基于机器视觉的微装配控制策略及软件架构

　　1　引　言

　　由微驱动器、执行机构和传感器等构成的微系统,具有体积小、能耗低、性能可靠、应用广泛等特点。微装配是通过准确地操纵、定位、胶结等方法将多个微零件组装成复杂微系统的技术。目前,多数微装配工作仍由操作员手工完成,人为因素对装配精度的影响不可忽略,装配人员的流动也会使生产效率降低。构建自动化微装配系统,则有望降低人为因素影响,改善装配效率、稳定性以及精度。

　　20世纪90年代,人们开始了微装配方面的研究,发展了宏微视觉反馈等多种适合于微装配的技术。我国南开大学、长春光机所、北航等单位也开展了任务序列规划、微定位控制、显微视觉反馈等微装配研究[1-3]。由于微装配过程中存在零件遮挡、环境干扰和尺寸不一致等问题,目前显微视觉反馈等控制技术还不能满足复杂微装配的需求。近年来,人们逐渐认识到采用人机协作方式,能在降低操作者劳动强度的同时,充分发挥人机互动优势,更好地完成微小零件装配任务。例如,我国黄心汉等人针对人机交互微装配的需求,建立了三层控制体系[4]。德国的Michael等研究了人机遥操作微装配的精确定位和灵敏度等问题[5-6]。现阶段要将自动化微装配技术由实验室推广至实际应用,主要难点在于:

　　(1)装配环节繁琐,部分步骤遇到突发故障无法恢复,会导致整体装配失败。

　　(2)加工工艺和材料选择的细微变动,会使微小零件尺寸和表面质量有所差异,影响装配精度。

　　(3)装配过程中,部分零件易损伤。例如,在微力作用下,微悬臂梁结构会发生断裂、粘附、变形等。

　　本文建立了一种组合式自动微装配硬件系统,在此基础上,围绕提高定位精度、减少接触次数、控制受力状态等微装配关键问题,开展了微系统的控制策略和软件架构方面的研究,并进行了实验验证分析。

　　2　微装配系统硬件组成

　　根据常用微小零件尺寸和装配的精度要求,本文建立了基于机器视觉的微装配系统(图1),其特点归结如下。

　　(1)采用组合结构模式。机械部分由视觉测量机器人、负责上料的旋转微动平台和负责夹持并定位的操纵机器人组成。视觉机器人和操纵机器人均具有三维定位功能,运动范围为50 mm,精度为2~3μm,分辨率为0.1μm。旋转微动平台定位精度为0.05 rad。

　　(2)采用可移动的主动视觉测量方式,拓展了可观测范围,测量分辨率为1μm。

　　(3)采用视觉和微力反馈混合控制策略。通过视觉测量,获得装配工位的平面信息;通过力反馈判断微小零件接触受力状态,测力传感器安装在柔顺型夹持机械臂的关节处。