面向3C产业的柔性部件装配机器人设计与控制关键技术研究

In order to reduce volume and weight and increase adaptability, various flexible parts like flexible printed circuits (FPC) and connecting wires are applied in 3C (computer, communication, and consumer electronics) products, e.g., cell phones and PCs. It is very difficult to implement automatic assembly for 3C products because of its stringent requirements of high accuracy, high efficiency, low cost, safety, and limited workspace. Due to their deformability of geometric shape, automatic assembly of flexible parts becomes even challenging in 3C assembly. According to the requirements and based on the theory of differential geometry, we propose an assembling robot solution systematically, which consists of a pair of lower-mobility collaborative manipulators, intrinsically a quotient kinematics machine (QKM). The design and control techniques for the assembling robot are proposed, including 1.type synthesis theory and method for redundant-degree-of-freedom (>6) QKM; 2. dynamic modelling of QKM with mixed rigid/flexible bodies and development of an integrated structure/control design method to design the structure of QKM; 3. a systematic optimal design technique for its mechanical, electrical, magnetic, heat performance of an integrated actuator consisting of motor, reducer, encoder, drive, controller, torque sensor within a very limited space; 4. a structured light based high-precision measuring and real-time tracking method for line- or belt-shaped flexible bodies that are not extendable or retractable; 5. a shape control technique based on deformation Jacobian matrix, and 6. a manipulation planning technique for line- or belt-shaped flexible bodies. Systematic techniques are presented for the design and control of assembling robots including type synthesis, structure design, actuator design, vision detection, shape control and planning. They will provide solid foundation for implementing robot assembly of flexible parts in 3C manufacturing.

在手机、电脑等3C产品中，为了减小体积、减轻重量，大量应用了柔性印制电路板等柔性部件。3C产品的装配具有高精度、高效率、低成本、安全、装配空间狭窄等特点，实施自动装配的难度大，是3C制造中亟待解决的关键问题；而易变形柔性部件的自动装配则是3C装配中最具挑战性的难题。本项目基于微分几何理论，提出了具有左右手结构的冗余自由度商联机构协作机器人方案，主要研究：1.冗余自由度（>6自由度）商联机构构型综合理论；2.刚柔耦合结构/控制一体化优化设计方法；3.受限空间内机、电、热、磁多领域的集成式致动器优化设计方法；4.基于结构光的线状、带状非伸缩柔性物体三维变形状态实时跟踪与高精度测量方法；5.基于形变雅可比的柔性物体形状控制方法；6.线状、带状柔性物体的操作规划方法。项目针对构型、致动器、视觉检测、控制与规划等机器人设计与控制关键技术给出了系统化方案，为3C产品柔性部件的装配机器人奠定了理论基础。

针对3C柔性部件的机器人自动装配这一行业难题，项目组深入制造一线进行3C柔性部件装配工艺调研，确定了最适合机器人的动作类型，并基于此，提出了新型的四自由度3T1R并联机构以及3R和2R1T的三自由度并联机构，得到了具有良好操作性能的机构尺度参数，提出了并联机器人解耦的弹性静刚度建模方法，建立了并联机器人的解析弹性静刚度模型与无量纲指标，提出了并联机器人的自然频率分析方法，研制了实验样机对理论成果进行了验证。基于单个模块的并联机器人研究结果，研制了7自由度3C产品柔性部件装配机器人系统，通过实验测试，验证了其精度、运动能力等都符合3C柔性部件装配对于高精度与高灵巧度的要求。提出了线缆状及面状两类柔性变形体的变形测量及跟踪算法，通过实验验证了应用算法进行变形控制的可能性。以实际的电缆装配及柔性线路板装配为应用背景，在实验室完成了线缆装配及纸面贴合两个演示。设计了一种串联弹性驱动器（SEA），建立了其完整的四阶动力学模型，设计了基于滤波器的观测器，在预先假设只有与状态无关的不确定性有界的情况下，提供了严格的稳定性分析，并通过实验测试验证了所提出的控制框架的有效性。提出了考虑机-电-磁-热的磁流变液柔顺关节的建模与优化设计方法，并开发了样机，完成了实验验证。基于上述技术成果，开发了完整的3C柔性部件机器人自动装配系统，通过3C制造现场自动化装配难题——带柔性线缆的手机显示模组装配实验，验证了项目组研究成果的有效性，并通过智能手表、鼠标装配等多种典型3C零部件的装配又证明了本系统的通用性。.在基金的资助下，本项目在IEEE/ASME Trans. on Mechatronics & Mechanism and Machine Theory等一流国际学术期刊上发表论文共26篇，在ICRA、IROS等一流国际机器人学术会议上发表论文共45篇，其中1篇获得“会议最佳论文奖”，4篇获得“会议最佳论文提名奖”。共申请国家发明专利21项，实用新型专利4项，其中已授权发明专利7项，实用新型专利4项。培养博士生7名（已毕业2人，在读5名），硕士生24名（已全部毕业），圆满完成了项目原定目标。