CN109848989B - 一种基于红宝石探针的机器人执行末端自动标定及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于红宝石探针的机器人执行末端自动标定及检测方法。建立机器人运动学模型，用于分析机器人末端坐标系由于机器人末端装夹误差所导致的末端定位精度偏差问题。在机器人末端所夹持的工件表面与探针初始接触的动态过程中，利用RAPID程序语言中的Search L指令完成触碰即停与点坐标数据赋值，以实现自动标定；通过利用固定红宝石探针对工件表面轮廓进行触碰探寻标定，计算工件加工前后表面轮廓度，将计算结果输送至机器人控制器中，实现机器人末端工件表面轮廓度计算并显示。本发明能够实现机器人执行末端自动标定并自动完成工件加工前后的表面轮廓度检测，简化后的操作有利于提升机器人加工效率与质量。

Description

一种基于红宝石探针的机器人执行末端自动标定及检测方法

技术领域

本发明属于工业机器人技术领域，具体涉及一种基于红宝石探针的机器人执行末端自动标定及检测方法。

背景技术

工业机器人技术广泛应用于汽车、轨道交通、航空航天等制造加工领域。实际加工过程中，由于机器人末端装夹误差、CAD模型误差等原因，导致机器人仿真工作站中工件虚拟坐标系与实际坐标系不一致，直接影响零件加工精度，甚至造成干涉、碰撞等危险。为了避免上述不良影响，需在加工前对虚拟坐标系与实际坐标系进行标定，并通过计算两坐标系之间的转换矩阵寻求一种快速标定，且能够实现自动检测零件加工前后表面轮廓度的方法。

目前机器人***标定方法主要有三种：1)借助扫描仪的点云匹配法；2)利用机器视觉进行手眼标定的九点法；3)半主动扫描仪-探针标定法。点云匹配法精度最高，误差补偿的效果最好，但是需要将整个工件进行扫描，计算量大、数据处理过程复杂，对于大型构建基本不可行；利用机器视觉进行手眼标定的九点法需要人为操作机器人触碰投影点进行标定，存在一定的人为操作误差；半主动扫描仪-探针标定法是通过手动操作机器人待标定末端靠近扫描仪，扫描仪扫描待标定末端，处理视觉信号并传递至探针底部的移动装置，使探针自动向待标定末端进行触碰探寻，并完成标定，但该方法目前尚处于理论摸索，且该方法对探针底部移动装置的移动绝对精度要求苛刻，成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种机器人执行末端自动标定以及零件表面轮廓度自动检测的方法。本发明通过计算机器人仿真工作站中的工件虚拟坐标系与机器人实际工作站中的工件坐标系之间的转换矩阵，为后续同类工件的自动标定过程中的触碰探寻指令提供方向参考，并通过红宝石探针标定得出工件表面轮廓线/面上的点位数据，经控制柜数据处理，计算工件表面轮廓度。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于红宝石探针的机器人执行末端自动标定及检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10.建立机器人标定、加工及检测的仿真工作站和实际工作站，用于机器人末端标定、加工、检测过程仿真分析，提取机器人末端工件标定三维点位数据，并完成自动标定、自动检测离线编程与工件加工轨迹规划；

S20.在仿真工作站中将同一类工件根据表面特征确定工件坐标与标定点，然后在实际工作站使机器人夹持工件，对准固定红宝石探针，对对应标定点进行触碰探寻，获取两组标定点转换关系，并以此计算工件虚拟坐标系与工件实际坐标系的坐标转换矩阵；

S30.加工相同类型工件时，将步骤S20中得到的转换矩阵导入到实际工作站中，计算出在实际工作站下初步标定点坐标；

S40.在实际工作站，利用初步标定点坐标对工件进行探寻，并记录点位信息，通过仿真工作站与实际工作站中两组对应点位间转换关系，确定实际工作站中工件坐标系；

S50.在工件加工前后表面轮廓度自动检测过程中，利用机器人指令，使机器人夹持加工工件，将工件表面加工前后相对应的轮廓线/面对准探针进行探寻，探针接触轮廓线/面上的点，记录点位坐标数据，计算得到工件加工前后表面轮廓度。

作为改进，在加工工件时，对于不同类型工件，需要按照步骤S20进行标定一次，以获得该类工件在仿真工作站和实际工作站下坐标转换矩阵。

作为改进，在步骤S10中，使用机器人离线编程软件中搭建与实际工作站布局相同的机器人磨抛仿真工作站，机器人末端标定、加工轨迹规划、机器人运动过程检测仿真都以机器人磨抛仿真工作站为平台基础进行试验验证，仿真工作站主要设备包括：工业机器人、砂带机和红宝石标定探针。

作为改进，所述步骤S20中，标定点探寻方法为：在步骤S20标定过程中，利用SearchL指令，使机器人夹持工件向红宝石探针进行探寻接触，探寻接触的动态过程中探针实时检测触碰信号，并在发生接触时向机器人控制器传递IO信号，机器人收到信号后立即停止探寻，并将当前点位信息赋值并记录于PointInEnd点位。

作为改进，在步骤S20中，通过标定点位得出工件虚拟坐标系{N}与工件实际坐标系{F}，即：

上式中，x、y和z分别代表坐标系三个坐标轴，n_x,o_x,a_x n_y,o_y,a_y n_z,o_z,a_z分别表示工件虚拟坐标系下欧拉角旋转矩阵的9个参数，n_x',o_x',a_x'n_y',o_y',a_y'n_z',o_z',a_z'分别表示工件实际坐标系下欧拉角旋转矩阵的9个参数，X_F、Y_F和Z_F分别表示标定点在x、y和z三个坐标轴方向的位移，通过标定点位所得的工件虚拟坐标系{N}与工件实际坐标系{F}，得出两者间的转换矩阵T，即：{N}·T＝{F}，其中，T为工件虚拟坐标系{N}与工件实际坐标系{F}之间的转换矩阵，即：

其中r为转换矩阵的参数，p为工件实际坐标系{F}相对于工件虚拟坐标系{N}的平移矩阵。

作为改进，步骤S50中，计算工件加工前后表面轮廓度方法如下：

S301、完成仿真工作站中工件表面轮廓线/面触碰探寻标定离线编程；

S302、实际工作站中机器人夹持工件，对工件加工前后表面轮廓线/面进行标定；

S303、将测得加工前后的坐标数据进行计算比较，取其差值最大的绝对值的2倍作为该零件的轮廓度误差值，即：

L＝2|p_i-q_i|_max

其中，L表示线轮廓度，p_i表示工件加工后轮廓线上第i次点位测量坐标数据，q_i表示工件加工前轮廓线上第i次点位测量坐标数据。

本发明的有益效果是：

本发明利用红宝石探针刚度大、耐用性好，成本低的优点，提出了基于红宝石探针的机器人执行末端自动标定及工件表面轮廓度自动检测方法。从机器人装夹精度偏差所产生的主要原因入手，探寻一种减小标定误差且节省标定成本的方法。本发明通过计算机器人仿真工作站中的工件虚拟坐标系与机器人实际工作站中的工件坐标系之间的转换矩阵，为后续同类工件的自动标定过程中的触碰探寻指令提供方向参考。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明实施例的结构示意图；

图3为本发明实施例的标定转换矩阵示意图；

图4a为本发明实施例的自动标定示意图，图4b为自动标定细节图；

图5a为本发明实施例的磨抛加工示意图，图5b为磨抛加工细节图。

图中：1-砂带磨抛机，2-砂轮磨削机，3-机器人，4-红宝石探针，5-变速器壳体，6-机器人控制柜，7-中控操作台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明搭建的仿真工作站和实际工作站结构一样，均包括砂带磨抛机、砂轮磨削机、机器人、红宝石探针、机器人控制柜和中控操作台，加工对象为变速器壳体。

一种基于红宝石探针的机器人执行末端自动标定及检测方法，包括步骤：

S10.建立机器人标定、加工、检测仿真工作站和实际工作站，用于机器人末端标定、加工、检测过程仿真分析，提取机器人末端变速器壳体标定三维点位数据，并完成自动标定、自动检测离线编程与变速器壳体加工轨迹规划。

S20.在仿真工作站中将同一类工件根据表面特征确定工件坐标与标定点，然后在实际工作站使机器人夹持工件，对准固定红宝石探针，对对应标定点进行触碰探寻，获取两组标定点转换关系，并以此计算工件虚拟坐标系与工件实际坐标系的坐标转换矩阵，探寻方法如下：

在标定过程中，利用机器人指令，使机器人夹持变速器壳体向探针进行探寻接触。探寻接触的动态过程中探针实时检测触碰信号，并将接触信号传递向机器人控制器，当机器人收到触碰信号时，机器人停止探寻，记录点位信息。

S30.在变速器壳体(本实施例的加工工件)加工前后表面轮廓度自动检测过程中，以机器人末端标定完成为前提，利用机器人指令，使机器人夹持变速器壳体，将其表面加工前后相对应的轮廓线/面对准探针进行探寻，探针接触轮廓线/面上的点，记录点位坐标数据，计算变速器壳体加工前后表面轮廓度。

S40.将计算结果输送至机器人控制器中，实现机器人执行末端的自动标定以及变速器壳体加工前后表面轮廓度的自动检测。

在步骤S10中，使用ABB机器人仿真软件RobotStudio搭建与实际工作站布局相同的机器人磨抛仿真工作站，如图2所示，机器人执行末端标定、加工轨迹规划、机器人运动过程检测仿真都以机器人磨抛仿真工作站为平台基础进行试验验证。其包括的主要设备有：ABB IRB6700工业机器人、砂带机、红宝石标定探针。

S101、理想情况下，实际工作站中机器人加工工具-工件的接触情况与仿真工作站中机器人末端工件夹持位置、姿态一致，但是由于机器人末端装夹误差，工件虚拟坐标系与工件实际坐标系不可避免地会产生一定的平移旋转偏差，该偏差可用转换矩阵T表示；

S102、由已标出的虚拟坐标系{N}与实际坐标系{F}，可建立工件虚拟坐标系与工件实际坐标系转换关系{N}·T＝{F}，求得转换矩阵T，转换矩阵T的示意图如图3所示；

S103、后续标定同一类外型工件实际坐标系时，可在仿真工作站中标定工件虚拟坐标系{N}完成后，由{N}·T＝{F}推算出工件实际坐标系{F}作为自动探寻方向，进行自动标定。

在步骤S20标定过程中，利用SearchL指令，使机器人夹持变速器壳体向红宝石探针进行探寻接触，标定过程示意图如图4a和图4b所示。探寻接触的动态过程中探针实时检测触碰信号，并在发生接触时向机器人控制器传递IO信号，机器人收到信号后立即停止探寻，并将当前点位信息赋值并记录于PointInEnd点位。

S201、通过仿真工作站中变速器壳体点位标定可得工件虚拟坐标系{N}，通过实际工作站中工件点位标定可得工件实际坐标系{F}，即：

其中，{N}表示为工件虚拟坐标系，由仿真工作站中机器人夹持工件触碰红宝石探针标定所得；{F}为工件实际坐标系，由实际工作站中机器人夹持工件触碰红宝石探针标定所得；

S202、通过标定点位所得的工件虚拟坐标系{N}与工件实际坐标系{F}，得出两者之间的转换矩阵T，即：

{N}·T＝{F} 公式(1)

其中，T为工件虚拟坐标系{N}与工件实际坐标系{F}之间的转换矩阵，由旋转矩阵R与平移矩阵P构成，即：

则：

在步骤S30测量表面轮廓度过程中，以机器人末端标定完成为前提，利用Search L指令，使机器人夹持变速器壳体，将加工前后工件表面轮廓线/面对准探针进行探寻，探针接触轮廓线/面上的点，记录点位坐标数据，计算变速器壳体加工前后表面轮廓偏差。标定变速器壳体表面轮廓线/面过程示意图同图4a和图4b。

S301、完成仿真工作站中变速器壳体表面轮廓线/面触碰探寻标定离线编程；

S302、实际工作站中机器人夹持变速器壳体，对加工前铸锻件表面轮廓线/面进行标定；

S303、使用固定砂带加工机对机器人末端夹持的变速器壳体表面进行磨抛加工，加工示意图如图5a和图5b所示；

S304、实际工作站中机器人夹持变速器壳体，对加工后铸锻件表面轮廓线/面进行标定；

S305、将测得加工前后的坐标数据进行计算比较，取其差值最大的绝对值的2倍作为该零件的轮廓度误差值，即：

L＝2|p_i-q_i|_max 公式(3)

其中，L表示线轮廓度，p_i表示工件加工后轮廓线上第i次点位测量坐标数据，q_i表示工件加工前轮廓线上第i次点位测量坐标数据。

在步骤S40中，将计算结果输送至机器人控制器中，实现机器人末端工件自动标定以及工件加工前后表面轮廓度的自动检测。

本发明从机器人装夹精度偏差所产生的主要原因入手，分析减小装夹误差的方法，本发明通过计算机器人仿真工作站中的工件虚拟坐标系与机器人实际工作站中的工件坐标系之间的转换矩阵，为后续同类工件标定过程中的触碰探寻指令提供方向参考，以实现标定的自动化。并在标定完成的基础上，利用机器人指令，使机器人夹持待加工工件，将工件表面与三维模型相对应的轮廓线/面对准探针进行探寻，探针接触轮廓线/面上的点，记录点位坐标数据，计算实际轮廓与三维轮廓偏差，以实现自动检测工件加工前后表面轮廓度。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于红宝石探针的机器人执行末端自动标定及检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10.建立机器人标定、加工及检测的仿真工作站和实际工作站，用于机器人末端标定、加工、检测过程仿真分析，提取机器人末端工件标定三维点位数据，并完成自动标定、自动检测离线编程与工件加工轨迹规划；

S20.在仿真工作站中将同一类工件根据表面特征确定工件坐标与标定点，然后在实际工作站使机器人夹持工件，对准固定红宝石探针，对对应标定点进行触碰探寻，获取两组标定点转换关系，并以此计算工件虚拟坐标系与工件实际坐标系的坐标转换矩阵；

S30.加工相同类型工件时，将步骤S20中得到的转换矩阵导入到实际工作站中，计算出在实际工作站下初步标定点坐标；

S40.在实际工作站，利用初步标定点坐标对工件进行探寻，并记录点位信息，通过仿真工作站与实际工作站中两组对应点位间转换关系，确定实际工作站中工件坐标系；

S50.在工件加工前后表面轮廓度自动检测过程中，利用机器人指令，使机器人夹持加工工件，将工件表面加工前后相对应的轮廓线/面对准探针进行探寻，探针接触轮廓线/面上的点，记录点位坐标数据，计算得到工件加工前后表面轮廓度；

步骤S50中，计算工件加工前后表面轮廓度方法如下：

S301、完成仿真工作站中工件表面轮廓线/面触碰探寻标定离线编程；

S302、实际工作站中机器人夹持工件，对工件加工前后表面轮廓线/面进行标定；

S303、将测得加工前后的坐标数据进行计算比较，取其差值最大的绝对值的2倍作为该工件的轮廓度误差值，即：

L＝2|p_i-q_i|_max

其中，L表示轮廓度误差值，p_i表示工件加工后轮廓线上第i次点位测量坐标数据，q_i表示工件加工前轮廓线上第i次点位测量坐标数据。

2.如权利要求1所述的机器人执行末端自动标定及检测方法，其特征在于：在加工工件时，对于不同类型工件，需要按照步骤S20进行标定一次，以获得该类工件在仿真工作站和实际工作站下坐标转换矩阵。

3.如权利要求1所述的机器人执行末端自动标定及检测方法，其特征在于：在步骤S10中，使用机器人离线编程软件中搭建与实际工作站布局相同的机器人磨抛仿真工作站，机器人末端标定、加工轨迹规划、机器人运动过程检测仿真都以机器人磨抛仿真工作站为平台基础进行试验验证，仿真工作站主要设备包括：工业机器人、砂带机和红宝石标定探针。

4.如权利要求3所述的机器人执行末端自动标定及检测方法，其特征在于：所述步骤S20中，标定点探寻方法为：在步骤S20标定过程中，利用SearchL指令，使机器人夹持工件向红宝石探针进行探寻接触，探寻接触的动态过程中探针实时检测触碰信号，并在发生接触时向机器人控制器传递IO信号，机器人收到信号后立即停止探寻，并将当前点位信息赋值并记录于PointInEnd点位。

5.如权利要求4所述的机器人执行末端自动标定及检测方法，其特征在于：在步骤S20中，通过标定点位得出工件虚拟坐标系{N}与工件实际坐标系{F}，即：

上式中，x、y和z分别代表坐标系三个坐标轴，n_x,o_x,a_x n_y,o_y,a_y n_z,o_z,a_z分别表示工件虚拟坐标系下欧拉角旋转矩阵的9个参数，n_x',o_x',a_x'n_y',o_y',a_y'n_z',o_z',a_z'分别表示工件实际坐标系下欧拉角旋转矩阵的9个参数，X_F、Y_F和Z_F分别表示标定点在x、y和z三个坐标轴方向的位移，通过标定点位所得的工件虚拟坐标系{N}与工件实际坐标系{F}，得出两者间的转换矩阵T，即：{N}·T＝{F}，其中，T为工件虚拟坐标系{N}与工件实际坐标系{F}之间的转换矩阵，即：

其中r为转换矩阵的参数，p为工件实际坐标系{F}相对于工件虚拟坐标系{N}的平移矩阵。

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