專利名稱：機(jī)器人柔性視覺測(cè)量系統(tǒng)中工具坐標(biāo)系快速修復(fù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器人柔性視覺測(cè)量系統(tǒng)中工具坐標(biāo)系校準(zhǔn)方法，特別涉及一種基于基準(zhǔn)球的工具坐標(biāo)系快速修復(fù)設(shè)備及方法。
背景技術(shù)：
機(jī)器人工具坐標(biāo)系是定義在機(jī)器人末端關(guān)節(jié)坐標(biāo)系基礎(chǔ)上的，它可以用來表示機(jī)器人產(chǎn)生沿工具坐標(biāo)系坐標(biāo)軸方向的運(yùn)動(dòng)。在工業(yè)機(jī)器人柔性視覺測(cè)量系統(tǒng)中，一般采用示教編程方式，通過示教一條合適的測(cè)量軌跡，利用機(jī)器人重復(fù)定位精度高的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)視覺在線測(cè)量。機(jī)器人示教編程通常是基于工具坐標(biāo)系和工具中心點(diǎn)(TCP)并完成特定的工作。在柔性視覺在線測(cè)量系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的機(jī)器人示教編程以機(jī)器人末端坐標(biāo)系作為工具坐標(biāo)系，以機(jī)器人末端法蘭中心點(diǎn)作為TCP。測(cè)量過程中，機(jī)器人準(zhǔn)確地將TCP移動(dòng)到示教軌跡中記錄的位置，并將工具坐標(biāo)系方向和不教時(shí)記錄的方向?qū)R。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，由于機(jī)器人發(fā)生碰撞事故或儀器檢修等原因，時(shí)常需要更換視覺傳感器或者機(jī)械轉(zhuǎn)接件。由于視覺傳感器的結(jié)構(gòu)存在差異，機(jī)械轉(zhuǎn)接件的加工精度和安裝精度不同，結(jié)構(gòu)光傳感器投射出的光平面空間位置將發(fā)生變化，傳感器坐標(biāo)系和機(jī)器人末端腕坐標(biāo)系的空間位置關(guān)系也將發(fā)生變化。如果機(jī)器人仍然按照原來示教的軌跡測(cè)量，將無法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)光傳感器重復(fù)定位到之前的測(cè)量位置，直接影響測(cè)量精度，甚至由于光條偏離太多，導(dǎo)致建立的數(shù)學(xué)模型無法實(shí)現(xiàn)測(cè)量。傳統(tǒng)的解決方法是在修復(fù)機(jī)械轉(zhuǎn)接件后重新示教機(jī)器人測(cè)量軌跡，這種方式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且工作難度大。工具坐標(biāo)系的快速修復(fù)方法可創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種機(jī)器人工具坐標(biāo)系及TCP快速修復(fù)方法，在保證安全性的同時(shí)可以節(jié)省時(shí)間和勞動(dòng)力，同時(shí)能夠滿足機(jī)器人柔性視覺檢測(cè)系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人發(fā)生碰撞事故后快速恢復(fù)生產(chǎn)測(cè)量的應(yīng)用需求。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:本發(fā)明提供了一種基于基準(zhǔn)球的工具坐標(biāo)系現(xiàn)場(chǎng)快速修復(fù)方法，主要包括以下步驟:(I)現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)量設(shè)備:在機(jī)器人法蘭末端安裝經(jīng)過標(biāo)定后的結(jié)構(gòu)光視覺傳感器，在機(jī)器人基座側(cè)方安裝基準(zhǔn)球校準(zhǔn)靶標(biāo)；(2)通過示教編程控制機(jī)器人做4次平動(dòng)、6次變位姿運(yùn)動(dòng)，利用結(jié)構(gòu)光視覺傳感器測(cè)量該10個(gè)位置處基準(zhǔn)球的球心坐標(biāo)；(3)由測(cè)得的球心坐標(biāo)和機(jī)器人10次運(yùn)動(dòng)的位姿數(shù)據(jù)求解工具坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人末端坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)；(4)基于求得的工具坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人末端坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，定義機(jī)器人程序中的工具坐標(biāo)系，并在此工具坐標(biāo)系下示教機(jī)器人測(cè)量軌跡；
(5)在結(jié)構(gòu)視覺光傳感器和機(jī)器人法蘭末端之間的相對(duì)位置發(fā)生變化后，重新控制工業(yè)機(jī)器人做4次平動(dòng)、6次變位姿運(yùn)動(dòng)的位姿；(6)按照步驟(2)至步驟(4)的方法重新求解工具坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人末端坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，并重新定義機(jī)器人程序中的工具坐標(biāo)系；(7)機(jī)器人在新定義的工具坐標(biāo)系下進(jìn)行測(cè)量，不需要重新示教機(jī)器人測(cè)量軌跡。本發(fā)明基于機(jī)器人柔性視覺測(cè)量原理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)，提供了一種快速準(zhǔn)確的機(jī)器人柔性視覺測(cè)量系統(tǒng)中工具坐標(biāo)系修復(fù)設(shè)備及方法，填補(bǔ)了我國(guó)在這一領(lǐng)域的空白，且國(guó)外也暫無相關(guān)報(bào)道，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人工具坐標(biāo)系及TCP快速修復(fù)提供技術(shù)手段，也滿足機(jī)器人柔性視覺檢測(cè)系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人發(fā)生碰撞事故后快速恢復(fù)生產(chǎn)測(cè)量的應(yīng)用需求，具有重要的意義。


圖1是本發(fā)明基于標(biāo)準(zhǔn)球的工具坐標(biāo)系校準(zhǔn)示意圖。附圖標(biāo)記:1工業(yè)機(jī)器人2結(jié)構(gòu)光傳感器3基準(zhǔn)球
具體實(shí)施例方式為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說明如下:為解決目前機(jī)器人柔性視覺檢測(cè)系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人發(fā)生碰撞事故后，快速修復(fù)機(jī)器人工具坐標(biāo)系及TCP的問題，本發(fā)明實(shí)施例提供一種快速準(zhǔn)確的機(jī)器人柔性視覺測(cè)量系統(tǒng)中工具坐標(biāo)系修復(fù)設(shè)備及方法，其具體步驟如下:(I)利用任意位姿平面靶標(biāo)結(jié)構(gòu)光傳感器標(biāo)定法，標(biāo)定過程中平面靶標(biāo)在傳感器測(cè)量空間內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，結(jié)合結(jié)構(gòu)光傳感器數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)光傳感器中攝像機(jī)的參數(shù)標(biāo)定。然后基于透視投影交比不變性原理，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)光傳感器的光平面參數(shù)標(biāo)定。根據(jù)結(jié)構(gòu)光傳感器中光平面結(jié)構(gòu)參數(shù)定義光平面坐標(biāo)系，并將光平面坐標(biāo)系定義為機(jī)器人測(cè)量程序中的工具坐標(biāo)系，將光平面坐標(biāo)系的原點(diǎn)作為工具中心點(diǎn)(TCP);(2)在現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)機(jī)器人工作空間布置安裝測(cè)量設(shè)備:通過機(jī)械轉(zhuǎn)接件將經(jīng)過標(biāo)定后的結(jié)構(gòu)光視覺傳感器安裝在機(jī)器人法蘭末端，在機(jī)器人基座側(cè)方固定基準(zhǔn)球校準(zhǔn)靶標(biāo)；(3)通過示教編程控制機(jī)器人在機(jī)器人基坐標(biāo)系下做4次平動(dòng)、6次變位姿運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。4次平動(dòng)保持機(jī)器人末端法蘭坐標(biāo)系相對(duì)機(jī)器人基坐標(biāo)系姿態(tài)不變，且每次平動(dòng)中都有沿基坐標(biāo)系3個(gè)軸方向的運(yùn)動(dòng)。6次變位姿運(yùn)動(dòng)中機(jī)器人末端法蘭坐標(biāo)系相對(duì)機(jī)器人基坐標(biāo)系位置和姿態(tài)都發(fā)生變化。機(jī)器人每運(yùn)動(dòng)到一個(gè)位置，結(jié)構(gòu)光傳感器測(cè)量該位置處基準(zhǔn)球的球心在傳感器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，根據(jù)結(jié)構(gòu)光傳感器光平面參數(shù)將球心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到工具坐標(biāo)系下，并通過測(cè)量軟件從機(jī)器人控制器中讀出該位置處機(jī)器人位姿。根據(jù)系統(tǒng)測(cè)量模型，由測(cè)得的球心坐標(biāo)和機(jī)器人10次運(yùn)動(dòng)的位姿數(shù)據(jù)求解工具坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人末端坐標(biāo)系的位姿轉(zhuǎn)換矩陣；求解方法可以按照現(xiàn)有的方法進(jìn)行，下面列舉了兩篇論文:論文1:李劍峰，朱建華，湯青，等.機(jī)器人一三維掃描系統(tǒng)聯(lián)合掃描及其工業(yè)應(yīng)用[J].光電工程，2007，02:1521.
論文2:李劍峰，湯青，朱建華，等.機(jī)器人三維掃描加工系統(tǒng)與提高加工精度的新方法[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)、2007.19(08):10691074(4)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所用的機(jī)器人品牌，將求得的工具坐標(biāo)系位姿轉(zhuǎn)換矩陣轉(zhuǎn)換為該品牌機(jī)器人控制器中工具坐標(biāo)系參數(shù)表示方式，并在此工具坐標(biāo)系下示教機(jī)器人測(cè)量軌跡對(duì)被測(cè)特征進(jìn)行測(cè)量；(5)當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生機(jī)器人碰撞事故導(dǎo)致結(jié)構(gòu)光傳感器和機(jī)器人末端之間的機(jī)械轉(zhuǎn)接件斷裂，焊接修復(fù)后重新安裝。此時(shí)工具坐標(biāo)系相對(duì)機(jī)器人末端坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)已發(fā)生變化，若機(jī)器人仍按原測(cè)量軌跡測(cè)量，光條可能已經(jīng)偏出被測(cè)特征孔，無法根據(jù)結(jié)構(gòu)光傳感器測(cè)量模型進(jìn)行測(cè)量。微調(diào)步驟(3)中機(jī)器人4次平動(dòng)位置，并通過控制工業(yè)機(jī)器人的4、5、6軸運(yùn)動(dòng)微調(diào)6次變位姿運(yùn)動(dòng)的位姿，使結(jié)構(gòu)光傳感器能夠測(cè)量基準(zhǔn)球的球心坐標(biāo)；(6)由新測(cè)得的球心坐標(biāo)和機(jī)器人10次運(yùn)動(dòng)的位姿數(shù)據(jù)重新求解工具坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人末端坐標(biāo)系的位姿轉(zhuǎn)換關(guān)系；并基于新求得的位姿轉(zhuǎn)換關(guān)系重新定義機(jī)器人程序中的工具坐標(biāo)系參數(shù)。無需重新示教機(jī)器人測(cè)量軌跡，機(jī)器人在新定義的工具坐標(biāo)系下進(jìn)行測(cè)量。
權(quán)利要求
1.機(jī)器人柔性視覺測(cè)量系統(tǒng)中工具坐標(biāo)系快速修復(fù)方法，包括以下步驟: (1)現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)量設(shè)備:在機(jī)器人法蘭末端安裝經(jīng)過標(biāo)定后的結(jié)構(gòu)光視覺傳感器，在機(jī)器人基座側(cè)方安裝基準(zhǔn)球校準(zhǔn)靶標(biāo)； (2)通過示教編程控制機(jī)器人做4次平動(dòng)、6次變位姿運(yùn)動(dòng)，利用結(jié)構(gòu)光視覺傳感器測(cè)量該10個(gè)位置處基準(zhǔn)球的球心坐標(biāo)； (3)由測(cè)得的球心坐標(biāo)和機(jī)器人10次運(yùn)動(dòng)的位姿數(shù)據(jù)求解工具坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人末端坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)； (4)基于求得的工具坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人末端坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，定義機(jī)器人程序中的工具坐標(biāo)系，并在此工具坐標(biāo)系下示教機(jī)器人測(cè)量軌跡； (5)在結(jié)構(gòu)視覺光傳感器和機(jī)器人法蘭末端之間的相對(duì)位置發(fā)生變化后，重新控制工業(yè)機(jī)器人做4次平動(dòng)、6次變位姿運(yùn)動(dòng)的位姿； (6)按照步驟(2)至步驟(4)的方法重新求解工具坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人末端坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，并重新定義機(jī)器人程序中的工具坐標(biāo)系； (7)機(jī)器人在新定義的工具坐標(biāo)系下進(jìn)行測(cè)量，不需要重新示教機(jī)器人測(cè)量軌跡。
全文摘要
本發(fā)明屬于機(jī)器人柔性視覺測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種機(jī)器人柔性視覺測(cè)量系統(tǒng)中工具坐標(biāo)系快速修復(fù)方法，包括現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)量設(shè)備；通過示教編程控制機(jī)器人變位姿運(yùn)動(dòng)，利用結(jié)構(gòu)光視覺傳感器測(cè)量各個(gè)位置處基準(zhǔn)球的球心坐標(biāo)；求解工具坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人末端坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)；定義機(jī)器人程序中的工具坐標(biāo)系，并在此工具坐標(biāo)系下示教機(jī)器人測(cè)量軌跡；在結(jié)構(gòu)視覺光傳感器和機(jī)器人法蘭末端之間的相對(duì)位置發(fā)生變化后，重新控制工業(yè)機(jī)器人做4次平動(dòng)、6次變位姿運(yùn)動(dòng)的位姿；重新定義機(jī)器人程序中的工具坐標(biāo)系。本發(fā)明在保證安全性的同時(shí)可以節(jié)省時(shí)間和勞動(dòng)力，同時(shí)滿足機(jī)器人柔性視覺檢測(cè)系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人發(fā)生碰撞事故后快速恢復(fù)生產(chǎn)測(cè)量的應(yīng)用需求。
文檔編號(hào)G01C25/00GK103115629SQ20131002497
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月23日
發(fā)明者任永杰, 尹仕斌, 邾繼貴, 張園 申請(qǐng)人:天津大學(xué)