基于力位混合控制的機(jī)器人充電槍裝配尋孔算法

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

隨著電動(dòng)汽車的普及，電動(dòng)汽車充電的問(wèn)題也隨之而來(lái)。目前，電動(dòng)汽車充電主要靠駕駛員來(lái)完成，需要花費(fèi)大量的人力、物力。實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車自動(dòng)化充電將是大勢(shì)所趨?，F(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車自動(dòng)化充電的技術(shù)難點(diǎn)是充電槍的裝配。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，使用機(jī)器人代替人類完成充電槍的裝配不再遙不可及。搭載傳感器的機(jī)器人完成充電槍裝配面臨如下挑戰(zhàn)：區(qū)別于常見(jiàn)的圓形軸孔裝配，充電槍裝配是一個(gè)類圓形孔軸裝配；充電槍頭的半徑為25.50 mm，充電槍座半徑為25.75 mm，兩者配合公差僅為0.25 mm；初始定位不準(zhǔn)確，很容易導(dǎo)致裝配失敗。為了解決上述問(wèn)題，筆者提出了利用機(jī)器人搭載雙目視覺(jué)與力傳感器進(jìn)行充電槍裝配的尋孔控制方法，先通過(guò)雙目視覺(jué)獲取充電槍座的位姿，再通過(guò)改進(jìn)的梯形線速度規(guī)劃阿基米德螺線尋孔算法配合速度環(huán)的力位混合控制，實(shí)現(xiàn)充電槍柔順快速尋孔作業(yè)。

目前，機(jī)器人軸孔裝配分為被動(dòng)柔順控制[1]和主動(dòng)柔順控制。被動(dòng)柔順控制憑借一些輔助的柔順機(jī)構(gòu)，使其在與環(huán)境接觸時(shí)能夠?qū)ν獠孔饔昧Ξa(chǎn)生自然順從來(lái)完成裝配；主動(dòng)柔順控制利用各類傳感器的反饋信息，采用一定的策略控制接觸力從而完成裝配。主動(dòng)柔順控制中有一小部分是先通過(guò)視覺(jué)反饋提取圖像邊界，再對(duì)整個(gè)裝配過(guò)程進(jìn)行控制[2-4]，絕大部分還是通過(guò)力信息的反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)接觸力的控制，從而完成對(duì)整個(gè)裝配過(guò)程的控制。國(guó)外Damme等[5-7]通過(guò)基于伺服電機(jī)的電流信息估計(jì)獲得機(jī)器人末端的接觸力從而完成裝配，不過(guò)無(wú)力傳感器對(duì)接觸力的估計(jì)存在較大的誤差，不適用于高精度的場(chǎng)合；Shirinzadeh等[8]通過(guò)在機(jī)器人手臂上安裝力傳感器對(duì)圓柱形樁孔進(jìn)行綜合研究。Newman等[9-12]提出了力-力矩圖，包括每個(gè)點(diǎn)的力信息，通過(guò)六維力傳感器反饋的接觸力定位尋孔方向；Kamal等[13]將軸孔裝配搜索轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化搜索問(wèn)題去解決。國(guó)內(nèi)蘆俊等[14]提出了基于自適應(yīng)阻抗控制[15]的軸孔裝配方法；張慶偉等[16-17]進(jìn)行了基于速度環(huán)的力位混合控制的仿真；吳炳龍等[18]在此基礎(chǔ)上提出了力位混合控制和螺旋搜索策略，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人大臂減速機(jī)的裝配，但是阿基米德螺線搜索需要遍歷所有工作范圍，從而導(dǎo)致尋孔效率低的問(wèn)題。此外，阿基米德螺旋搜索會(huì)因?yàn)檩S孔異面產(chǎn)生較大的位置偏差而導(dǎo)致裝配失敗。筆者在該方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提供了一種類圓形孔的解決方案，提高了尋孔算法的效率和穩(wěn)定性。

針對(duì)電動(dòng)汽車充電槍裝配問(wèn)題，提出一種基于速度環(huán)的力位混合控制快速尋孔算法。在位置空間，考慮到雙目視覺(jué)的初始定位不能滿足裝配要求，設(shè)計(jì)了一種基于梯形線速度規(guī)劃的阿基米德螺線軌跡規(guī)劃，在此基礎(chǔ)上對(duì)類圓形軸孔裝配中充電槍頭與充電槍座的兩點(diǎn)接觸進(jìn)行靜力分析，引入向心力引導(dǎo)使得螺線旋轉(zhuǎn)中心向裝配中心移動(dòng)，改進(jìn)了阿基米德螺線軌跡規(guī)劃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了筆者算法的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值：針對(duì)充電槍裝配作業(yè)，筆者算法能在保證尋孔成功率的前提下，極大地提升尋孔效率，有效地降低尋孔過(guò)程中接觸力的波動(dòng)。

1 問(wèn)題定義

電動(dòng)汽車充電槍裝配系統(tǒng)示意圖如圖1所示，系統(tǒng)主要包括雙目視覺(jué)系統(tǒng)、機(jī)器人、六維力傳感器、電動(dòng)汽車充電槍頭和電動(dòng)汽車充電槍座。在系統(tǒng)中建立了機(jī)器人基坐標(biāo)系{B}、傳感器坐標(biāo)系{S}、充電槍頭坐標(biāo)系{T}和充電槍座坐標(biāo)系{G}。電動(dòng)汽車充電槍裝配主要分為3個(gè)階段：充電槍座定位階段、尋孔階段和孔內(nèi)裝配階段。充電槍座定位階段：雙目視覺(jué)系統(tǒng)根據(jù)圖像使用中值濾波、邊緣特征的提取以及基于邊緣特征的模板匹配算法等得到充電槍插座的六維位姿信息并發(fā)送給機(jī)器人[19]。尋孔階段：系統(tǒng)通過(guò)引入尋孔算法來(lái)完成雙目視覺(jué)系統(tǒng)初始定位誤差的補(bǔ)償?？變?nèi)裝配階段：尋孔成功后，使用導(dǎo)納控制實(shí)現(xiàn)柔順裝配，同時(shí)根據(jù)力信息和位置信息，判斷是否完全裝配。

圖1 電動(dòng)汽車充電槍裝配系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of electric vehicle charging gun assembly system

在充電槍裝配過(guò)程中，因?yàn)槌潆姌尣遄砻娼Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部為金屬材質(zhì)的多軸孔，圖像背景特征難提取，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)光照變化大、反射不均，所以會(huì)對(duì)最后得到的充電槍座六維位姿造成較大的誤差，從而導(dǎo)致直接進(jìn)行充電槍裝配的成功率變低。充電槍插頭和充電槍座近距離接觸后，雙目視覺(jué)系統(tǒng)處于視覺(jué)盲區(qū)，不能再次定位充電槍座的位姿，需要通過(guò)其他方法完成對(duì)初試定位誤差的補(bǔ)償，因此引入充電槍尋孔算法。由于導(dǎo)致裝配失敗的主要原因是位置誤差，因此筆者使用阿基米德螺線軌跡搜索方法的同時(shí)結(jié)合向心力引導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)位置最大誤差范圍內(nèi)的快速穩(wěn)定尋孔。在下文中將阿基米德螺線簡(jiǎn)稱為螺線，將阿基米德螺線軌跡搜索的同時(shí)結(jié)合向心力引導(dǎo)的尋孔算法簡(jiǎn)稱為改進(jìn)的螺線尋孔算法。

2 充電槍尋孔的力位混合控制

充電槍尋孔階段的控制器采用了基于速度環(huán)的力位混合控制，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示?？刂破髫?fù)責(zé)的力位混合控制由兩部分組成：機(jī)器人在{G}坐標(biāo)系Z方向的力控制和XY方向的位置控制。此外控制器還向機(jī)器人發(fā)送{B}坐標(biāo)系的速度指令，從而完成對(duì)機(jī)器人的控制[20]。

圖2 力位混合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of force position hybrid control system

在六自由度的力位混合控制中，不同的自由度使用了對(duì)應(yīng)自由度的信息分量。當(dāng)選擇矩陣對(duì)應(yīng)自由度的元素為1時(shí)，表示這個(gè)自由度的信息分量被使用，當(dāng)選擇矩陣對(duì)應(yīng)自由度的元素為0時(shí)，表示這個(gè)自由度的信息分量沒(méi)有被使用。XY方向與Z方向的選擇矩陣分別為

SXY=diag(1,1,0,0,0,0)

(1)

SZ=diag(0,0,1,0,0,0)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

3 阿基米德螺線軌跡規(guī)劃

阿基米德螺線軌跡如圖3所示，螺線軌跡規(guī)劃屬于力位混合控制中的位置控制，通過(guò)掃描搜索實(shí)現(xiàn)雙目視覺(jué)初始定位最大誤差范圍內(nèi)的尋孔操作。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)螺線線速度的速度規(guī)劃，在螺線表達(dá)式中引入時(shí)間函數(shù)f(t)，則螺線極坐標(biāo)表達(dá)式為

ρ=rθ

(7)

r(t)=Δrf(t)

(8)

θ(t)=ωf(t)

(9)

式中：ρ為極徑；r為搜索半徑；θ為搜索角度；ω為固定角速度；Δr為半徑增量。Δr取充電槍頭和充電槍座配合公差的2倍，若半徑增量過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)掃描搜索盲點(diǎn)，導(dǎo)致尋孔失敗。若半徑增量過(guò)小，則會(huì)出現(xiàn)搜索區(qū)域重合，增加搜索時(shí)間。XY平面的螺線尋孔軌跡如圖3所示。

圖3 阿基米德螺線軌跡圖Fig.3 Archimedes spiral trajectory

螺線線速度幅值的表達(dá)式為

(10)

隨著時(shí)間的增加，(ωf(t))2?1，則線速度可以簡(jiǎn)化為

v(t)≈Δrωf(t)f′(t)

(11)

雖然此時(shí)不是真正意義上的螺線，但是對(duì)于本尋孔方法的影響完全可以忽略。

線速度規(guī)劃前的螺線時(shí)間函數(shù)表達(dá)式為f(t)=t，線速度規(guī)劃前的螺線方程為

ρ=r(t)θ(t)=Δrtωt=Δrωt2

(12)

線速度規(guī)劃前的螺線線速度表達(dá)式為

v(t)≈Δrωt

(13)

線速度規(guī)劃前的螺線的線速度會(huì)隨著時(shí)間的增加而增加，{G}坐標(biāo)系Z方向誤差也會(huì)越來(lái)越大，導(dǎo)致尋孔失敗。為了保證運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，需要將線速度設(shè)定成一個(gè)恒定值，此外啟動(dòng)時(shí)加速度過(guò)大，容易產(chǎn)生抖動(dòng)，故把速度分為2 段。在t0到t1時(shí)刻設(shè)定加速度為a+的勻加速運(yùn)動(dòng)，在t1到t2時(shí)刻設(shè)定最大線速度為Vmax的勻速運(yùn)動(dòng)，即

(14)

將式(14)代入式(11)可以求解出線速度規(guī)劃后的時(shí)間函數(shù)，其中k為速度比例常數(shù)，即

(15)

(16)

對(duì)應(yīng)XY平面線速度規(guī)劃的螺線笛卡爾坐標(biāo)系表達(dá)式為

Px1=r(t)cos(ωt)=Δrf(t)cos(ωf(t))

(17)

Py1=r(t)sin(ωt)=Δrf(t)sin(ωf(t))

(18)

4 向心力軌跡規(guī)劃

向心力軌跡規(guī)劃用于改進(jìn)螺線尋孔算法。通過(guò)對(duì)靜態(tài)接觸力進(jìn)行分析，確定充電槍頭中心和充電槍座中心之間的相對(duì)關(guān)系。充電槍座是一個(gè)類圓形孔，在不接觸豎梁的情況下可以按圓形孔分析，根據(jù)接觸狀態(tài)可以分為4 種情況：平面接觸、兩點(diǎn)接觸、三點(diǎn)接觸和面接觸，其分類圖如圖4所示。

圖4 接觸狀態(tài)分類圖Fig.4 Contact state classification diagram

在不同的接觸狀態(tài)下，充電槍頭和充電槍座的靜力分析都不相同，筆者只針對(duì)兩點(diǎn)接觸進(jìn)行靜力分析。一方面是因?yàn)閮牲c(diǎn)接觸出現(xiàn)的概率最大；另一方面是在充電槍裝配前，可以通過(guò)傾斜策略在{G}坐標(biāo)系Ry方向轉(zhuǎn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)角β，將接觸狀態(tài)都轉(zhuǎn)化為兩點(diǎn)接觸[21]，同時(shí)又能避免豎梁的接觸，如圖5所示。雙目視覺(jué)系統(tǒng)初始定位的充電槍座的位置可能在充電槍左邊或者右邊，通過(guò)傾斜策略調(diào)整為虛線表示的位置，隨后沿著虛線的中心軸線即{G}坐標(biāo)系Z方向向前運(yùn)動(dòng)，直到接觸到充電槍座，從而變成兩點(diǎn)接觸狀態(tài)。此外，在充電槍尋孔過(guò)程中也不會(huì)出現(xiàn)由兩點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槿c(diǎn)接觸的情況，造成三點(diǎn)接觸的主要原因有充電槍和充電槍座之間配合公差較大和充電槍座初試定位姿態(tài)誤差較大。因?yàn)楸痉椒ㄟm用的控制系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)雙目視覺(jué)系統(tǒng)初始定位將姿態(tài)誤差控制在較小的范圍之內(nèi)，而且實(shí)際充電槍軸孔配合公差僅為0.25 mm，所以在實(shí)際的尋孔過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)三點(diǎn)接觸情況。

圖5 傾斜策略后接觸狀態(tài)分類Fig.5 Contact state classification after tilt strategy

對(duì)于兩點(diǎn)接觸狀態(tài)，在基于靜態(tài)接觸力的分析下，可以得到充電槍頭中心和充電槍座中心之間的相對(duì)關(guān)系，其示意圖如圖6所示。由于充電槍對(duì)充電槍座保持一個(gè)恒定的接觸力，所以充電槍座會(huì)分別在接觸點(diǎn)A和接觸點(diǎn)B對(duì)充電槍生產(chǎn)反作用力Fa和Fb，其合力方向就是指向裝配方向的向心力Fsum，而Fx和Fy則是向心力在{T}坐標(biāo)系上的受力分解。向心力Fsum的方向α可根據(jù)靜態(tài)接觸力分析結(jié)果計(jì)算得到，即

α=atan2(Fx,Fy)

(19)

將螺線軌跡規(guī)劃的最大線速度施加到向心力的方向，則{G}坐標(biāo)系XY方向的速度分量分別為

(20)

(21)

圖6 兩點(diǎn)接觸狀態(tài)靜力分析示意圖Fig.6 Static analysis diagram of two point contact state

5 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證筆者充電槍裝配尋孔算法，采用大族六軸協(xié)作機(jī)器人Elfin10、ATI六維力傳感器作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，將帶有Codesys的ARM工控機(jī)、六維力傳感器和大族機(jī)器人組建成局域網(wǎng)，利用帶有Codesys的ARM工控機(jī)通過(guò)TCP通訊發(fā)送機(jī)器人運(yùn)動(dòng)指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖如圖7所示。實(shí)驗(yàn)分為3部分：第1部分為梯形速度規(guī)劃前后螺線尋孔算法的對(duì)比，以驗(yàn)證速度規(guī)劃的必要性；第2部分為改進(jìn)的螺線尋孔算法尋孔實(shí)驗(yàn)，分析尋孔過(guò)程中的各個(gè)方向的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡和接觸力曲線情況；第3部分為3種尋孔算法對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證筆者算法的優(yōu)勢(shì)。

圖7 電動(dòng)汽車充電槍裝配系統(tǒng)Fig.7 Electric vehicle charging gun assembly system

5.1 線速度規(guī)劃對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證螺線尋孔軌跡速度規(guī)劃的必要性，進(jìn)行了線速度規(guī)劃前后的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)在{G}坐標(biāo)系Z方向保持-10 N的期望接觸力，XY平面上分別進(jìn)行線速度規(guī)劃前后螺線尋孔算法的對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。速度規(guī)劃前螺線尋孔算法的實(shí)際接觸力成正弦變化，且隨著時(shí)間的增加，幅值也在不斷增加；速度規(guī)劃后的螺線尋孔算法的實(shí)際接觸力基本穩(wěn)定在-10 N左右。

圖8 速度規(guī)劃前后螺線尋孔算法對(duì)比圖Fig.8 Comparison of spiral hole finding algorithm before and after speed planning

因?yàn)槌潆姌岊^與充電插座異面，所以距離中心點(diǎn)越遠(yuǎn)，Z方向存在的位置偏差越大。速度規(guī)劃前，隨著時(shí)間的增加，螺線的半徑也越來(lái)越大，線速度也隨著無(wú)限增加，然后導(dǎo)致Z方向的位置偏差越來(lái)越大，實(shí)際控制器的響應(yīng)不能滿足需求，從而出現(xiàn)Z方向接觸力的波動(dòng)，且隨著時(shí)間的增加而增加，最后甚至?xí)霈F(xiàn)充電槍頭和充電槍座懸空的情況，即Z方向接觸力為0 N，出現(xiàn)系統(tǒng)錯(cuò)誤判斷工作狀態(tài)導(dǎo)致裝配失敗的情況。速度規(guī)劃后，隨著時(shí)間的增加，螺線的半徑也越來(lái)越大，但線速度成梯形變化，最后穩(wěn)定在設(shè)計(jì)的最大線速度。因?yàn)閆方向的位置偏差在控制器能調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)，所以實(shí)際接觸力可以保持一個(gè)穩(wěn)定的值。

5.2 改進(jìn)的螺線尋孔算法尋孔實(shí)驗(yàn)

為了方便觀察改進(jìn)螺線尋孔算法的軌跡，將系統(tǒng)初始定位誤差設(shè)定為較大的值。設(shè)定系統(tǒng)在{G}坐標(biāo)系Z方向保持恒定的接觸力-10 N，Ry方向添加β=5°的偏轉(zhuǎn)角，起點(diǎn)的坐標(biāo)為[618.10 55.48 809.70 -87.84 3.42 -102.10]，終點(diǎn)的坐標(biāo)為[615.40 56.04 812.70 -87.84 3.42 -102.10]。改進(jìn)的螺線尋孔算法尋孔軌跡如圖9所示。

圖9 尋孔軌跡圖Fig.9 Hole-finding trace

由圖9可知：尋孔軌跡呈螺旋狀，且螺線的中心也向充電槍座方向移動(dòng)。改進(jìn)的螺線尋孔算法從0.7 s開(kāi)始尋孔操作，經(jīng)過(guò)5.1 s完成整個(gè)尋孔過(guò)程。尋孔過(guò)程中力、力矩的變化如圖10所示。在整個(gè)尋孔過(guò)程中，除了Z方向外其他力、力矩變化不大，只有在快接近充電槍座時(shí)，充電槍與充電槍座內(nèi)壁接觸，產(chǎn)生一定的接觸力，F(xiàn)x在-2.5 N附近，F(xiàn)y在5.0 N附近，只有Fz一直處于力控制狀態(tài)，所以重點(diǎn)分析Fz的數(shù)據(jù)。在0～0.7 s時(shí)，系統(tǒng)處于準(zhǔn)備狀態(tài)，充電槍開(kāi)始靠近充電槍座，所以Fz均為0 N。在0.7～5.8 s時(shí)，系統(tǒng)處于尋孔狀態(tài)，充電槍和充電槍座開(kāi)始接觸，F(xiàn)z開(kāi)始變化。螺線軌跡規(guī)劃雖然減少了Fz的力波動(dòng)，但是引入向心力之后會(huì)存在一個(gè)指向裝配方向的速度，從而導(dǎo)致Fz額外產(chǎn)生5 N左右的波動(dòng)。實(shí)際尋孔過(guò)程中，F(xiàn)z在-5～-15 N之間變化。在5.4～5.8 s時(shí)，F(xiàn)z從10 N開(kāi)始逐漸變小，最后變成0 N，此時(shí)表示尋孔已經(jīng)成功。

圖10 尋孔實(shí)驗(yàn)過(guò)程的力、力矩傳感器數(shù)據(jù)Fig.10 Force, torque sensor data during holefinding experiment

5.3 尋孔算法對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)尋孔算法的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行3 種尋孔算法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)在{G}坐標(biāo)系Z方向保持恒定的接觸力-10 N，Ry方向添加β=5°的偏轉(zhuǎn)角，在XY平面坐標(biāo)正負(fù)誤差為5 mm區(qū)域內(nèi)，對(duì)每1 mm2都分別進(jìn)行螺線尋孔算法、改進(jìn)的螺線尋孔算法和向心力引導(dǎo)尋孔算法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，且每種算法均進(jìn)行了121 次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11～13所示。

圖11 螺線尋孔算法耗時(shí)圖Fig.11 Time-consuming graph of spiral hole finding algorithm

圖12 向心力引導(dǎo)尋孔算法耗時(shí)圖Fig.12 Time-consuming graph of centripetal force guided hole finding algorithm

圖13 改進(jìn)的螺線尋孔算法耗時(shí)圖 Fig.13 Time-consuming graph of improved spiral hole finding algorithm

線速度規(guī)劃螺線尋孔算法尋孔耗時(shí)如圖11所示，平均用時(shí)34.96 s，尋孔時(shí)間隨著離中心點(diǎn)的路徑增大而增長(zhǎng)。尋孔最長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)在最大誤差附近(249.53 s)，尋孔最短時(shí)間出現(xiàn)在離中心點(diǎn)誤差為1 mm半徑的圓內(nèi)，此時(shí)可以直接完成裝配。此算法尋孔成功率為100%。向心力引導(dǎo)尋孔算法耗時(shí)如圖12所示，平均用時(shí)2.50 s，尋孔時(shí)間隨著離中心點(diǎn)的路徑增大而增長(zhǎng)。尋孔最長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)在最大誤差附近(9.04 s)，尋孔最短時(shí)間出現(xiàn)在離中心點(diǎn)誤差為1 mm半徑的圓內(nèi)，可以直接完成裝配。在X方向誤差為-5 mm時(shí)，充電槍頭會(huì)與充電槍座在豎梁接觸，直接導(dǎo)致向心力方向不指向充電槍的裝配方向，從而導(dǎo)致尋孔失敗。此算法尋孔成功率為97.52%。改進(jìn)的螺線尋孔算法耗時(shí)如圖13所示，平均用時(shí)5.16 s，尋孔時(shí)間隨著離中心點(diǎn)的路徑增大而增長(zhǎng)。尋孔最長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)在最大誤差附近(70.38 s)，在X方向誤差為-5 mm時(shí)，充電槍頭會(huì)與充電槍座在豎梁接觸，直接導(dǎo)致向心力方向不指向充電槍的裝配方向，螺線部分的速度可以繼續(xù)使得充電槍頭運(yùn)動(dòng)，充電槍離開(kāi)豎梁，系統(tǒng)能繼續(xù)完成尋孔。尋孔最短時(shí)間出現(xiàn)在離中心點(diǎn)誤差為 1 mm 半徑的圓內(nèi)，可以直接完成裝配。此算法尋孔成功率為100%。

3 種尋孔算法的對(duì)比如表1所示。螺線尋孔算法雖然成功率高，但是尋孔效率低，需要花費(fèi)大量的時(shí)間。向心力引導(dǎo)尋孔算法具有尋孔效率高、耗時(shí)短的優(yōu)點(diǎn)，但是在接觸豎梁的情況下會(huì)出現(xiàn)尋孔失敗的情況。改進(jìn)的螺線尋孔算法具有兩者的優(yōu)點(diǎn)，其尋孔時(shí)間為螺線尋孔算法耗時(shí)的1/7，其尋孔成功率為100%。在實(shí)際生活中，考慮到系統(tǒng)的工作效率和工作穩(wěn)定性，采用改進(jìn)的螺線尋孔算法。

表1 尋孔算法對(duì)比Table 1 Comparison of hole finding algorithms

6 結(jié) 論

以電動(dòng)汽車充電槍裝配作業(yè)為背景，提出了一種基于力覺(jué)和視覺(jué)引導(dǎo)的電動(dòng)汽車充電槍尋孔算法。首先，針對(duì)雙目視覺(jué)初始定位不能滿足直接裝配要求的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種螺線軌跡規(guī)劃，并對(duì)其進(jìn)行梯形線速度規(guī)劃，避免了充電槍頭和充電槍座兩者懸空導(dǎo)致裝配失?。蝗缓?，為了提升尋孔效率，通過(guò)傾斜策略將接觸狀態(tài)轉(zhuǎn)化成兩點(diǎn)接觸并對(duì)其進(jìn)行靜力分析，得到了指向裝配方向的向心力并將其轉(zhuǎn)換成附加速度，從而改進(jìn)了尋孔算法；最后，驗(yàn)證了筆者提出的尋孔算法的可行性。筆者算法在保證成功率的前提下大大提高了尋孔效率，后續(xù)將進(jìn)一步研究孔內(nèi)裝配階段參數(shù)和控制方法的優(yōu)化。