹爪闭合或打开。在本实施例中，旋转夹爪、夹爪驱动机构的数量均为两个，每个旋转夹爪对应一个夹爪驱动机构，两个旋转夹爪在旋转时不会相互干涉到。夹爪驱动机构可采用带有舵盘509的舵机508，两个舵机分别嵌设在不完全齿轮的左半部分和右半部分中，舵盘嵌设在旋转夹爪中以使旋转夹爪安装在舵机上，舵机由此可以通过舵盘抵接旋转夹爪来推动旋转夹爪旋转。当然，在其他实施例中，夹爪驱动机构可采用其他驱动装置如微型伺服电机。
[0110]
不完全齿轮在其中心轴顶端还设有正v形结构511，对应的，旋转夹爪设有倒v形结构512。插线时，旋转夹爪闭合，倒v形结构位于正v形结构上方，并与正v形结构共同合成一可容纳待插线缆的第二插线槽，旋转夹爪可进一步旋转以夹紧第二插线槽中的待插线缆。在这种情况下，当不完全齿轮旋转时，待插线缆会随之旋转，从而改变端子的姿态。这里，为增强夹持效果，正v形结构和倒v形结构的线缆接触面可设置成粗糙面。
[0111]
线缆角度旋转调整机构在实际使用时，为实现线缆端子轴向角度的调整，使得线缆端子姿态与连接器的接线孔对应，上位控制系统需先利用双目相机拍摄的图片计算线缆端子需要旋转的角度，如需要顺时针旋转，则在旋转夹爪已经闭合收拢线缆的情况下，控制第三电机驱动下侧大齿轮以顺时针方向旋转，与下侧大齿轮啮合的左/右侧小齿轮以逆时针方向旋转，带动不完全齿轮顺时针方向旋转。由于左、右侧小齿轮总有一个与不完全齿轮啮合，因此能满足不完全齿轮360度的旋转角度调整要求，保证能按照实际需要对端子调整相应角度。
[0112]
如图5～图7和图10所示，线孔装配导向机构6具体包括前端支撑件601、前推气缸602、第二夹爪气缸603、过渡件605和左、右导向块604，前端支撑件安装在过渡板上，前端支撑件上方按照从下往上顺序依次安装有前推气缸、过渡件和第二夹爪气缸，左、右导向块分别安装在第二夹爪气缸的左、右滑块上。
[0113]
前推气缸和第二夹爪气缸分别连接上位控制系统，上位控制系统通过前推气缸带动两个导向块靠近或远离连接器，通过第二夹爪气缸带动两个导向块合拢或分离。
[0114]
左、右导向块在前端还凸设有尺寸逐渐缩小到连接器接线孔大小的引导部606，左、右导向块及引导部的线缆接触面均可凹设成圆弧状，插线时，合拢的左、右导向块及引导部的线缆接触面共同合成可容纳待插线缆的第三插线槽，第三插线槽的尺寸大于线缆，使得待插线缆在被线孔装配导向机构限位的同时，可以顺畅地前后移动。合拢的两个引导部用于对准并抵接到连接器的接线孔，以便线缆在穿过引导部之后可以准确插入到连接器的接线孔中，起到引导线束入孔的作用。
[0115]
这里，设置引导部主要是为了解决线缆的柔性问题，因为线缆柔性可能会弯曲，单纯靠视觉算法插线很难实现线缆端子与接线孔对准，借助引导部对准并抵接到接线孔，可降低对孔的精度要求。另外，考虑到引导部对孔可能存在一定误差，加上线缆可能卡在引导部内部，以及在完成插线后，端子由于自带卡位结构，一旦插紧就难以从连接器中拔出，因此本实施例还结合力传感器，通过力传感器采集多轴联动机器人在端子入孔过程中的相应力反馈信息，利用该力反馈信息来观察端子是否顺利插入孔里(入孔的整个过程中力反馈信息始终小于一定阈值即说明端子是顺利插入的)以及判断线缆是否是否插紧(入孔后力反馈信息达到一定阈值即说明已插紧)，以便及时调整端子姿态，提高入孔效率。
[0116]
在本实施例中，上位控制系统涉及到多个方面的控制任务，包括气动手指夹持力的调整，以保证线缆端子能顺利插入连接器，还有双目摄像机获取连接器的图片来计算连接器的位置，以便引导部与连接器的对准，获取线缆端子的图片来计算端子的轴向姿态，以便线缆角度旋转调整机构调整线缆姿态，以及计算线缆端子在放线台上的具体位置以便机器人取线。
[0117]
如图11所示，上位控制系统分为三个层面：第一个是客户层面，其具体为pc机上的客户端，它能接收及显示下位设备(如力传感器、双目相机)的数据以及供用户输入针对下位设备的初始化操作指令。第二个是任务层面，其具体包括pc机上的任务处理器、分别连接任务处理器的多轴联动机器人和运动控制卡，任务处理器能命令其内部的力学控制模块和图像处理模块执行力学控制和图像处理任务，得到结果后再命令多轴联动机器人和运动控制卡执行相应运动任务。第三个是执行层面，其具体包括多轴联动机器人、气动手指、光源、第一电机、第二电机、第三电机、夹爪驱动机构、第一夹爪气缸、第二夹爪气缸、前推气缸，其
中，多轴联动机器人通过通讯协议直接与任务处理器对接，第一、二、三电机的驱动器工作状态通过运动控制卡的轴信号控制，第一夹爪气缸、第二夹爪气缸、前推气缸的电磁阀开合通过运动控制卡的i/o信号控制，夹爪驱动机构的工作状态(如舵机的旋转)通过运动控制卡的pwm信号控制。
[0118]
上述多轴联动机器人可采用六轴联动机器人，气动手指可采用支点型气动手指，第一、二、三电机可采用步进电机，第一夹爪气缸可采用大薄型夹爪气缸如型号为mhf2
‑
12d2，第二夹爪气缸可采用小薄型夹爪气缸如型号为mhf2
‑
8d，过渡板和过渡件可采用铝板。
[0119]
另外，本发明还提供了一种通过力觉控制实现精准装配的自动双头插线方法，可基于上述装置完成一根线缆的插入过程，具体可分为寻孔、取线、插第一端端子、布线、插第二端端子这几个阶段，下面分别进行阐述。
[0120]
(1)寻孔：
[0121]
初始状态下线缆姿态限制机构的左、右限制块为分离状态，线缆角度旋转调整机构的旋转夹爪为打开状态，线孔装配导向机构的左、右导向块为分离状态；
[0122]
上位控制系统控制双目相机始终在工作状态，双目相机实时拍照并将拍摄的图片上传回上位控制系统；
[0123]
上位控制系统基于图片，控制多轴联动机器人从初始位置出发，将夹线机构的双目相机移动到第一连接器和第二连接器的位置，通过三角测量法计算出第一连接器和第二连接器在多轴联动机器人基坐标的位置，进而控制运动平台移动到第一连接器的位置，使线孔装配导向机构与第一连接器待插线的接线孔对准，再通过第二夹爪气缸驱动两个导向块靠拢，通过前推气缸驱动线孔装配导向机构前移，使合拢的两个引导部抵接到第一连接器的接线孔，可参见图12。
[0124]
(2)取线：
[0125]
上位控制系统控制多轴联动机器人移动到放线台，双目相机拍照并将拍摄的图片上传回上位控制系统；
[0126]
上位控制系统根据图片确定放线台上某一根待插线缆的第一端端子的位置，进而控制多轴联动机器人移动到该位置，控制夹线机构的气动手指闭合，使左夹爪和右夹爪联合夹起第一端端子。
[0127]
(3)插第一端端子：
[0128]
(31)上位机控制多轴联动机器人移动，使得待插线缆进入并穿过线缆姿态限制机构；再通过第一夹爪气缸驱动左、右限制块靠拢，梳齿型结构相互交叉，将待插线缆限制在线缆姿态限制机构的第一插线槽中；
[0129]
(32)上位控制系统继续控制多轴联动机器人向前移动，将第一端端子的头部放入线孔装配导向机构的第三插线槽中，第一端端子的尾部显露在线孔装配导向机构外；再通过夹爪驱动机构控制旋转夹爪闭合，使线缆限制在第二插线槽中并由旋转夹爪夹紧；
[0130]
(33)上位控制系统控制气动手指打开，使左夹爪和右夹爪分离，控制多轴联动机器人抬升，使双目相机能够有良好的观察视野，以便拍摄到第一端端子尾部，上位控制系统根据拍摄的图片计算此时第一端端子的姿态，进而控制第三电机工作，驱动线缆角度旋转调整机构的不完全齿轮旋转来带动线缆转动，以使第一端端子的姿态调整至与第一连接器
的接线孔相匹配；
[0131]
(34)上位控制系统再控制气动手指重新闭合，使左夹爪和右夹爪联合夹紧线缆，通过控制夹爪驱动机构工作，使旋转夹爪先打开微小角度，旋转夹爪不再起夹紧作用，然后再使旋转夹爪回正，最后再完全打开，如此可以避免旋转夹爪直接打开而与齿轮组发生干涉；
[0132]
(35)上位控制系统控制多轴联动机器人带动线缆向前移动，使第一端端子穿过引导部并进入第一连接器的接线孔中；
[0133]
(36)上位控制系统控制多轴联动机器人带动夹线机构回拉线缆，此时力传感器采集力反馈信息并上传回上位控制系统，当力反馈信息达到设定的阈值，上位控制系统即判断第一端端子顺利入孔并已插紧，然后控制气动手指打开，使左夹爪和右夹爪分离，以及控制多轴联动机器人移动到安全位置，避免与其他设备发生碰撞，同时通过前推气缸驱动线孔装配导向机构后移回位，防止引导部和连接器安装架干涉；否则，重复上述过程来重新调整第一端端子的姿态再入孔。
[0134]
(4)布线：
[0135]
首先，上位控制系统控制运动平台移动到连接器安装架上的弹性限位线夹的位置，线缆由于插在插线辅助机构中，因此也会被带到该位置；
[0136]
然后，上位控制系统通过前推气缸驱动线孔装配导向机构前移，引导部抵接到弹性限位线夹并将限位线夹压开，使得线缆进入到弹性限位线夹；上位控制系统再通过运动平台驱动引导部沿弹性限位线夹运动，直至完全离开弹性限位线夹；由于弹性，弹性限位线夹会恢复原状并夹紧线缆，防止线缆从限位线夹松脱；
[0137]
接着，上位控制系统控制前推气缸回缩，使引导部后移，以避免引导部和连接器安装架干涉，再控制气动手指闭合，使左、右夹爪联合夹紧线缆，再控制多轴联动机器人带动夹线机构向后拉线缆，直到力传感器采集到的力反馈信息达到设定的阈值，说明此时该段线缆已经绷直；
[0138]
之后，若还需要其他弹性限位线夹夹紧线缆，则上位控制系统控制运动平台移动到连接器安装架上的其他弹性限位线夹的位置，并重复上述操作。
[0139]
当然，在其他实施例中，若线缆不用弹性限位线夹固定也不会影响插线，则可省略布线操作。
[0140]
(5)插第二端端子：
[0141]
(51)当线缆剩下一小段，准备让第二端端子入孔时，上位控制系统先通过多轴联动机器人旋转双目相机，使双目相机远离连接器安装架，且能拍摄到线缆的第二端端子，然后根据双目相机拍摄的图片来确定线缆的第二端端子的位置，进而控制多轴联动机器人移动到该位置；
[0142]
(52)上位控制系统控制夹线机构的气动手指闭合，使左夹爪和右夹爪联合夹起第二端端子，通过第一夹爪气缸驱动左、右限制块分离，通过第三电机驱动旋转夹爪打开，通过第二夹爪气缸驱动左、右导向块分离，控制运动平台下移，使得线缆完全脱离插线辅助机构，随即通过第二夹爪气缸驱动左、右导向块靠拢，使两个引导部合拢；
[0143]
(53)上位控制系统控制多轴联动机器人移动，使线缆从前往后穿过旋转机构，并进入线缆姿态限制机构，第二端端子的头部位于第一插线槽中，第二端端子的尾部显露在
线缆姿态限制机构外；随后通过夹爪驱动机构控制旋转夹爪闭合，使线缆限制在第二插线槽中并由旋转夹爪夹紧；
[0144]
(54)上位控制系统控制气动手指打开，使左夹爪和右夹爪分离，控制多轴联动机器人抬升，使双目相机能够有良好的观察视野，以便拍摄到第二端端子尾部；上位控制系统根据拍摄的图片计算此时第二端端子的姿态，进而控制第三电机工作，驱动不完全齿轮旋转来带动线缆转动，直至第二端端子的姿态调整至与第二连接器的接线孔相匹配；
[0145]
(55)上位控制系统再控制气动手指重新闭合，使左夹爪和右夹爪联合夹紧线缆，通过控制夹爪驱动机构工作，使旋转夹爪先打开微小角度，旋转夹爪不再起夹紧作用，然后再使旋转夹爪回正，最后再完全打开；
[0146]
(56)上位控制系统通过第一夹爪气缸驱动左、右限制块分离，通过第三电机驱动旋转夹爪打开，控制多轴联动机器人带动夹线机构取出线缆，再控制多轴联动机器人移动到安全位置；
[0147]
(57)上位控制系统控制运动平台移动到第二连接器的位置，通过前推气缸驱动线孔装配导向机构前移，使引导部对准并抵接到第二连接器待插线的接线孔；
[0148]
(58)上位控制系统通过多轴联动机器人带动线缆回转，使双目相机回正到靠近连接器安装架的位置并拍摄第二端端子，然后控制多轴联动机器人移动，使第二端端子穿过引导部并进入第二连接器的接线孔中；
[0149]
(59)上位控制系统控制多轴联动机器人带动夹线机构回拉线缆，此时力传感器采集力反馈信息并上传回上位控制系统，当力反馈信息达到设定的阈值，上位控制系统即判断第二端端子顺利入孔并已插紧，然后控制气动手指打开，使左夹爪和右夹爪分离，同时通过前推气缸驱动线孔装配导向机构后移回位，最终多轴联动机器人、运动平台、线缆姿态限制机构、线缆角度旋转调整机构和线孔装配导向机构各自恢复回原先的初始状态；否则，重复上述过程来重新调整第二端端子的姿态再入孔。
[0150]
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。