CN110561400A - 圆周均匀分布零件的高效精准定位***及定位方法 - Google Patents

圆周均匀分布零件的高效精准定位***及定位方法 Download PDF

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Abstract

圆周均匀分布零件的高效精准定位***及定位方法。随着工业机器人的兴起，大量的行业引入机器人来代替人工，从而提升工作效率和产品质量，整体提高了制造业的智能化水平。比如大型零件的圆周螺钉拧紧装配，采用人工装配即费时又费力，往往质量还达不到要求。本发明组成包括：工业机器人、机器人工具坐标系、圆周零件、视觉***、激光测量***，所述的工业机器人上安装有工具，所述的工具是根据螺钉规格安装在机器人末端的螺钉拧紧装置，所述的视觉***包括光源和相机，所述的视觉***与工业机器人进行数据交互的***，所述的激光测量***是能够测量所需范围内的距离值并将其数据传输给机器人的***。本发明用于圆周均匀分布零件的高效精准定位。

Description

圆周均匀分布零件的高效精准定位***及定位方法
技术领域：
本发明涉及零件智能装配领域，具体涉及一种圆周均匀分布零件的高效精准定位***及定位方法。
背景技术：
随着工业机器人的兴起，大量的行业引入机器人来代替人工，从而提升工作效率和产品质量，整体提高了制造业的智能化水平。比如大型零件的圆周螺钉拧紧装配，采用人工装配即费时又费力，往往质量还达不到要求。
因此需要引入工业机器人来代替人工。工业机器人的主流应用方式目前有两种：一种是通过是事先编程预定的轨迹来进行作业，即所谓的人工示教方式；另一种方式借助于智能传感器，进行路径规划和计算，来实现精确定位。采用人工示教的方式需要占据大量作业时间，使用机器视觉来定位的话，受工业智能相机视野限制，只能进行固定范围单个局部螺钉拍照定位，一旦螺钉数量比较多，对每个螺钉进行拍照定位无疑很费时间。另外一方面对于现有的绝大多数机器人来说，圆弧轨迹的编程方法是给定三个参考点：即圆弧起点、圆弧中间点和圆弧终点，拟合成一段圆弧，此方式难以确定半径和圆心。对于圆周分步螺钉的拧紧装配，如果能够确定圆周的圆心和半径，同时在不影响定位精度的前提下减少特征拍照次数，将极大的提高大型零件螺钉零件装配的效率和质量。
发明内容：
本发明的目的是提供一种圆周均匀分布零件的高效精准定位***及定位方法。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种圆周均匀分布零件的高效精准定位***，包括:工业机器人、机器人工具坐标系、圆周零件、视觉***、激光测量***，所述的工业机器人上安装有工具，所述的工具是根据螺钉规格安装在机器人末端的螺钉拧紧装置，所述的视觉***包括光源和相机，所述的视觉***与工业机器人进行数据交互的***，所述的激光测量***是能够测量所需范围内的距离值并将其数据传输给机器人的***。
一种利用权利要求1所述的圆周均匀分布零件的高效精准定位***的定位方法，
步骤（1）：按照零件的规格和工件的大小与形状选择合适的工装的和工具，选择相应负载的机器臂以及合适的视觉***，以及用于检测距离的激光***。所述工装是能够可靠保持工件的结构，具有定位结构，保证更换工件后位置的一致性；所述工具是根据零件规格安装在机器人末端的零件拧紧装置；所述视觉***，包括光源和相机等一整套能够与机器人进行数据交互的***；所述激光测量***，是能够测量所需范围内的距离值，并将其数据传输给机器人的***；
步骤（2）：让机器人在工件上固定的三个位置测量激光器与工件的距离，其中一个作为是原点另外两个点分别是从原点分别向机器人工具坐标的X、Y走固定距离，默认Z方向垂直法兰盘，通过与原点位置测距值的比较算出X、Y方向偏移的角度，从而以工具坐标矫正相应的角度使得机器人末端工具与零件垂直，以此为基准，给定相应的角度则可以确定准确的机器人姿态，接着让机器人去第一个零件拍照位，测出当前距离并与设定距离进行比较补偿，使得每拧一颗零件前都处于同一高度位置；
步骤（3）：为了描述工具在空间的位姿，需要在工具上定义一个坐标系即工具坐标系然后将原本在工具末端中心的TCP沿工具坐标X方向平移圆周的半径长。使得机器人的TCP始终处于圆心，这样只需让机器人做TCP不动，绕工具坐标Z轴做旋转运动，两零件与圆心之间的夹角就是需要旋转的角度；这样就可以通过给定角度来定位任意一颗零件。
所述的圆周均匀分布零件的高效精准定位***的定位方法，所述的第一个零件拍照位在预设定的时候，需要将其姿态调整至工具坐标X方向指向圆心。
所述的圆周均匀分布零件的高效精准定位***的定位方法，所述的工业机器人调整完距离之后，通过视觉***读取第一颗零件在视觉坐标系下的X值；
接着，以工具坐标X方向移动固定距离至圆周上与此零件相对的零件的拍照位，即两颗零件中心的连线在圆周的圆心上，同样利用视觉***读取零件在视觉坐标系下的X值；如果机器人的工具坐标X方向与两零件的连线方向一致，那么这两次读取的X值相差不大，如果相差较大，利用三角函数算出X方向偏离的角度。
所述的圆周均匀分布零件的高效精准定位***的定位方法，所述的让机器人去第一个零件拍照位，进行拍照定位，并绕工具中心旋转上一步算出的角度，使得当前位置机器人的工具坐标指向圆周的圆心。
本发明的有益效果：
本发明解决了现有工业机器人走圆弧的局限性问题，只需知道圆半径通过相应算法，以第一个零件为基准自动走圆轨迹定位至其他零件。此方法误差小，自动化程度高。尤其是对较大工件的装配，需选取负载机器人较大的工业机器人，再加上工作范围大，用常规方法势必精度会下降。而且本发明能够实现机器人自动调整姿态，且机器人动作少，解决了人工调整姿态的不准确性和耗时长的问题。在实际的应用中，可以看出利用本算法，与人工相比缩短了近一半的工作时间，而且准确率接近百分之百。
本发明定位方式的核心是灵活运用机器人的工具坐标系及借助于机器视觉和激光测距传感建模。工业机器人的使用途径一般通过装上工具来作业，为了描述工具在空间的位姿，需在工具上定义一个坐标系即工具坐标系，那么这个坐标系就是所谓的TCP。在机器人编程时的位置记录，是将工具在定义的工作坐标系中的位置坐标X、Y、Z及围绕XYZ三个方向的旋转偏角Rx、Ry、Rz记录在程序里。一般来说，我们会将TCP原点定义到工具上的某一点，如焊枪的焊丝末端，以便于我们观察记录工具在空间的位姿。
本发明灵活运用了TCP的构建方法，将其移至了空间上虚拟的一点，例如圆周轨迹的圆心。通过视觉和激光测距算法将这个虚拟点定位至圆心，通过给定半径从而实现机器人的自动圆周定位螺钉拧紧装配。方法合理、简洁，可操作性强，生产质量有保证，实际效率高，适于广泛推广。
附图说明：
附图1是本发明圆周分布零件状态示意图。
附图2是本发明视觉激光测量单元和作业工装示意图。
附图3是本发明姿态矫正算法示意图。
附图4是附图3的俯视图。
附图5是本发明视觉调整工具坐标示意图。
附图6是附图5的左视图。
附图7是本发明工业机器人实际作业轨迹示意图。
具体实施方式：
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种基于视觉激光的圆周分布零件的定位方法，其零件圆周分布的状态如图1-2所示，包括工业机器人1、机器人工具坐标系TCP 2、螺钉圆周分布状态3、视觉激光测量单元4、作业工装5。
视觉激光测量单元包括视觉***、激光测量***。
如图3-4所示，图3为姿态矫正算法三点测量距离的示意图，从P1到P2，机器人是沿着工具坐标的X方向移动一个固定距离，并在P1、P2点分别记录下当前位置距离工件表面的距离。由图4可知，如果机器人工具坐标X方向与工件表面平行的话，则高度差Δ为0。若，高度差Δ不为0，说明X方向与工件表面有一定的夹角θ1，因为工具坐标Y方向与X方向互相垂直的，所以只要使机器人绕着工具坐标Y旋转θ1补偿掉这个夹角，使得X方向和工件表面平行，同理可使Y方向和工件表面平行，这样就能保证工具坐标的Z方向与工件面垂直。也可根据想要的姿态来旋转对应的角度，从而实现机器人自动调节姿态。
图5-6为视觉调整工具坐标示意图，图中机器人在P4点处通过视觉记录圆周上一个工件在视觉坐标下的X方向的数值X1，沿工具坐标X方向移动一段距离后，在P5点处通过视觉记录圆周上另一个工件在视觉坐标下的X方向的数值X2，拍的这两个工件需与圆心共线。若工具坐标X方向指向圆心的话，那么图中的夹角θ2为0度，也就是X1=X2，若产生夹角θ2，因为此时工具坐标的Z方向与工件垂直，所以只需绕着Z方向旋转补偿掉夹角θ2，使得X方向指向圆心。
步骤三、实际作业时的定位偏移。图7为机器人实际作业轨迹示意图，以零件为螺钉为例，图中P6为初始点位置，P7为第二个螺钉零件的位置，他们之间与圆心的夹角为θ3，此时TCP已移至圆心，工具坐标的Z方向垂直与圆面，初始点的工具坐标X方向也指向圆心。此时只需让机器人在此工具下绕着工具Z旋转θ3角，即可准确定位到第二个工件上。
P1和P2为机器人沿工具坐标X方向移动一段固定距离的起点和终点；P3为机器人沿工具坐标Y方向移动一段固定距离的终点；θ1为工具坐标X方向或者Y方向与圆周平面的夹角；X1和X2分别为与圆心共线的圆周上端与下端的视觉特征点（螺钉拧紧位置）；P4和P5分别为圆周下端和上端的拍照位置点；θ2为Z方向的旋转补偿角；P6为实际作业时的当前作业位置点；P7为实际作业下一工作位置点；θ3为实际作业时，工业机器人在当前作业完成后依照建立的TCP，进行下一工作位的旋转偏角。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种圆周均匀分布零件的高效精准定位***，其特征是：包括:工业机器人、机器人工具坐标系、圆周零件、视觉***、激光测量***，所述的工业机器人上安装有工具，所述的工具是根据螺钉规格安装在机器人末端的螺钉拧紧装置，所述的视觉***包括光源和相机，所述的视觉***与工业机器人进行数据交互的***，所述的激光测量***是能够测量所需范围内的距离值并将其数据传输给机器人的***。
2.一种利用权利要求1所述的圆周均匀分布零件的高效精准定位***的定位方法，其特征是：
步骤（1）：按照零件的规格和工件的大小与形状选择合适的工装的和工具，选择相应负载的机器臂以及合适的视觉***，以及用于检测距离的激光***；
所述工装是能够可靠保持工件的结构，具有定位结构，保证更换工件后位置的一致性；所述工具是根据零件规格安装在机器人末端的零件拧紧装置；所述视觉***，包括光源和相机等一整套能够与机器人进行数据交互的***；所述激光测量***，是能够测量所需范围内的距离值，并将其数据传输给机器人的***；
步骤（2）：让机器人在工件工作平面上固定的三个位置测量激光器与工件的距离，其中一个作为是原点另外两个点分别是从原点分别向机器人工具坐标的X、Y走固定距离，默认Z方向垂直法兰盘，通过与原点位置测距值的比较算出X、Y方向偏移的角度，从而以工具坐标矫正相应的角度使得机器人末端工具与零件垂直，以此为基准，给定相应的角度则可以确定准确的机器人姿态，接着让机器人去第一个零件拍照位，测出当前距离并与设定距离进行比较补偿，使得每拧一颗零件前都处于同一高度位置；
步骤（3）：为了描述工具在空间的位姿，需要在工具上定义一个坐标系即工具坐标系然后将原本在工具末端中心的TCP沿工具坐标X方向平移圆周的半径长；
使得机器人的TCP始终处于圆心，这样只需让机器人做TCP不动，绕工具坐标Z轴做旋转运动，两零件与圆心之间的夹角就是需要旋转的角度；这样就可以通过给定角度来定位任意一颗零件。
3.根据权利要求2所述的圆周均匀分布零件的高效精准定位***的定位方法，其特征是：所述的第一个零件拍照位在预设定的时候，需要将其姿态调整至工具坐标X方向指向圆心。
4.根据权利要求2所述的圆周均匀分布零件的高效精准定位***的定位方法，其特征是：所述的工业机器人调整完距离之后，通过视觉***读取第一颗零件在视觉坐标系下的X值；
接着，以工具坐标X方向移动固定距离至圆周上与此零件相对的零件的拍照位，即两颗零件中心的连线在圆周的圆心上，同样利用视觉***读取零件在视觉坐标系下的X值；如果机器人的工具坐标X方向与两零件的连线方向一致，那么这两次读取的X值相差不大，如果相差较大，利用三角函数算出X方向偏离的角度。
5.根据权利要求2所述的圆周均匀分布零件的高效精准定位***的定位方法，其特征是：所述的让机器人去第一个零件拍照位，进行拍照定位，并绕工具中心旋转上一步算出的角度，使得当前位置机器人的工具坐标指向圆周的圆心。
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