CN110864659A - 用于工业机器人测量***中的线测头标定装置和标定方法 - Google Patents
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Abstract
用于工业机器人测量***中的线测头标定装置和标定方法,其中装置包括夹具和位于夹具下方的夹持装置;所述夹具包括从上至下依次连接的夹具连接板、第一角位台、第二角位台和连接架,所述夹具连接板用于与机器人主体连接,所述连接架用于与线测头连接;所述夹持装置从上至下依次设有工字型连接架、马达、第三角位台、第四角位台和连接板,所述工字型连接架的平台用于设置标准块。本发明具有通过特殊的夹具,配合定制的标准块,可以快速调节标准块表面与法兰平面平行;所用线测头的选择多样化,可以测量多种形状、多种尺寸、和多种材质的零部件,有效减少成本投入,充分发挥工业机器人的高灵活性特点,整套设备使用柔性强。
Description
技术领域
本发明涉及零件表面质量检测领域,更具体地,涉及一种工业机 器人测量***的线测头装配和标定方法。
背景技术
传统的零件外形测量一般采用三坐标测量机执行,但该方法涉及 的仪器成本高,并且有难以与自动化产线集成、柔性不够的缺点。随 着工业机器人的发展,现阶段工业机器人最高的重复精度可达到 0.01mm,其精度不断提高,且具有可编程、高度自动化的特点,极 易与自动化产线集成而达成具有在线检测能力的柔性制造***,逐渐 应用于0.01~0.1mm级检测精度要求的零件外形检测中。随着工业机 器人精度的进一步提升,其能达到的检测精度随之提升,可预见该应 用会有广泛的发展前景。
工业机器人的末端执行器安装有法兰,线测头需要与法兰进行装 配、坐标系对准,并标定线测头测量坐标系与工业机器人法兰坐标系 之间的坐标转换关系,从而执行精确测量。传统的方法一般通过特定 夹持器将线测头安装在法兰盘后,设计定制的标定方法,通过机械调 整和测量调整的方式,来逐步进行坐标系对准或标定,但是相关的方 法需要结合实际应用定制夹持器等设备,且操作复杂难以实现规范化。
发明内容
本发明公开一种用于工业机器人测量***中的线测头标定装置 和标定方法,用于工业机器人夹持线测头执行零件的外形测量,该装 置和方法利用一个标准块零件,借助工业机器人执行特定操作,完成 对准和标定计算。具体的,标准块上表面开有互相垂直的两条梯形槽, 槽的深度预先确定。
本发明的技术方案是:所述线测头与夹具连接后固结到工业机器 人法兰末端,标准块通过夹持装置放在台面上。其中测头夹具由两个 手动角位台、连接架、连接板组成,标准块夹持装置由DD马达、两 个手动角位台和连接板组成。
本发明所涉及的线测头标定方法,包括步骤如下:
S1:将线测头夹具通过连接板安装在工业机器人法兰末端,标准 块夹持装置安装在安装面上,安装面放在工业机器人的工作范围内;
S2:调整标准块夹持装置上的角位台角度、控制DD马达旋转, 使标准块上表面与法兰平面平行;
S3:调整线测头夹具上角位台的角度,使得线测头轴线垂直于标 准块上表面;
S4:标定线测头工作坐标原点在工业机器人基坐标系下的位置。
具体的,步骤S2包括如下子步骤:
S21:调整标准块的Rz,使得其y轴与工业机器人法兰盘y轴共 面。在工业机器人零位下调节法兰盘所连关节角度,使得法兰面与工 业机器人底面平行;在工业机器人直角坐标系下,带动线测头对标准 块上表面进行测量,得到线测头工作原点到标准块表面的距离d;控 制线测头从A点开始沿工业机器人x轴方向移动,当线测头从标准 块表面测量到横槽的底面时,所获得的数据会发生第一次突变,记测 量值发生突变的位置B;令工业机器人带动测头沿y轴水平运动预定 距离lBC到位置C,然后控制线测头沿工业机器人x轴移动,记录测量 数据发生第二次突变的位置D,同时记录位置C到位置D之间的距 离lCD;通过公式一,即得到将标准块y轴调节至与工业机器人y轴 共面需要调整夹持装置的DD马达的角度值α,
公式一
通过控制水平转动装置的DD马达,使标准块旋转角度α,从而 使标准块的y轴与工业机器人y轴共面。
S22:调整标准块的Rx,使得其y轴与工业机器人法兰盘y轴平 行。保持线测头开启状态,实时返回测量数据;调节线测头夹具中上 侧角位台的旋钮,当获得的数据值最小时,将角位台固定在当前角度 值处,此时线测头轴线同标准块yoz平面平行;控制工业机器人沿其 y轴平移一段距离lHI,当线测头从标准块横槽边沿E点测量到槽底部 时,获得的数据值会发发生突变,测量H点时获得的距离值为lH, 测量值突变前获得距离值为lE,临界测量到槽底部时获得的距离值为 lG,已知标准块槽的深度为lEF,由上可以得到线测头与标准块表面法 向之间的夹角β1为,
根据余弦定理,有
公式二
公式三
通过上述公式二、三,即解得角位台需要旋转的角度β,手动调 整标准块夹持装置的上角位台旋钮,使得标准块y轴同法兰盘y轴平 行。
S23:调整标准块的Ry,使得标准块x轴同工业机器人法兰盘的 x轴平行,从而使得标准块上表面与工业机器人法兰盘平行。保持线 测头开启状态,实时返回测量数据;调节线测头夹具中下侧角位台的 旋钮,当获得的数据值最小时,将角位台固定在当前角度值处,此时 线测头轴线同标准块xoz平面平行;控制工业机器人沿其x轴平移一 段距离lMN,当线测头从标准块横槽边沿L点测量到槽底部时,获得 的数据值会发发生突变,测量M点时获得的距离值为lM,测量值突 变前获得距离值为lL,临界测量到槽底部时获得的距离值为lJ,已知 标准块槽的深度为lLK,由上可以得到线测头与标准块表面法向之间 的夹角γ1为,
根据余弦定理,有
公式四
公式五
通过上述公式四、五,即解得角位台需要旋转的角度γ,手动调 整标准块夹持装置的下角位台旋钮,使得标准块x轴同法兰盘x轴平 行,即将标准块上表面调节至于工业机器人法兰末端平面平行。
具体的,步骤S3包括:
保持线测头开启状态,实时返回测量数据;调节夹持装置中上侧 角位台的旋钮,当获得的数据值最小时,将角位台固定在当前角度值 处;同样的方法调节夹持装置下侧角位台旋钮,当获得的数据值最小 时,将角位台固定在当前角度值处。
具体的,步骤S4包括:
在上述步骤的基础上,线测头工作坐标系原点P在工业机器人基 坐标系下表示为公式一:
表示法兰坐标系ECS相对工业机器人基 坐标系RCS的旋转变换,表示法兰坐标系ECS相对工业机器人 基坐标系RCS的平移变换;表示线测头测量 坐标系TCS相对法兰坐标系ECS的旋转变换,表示线测头测量 坐标系TCS相对法兰坐标系ECS的平移变换;
所有测量点均在同一平面上,故而RCSP满足平面约束方程,
n·P-D=0
n=[n1,n2,n3]为平面的单位法向量,其中未知量为:
设目标函数为
通过二次惩罚函数优化求解方法求解未知量:
目标函数改为
其中u(u>0)为惩罚因子,迭代求解步骤为:
S421:给定残差阈值ε>0,适当选择u1>0,根据线测头的安装结构 估计初值w0,k=1。
S422:以yk-1为初值,通过LM算法(Leverberg-Marguardt)求解目标 函数g(w,u)的近似极小值yk。
S423:当|c(w)|<ε时终止迭代,得到最优解yk;否则,令 uk+1=0.1uk,k=k+1,重复步骤S422。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比, 能够取得以下有益效果:
(1)通过特殊的夹具,配合定制的标准块,可以快速调节标准 块表面与法兰平面平行;
(2)本套设备中所用线测头的选择多样化,可以测量多种形状、 多种尺寸、和多种材质的零部件,有效减少成本投入,充分发挥工业 机器人的高灵活性特点,整套设备使用柔性强。
附图说明
图1是本发明的线测头标定装置的使用状态示意图;
图2是本发明的线测头标定装置的示意图;
图3是图2的另一视角的示意图;
图4是本发明的标准块立体结构示意图;
图5是本发明方法的方框结构示意图;
图6是调整标准块Rz时角度示意图;
图7是调整标准块Rx时角度示意图;
图8是调整标准块Ry时角度示意图。
在所有附图中,同样的附图标记表示相同的技术特征,具体为: 1、夹具;11、夹具连接板;12、第一角位台;13、第二角位台;14、 连接架;2、线测头;3、标准块;4、夹持装置;41、工字型连接架; 42、DD马达;43、连接板;44、第三角位台;45、第四角位台;46、 连接底板;47、台面;5、机器人主体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合 附图对本使用新型做进一步详细说明。
请参见图1至图4,图1至图4揭示的是一种用于工业机器人测 量***中的线测头标定装置,包括用于与机器人主体5连接的夹具1, 位于夹具1下方,用于承载并驱动标准块3的夹持装置4;所述夹具 1包括从上至下依次连接的夹具连接板11、第一角位台12、第二角位台13和连接架14,所述夹具连接板11用于与机器人主体5连接, 所述连接架14用于与线测头2连接;所述夹持装置4从上至下依次 设有工字型连接架41、马达42、第三角位台44、第四角位台45和 连接板46,所述工字型连接架41的平台47用于设置标准块3。
优选的,在所述标准块3的上表面设有互相垂直的两条梯形槽 31、32,梯形槽31、32的深度预先确定。
优选的,在所述DD马达42和第三角位台44之间设有中间连接 板43。
优选的,所述线测头2是激光测距传感器。
优选的,所述激光测距传感器是光谱共焦测量仪。
本发明中,所述线测头以采用光谱共焦测量仪为例加以说明,其 它的线测头,如所有激光测距传感器都是可以通用的。
请参见图5-图8,本发明还提供一种用于工业机器人测量***中 的线测头标定方法,具体流程包括:
S1:将光谱共焦测头2通过夹具1上的安装板11安装在工业机 器人法兰末端,标准块3的夹持装置4安装在安装面上,安装面设在 工业机器人的工作范围内;
S2:调整标准块夹持装置上的DD马达42、角位台44和角位台 45,使得标准块3上表面与法兰盘平面平行。具体的,包括如下步骤:
S21:调整标准块的Rz,使得其y轴与工业机器人法兰盘y轴共 面。在工业机器人零位下调节法兰盘所连关节角度,使得法兰面与工 业机器人底面平行;如图4所示,在工业机器人直角坐标系下,工业 机器人带动光谱共焦测头2对标准块上表面进行测量,得到光谱共焦 测头工作起点A到标准块表面的距离d;控制光谱共焦测头沿工业机 器人x轴方向移动,当光谱共焦测头2的光线从标准块表面测量到横 槽的底面时,所获得的数据会发生第一次突变,记测量值发生突变的 位置B;令工业机器人带动光谱共焦测头2沿y轴水平运动预定距离 lBC到位置C,然后控制光谱共焦测头2沿工业机器人x轴移动,记录 测量数据发生第二次突变的位置D,同时记录位置C到位置D之间 的距离lCD;通过公式一,即得到将标准块3的y轴调节至与工业机 器人y轴共面需要调整夹持装置的DD马达42的角度值α,
公式一
通过控制水平转动装置的DD马达42,使标准块3旋转角度α, 从而使标准块3的y轴与工业机器人y轴共面。
S22:调整标准块3的Rx,使得其y轴与工业机器人法兰盘y轴 平行。如图5所示,保持线光谱共焦测头2开启状态,实时返回测量 数据;调节光谱共焦测头夹具1中角位台12的旋钮,当获得的数据 值最小时,将角位台12固定在当前角度值处,此时光谱共焦测头2 轴线同标准块3的yoz平面平行;控制工业机器人沿其y轴平移一段 距离lHI,当光谱共焦测头2从标准块3的横槽边沿E点测量到槽底 部时,获得的数据值会发发生突变,测量H点时获得的距离值为lH, 测量值突变前获得距离值为lE,临界测量到槽底部时获得的距离值为 lG,已知标准块3槽的深度为lEF,由上可以得到光谱共焦测头2与标 准块3的上表面法向之间的夹角β1为,
根据余弦定理,有
公式二
公式三
通过上述公式二、三,即解得角位台需要旋转的角度β,手动调 整标准块夹持装置的角位台44旋钮,使得标准块3的y轴同法兰盘 y轴平行。
S23:调整标准块3的Ry,使得标准块3的x轴同工业机器人法 兰盘的x轴平行,从而使得标准块3的上表面与工业机器人法兰盘平 行。如图6所示,保持光谱共焦测头2开启状态,实时返回测量数据; 调节线测头夹具1中角位台13的旋钮,当获得的数据值最小时,将角位台固定在当前角度值处,此时线测头轴线同标准块3的xoz平面 平行;控制工业机器人沿其x轴平移一段距离lMN,当光谱共焦测头2 从标准块3的横槽边沿L点测量到槽底部时,获得的数据值会发发生 突变,测量M点时获得的距离值为lM,测量值突变前获得距离值为lL,临界测量到槽底部时获得的距离值为lJ,已知标准块3的槽的深度为 lLK,由上可以得到光谱共焦测头2与标准块3上表面法向之间的夹 角γ1为,
根据余弦定理,有
公式四
公式五
通过上述公式四、五,即解得角位台需要旋转的角度γ,手动调 整标准块夹持装置4的角位台45旋钮,使得标准块3的x轴同法兰 盘的x轴平行,即将标准块3的上表面调节至于工业机器人法兰末端 平面平行。
S3:调整光谱共焦测头夹具1上的角位台12和角位台13的旋转 角度,使光谱共焦测头2的轴线垂直于标准块3的上表面。具体方法 为,将光谱共焦测头2移动到标准块3上方,使得标准块3在光谱共 焦测头2的工作范围内;保持光谱共焦测头2开启状态,旋转角位台 12上的旋钮,当测头获得的数据值最小时,固定角位台12的旋转角 度;保持工业机器人位姿不变,旋转角位台13上的旋钮,当侧头获 得数据值最小时,固定角位台13的旋转角度,通过上述步骤,即可 使光谱共焦测头2的轴线垂直于标准块3的上表面。
S4:标定光谱共焦测头2工作坐标原点在工业机器人基坐标系 RCS下的位置。具体操作步骤为:
在上述步骤的基础上,光谱共焦测头2的工作坐标系原点P在工 业机器人基坐标系下表示为公式一:
表示法兰坐标系ECS相对工业机器人基 坐标系RCS的旋转变换,表示法兰坐标系ECS相对工业机器人 基坐标系RCS的平移变换;表示光谱共焦测 头2测量坐标系TCS相对法兰坐标系ECS的旋转变换,表示光 谱共焦测头2测量坐标系TCS相对法兰坐标系ECS的平移变换;
所有测量点均在同一平面上,故而RCSP满足平面约束方程,
n·P-D=0
n=[n1,n2,n3]为平面的单位法向量,其中未知量为:
设目标函数为
设目标函数为
通过二次惩罚函数优化求解方法求解未知量:
目标函数改为
其中u(u>0)为惩罚因子,迭代求解步骤为:
S421:给定残差阈值ε>0,适当选择u1>0,根据线测头的安装结构 估计初值w0,k=1。
S422:以yk-1为初值,通过LM算法(Leverberg-Marguardt),求解目 标函数g(w,u)的近似极小值yk。
S423:当|c(w)|<ε时终止迭代,得到最优解yk;否则,令 uk+1=0.1uk,k=k+1,重复步骤S422。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例 而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任 何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于工业机器人测量***中的线测头标定装置,其特征在于:包括用于与机器人主体(5)连接的夹具(1),位于夹具(1)下方,用于承载并驱动标准块(3)的夹持装置(4);所述夹具(1)包括从上至下依次连接的夹具连接板(11)、第一角位台(12)、第二角位台(13)和连接架(14),所述夹具连接板(11)用于与机器人主体(5)连接,所述连接架(14)用于与线测头(2)连接;所述夹持装置(4)从上至下依次设有工字型连接架(41)、马达(42)、第三角位台(44)、第四角位台(45)和连接板(46),所述工字型连接架(41)的平台(47)用于设置标准块(3)。
2.根据权利要求1所述的用于工业机器人测量***中的线测头标定装置,其特征在于:在所述标准块(3)的上表面设有互相垂直的两条梯形槽(31、32),梯形槽(31、32)的深度预先确定。
3.根据权利要求1或2所述的用于工业机器人测量***中的线测头标定装置,其特征在于:在所述马达(42)和第三角位台(44)之间设有中间连接板(43)。
4.根据权利要求1或2所述的用于工业机器人测量***中的线测头标定装置,其特征在于:所述线测头(2)是激光测距传感器。
5.根据权利要求4所述的用于工业机器人测量***中的线测头标定装置,其特征在于:所述激光测距传感器是光谱共焦测量仪。
6.一种用于工业机器人测量***中的线测头标定方法,其特征在于:包括如下步骤,
S1:将光谱共焦测头2通过夹具1上的安装板11安装在工业机器人法兰末端,标准块3的夹持装置4安装在安装面上,安装面设在工业机器人的工作范围内;
S2:调整标准块夹持装置上的DD马达42、角位台44和角位台45,使得标准块3上表面与法兰盘平面平行;
S3:调整光谱共焦测头夹具1上的角位台12和角位台13的旋转角度,使光谱共焦测头2的轴线垂直于标准块3的上表面;
S4:标定光谱共焦测头2工作坐标原点在工业机器人基坐标系RCS下的位置。
7.根据权利要求6所述的用于工业机器人测量***中的线测头标定方法,其特征在于:所述步骤S2包括如下子步骤:
S21:调整标准块的Rz,使得其y轴与工业机器人法兰盘y轴共面;
S22:调整标准块的Rx,使得其y轴与工业机器人法兰盘y轴平行;
S23:调整标准块的Ry,使得标准块x轴同工业机器人法兰盘的x轴平行,从而使得标准块上表面与工业机器人法兰盘平行。
8.根据权利要求6或7所述的用于工业机器人测量***中的线测头标定方法,其特征在于:所述步骤S3具体包括:保持线测头开启状态,实时返回测量数据;调节夹持装置中上侧角位台的旋钮,当获得的数据值最小时,将角位台固定在当前角度值处;同样的方法调节夹持装置下侧角位台旋钮,当获得的数据值最小时,将角位台固定在当前角度值处。
9.根据权利要求6或7所述的用于工业机器人测量***中的线测头标定方法,其特征在于:所述步骤S4具体包括:控制工业机器人在不同位姿下对标准块上表面的点进行测量,记录法兰坐标系ECS在工业机器人基坐标系RCS下的位姿并获得线测头的测量值{Li};
在上述步骤的基础上,线测头工作坐标系原点P在工业机器人基坐标系下表示为公式一:
表示法兰坐标系ECS相对工业机器人基坐标系RCS的旋转变换,表示法兰坐标系ECS相对工业机器人基坐标系RCS的平移变换; 表示线测头测量坐标系TCS相对法兰坐标系ECS的旋转变换,表示线测头测量坐标系TCS相对法兰坐标系ECS的平移变换;
所有测量点均在同一平面上,故而RCSP满足平面约束方程,
n·P-D=0
n=[n1,n2,n3]为平面的单位法向量,其中未知量为:
设目标函数为
通过二次惩罚函数优化求解方法求解未知量:
目标函数改为
其中u(u>0)为惩罚因子。
10.根据权利要求9所述的用于工业机器人测量***中的线测头标定方法,其特征在于:还包括迭代求解步骤,
S421:给定残差阈值ε>0,适当选择u1>0,根据线测头的安装结构估计初值w0,k=1;
S422:以yk-1为初值,通过LM算法,求解目标函数g(w,u)的近似极小值yk;
S423:当|c(w)|<ε时终止迭代,得到最优解yk;否则,令
uk+1=0.1uk,k=k+1,重复步骤S422。
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CN201910895532.9A CN110864659A (zh) | 2019-09-21 | 2019-09-21 | 用于工业机器人测量***中的线测头标定装置和标定方法 |
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CN117095065A (zh) * | 2023-09-18 | 2023-11-21 | 合肥埃科光电科技股份有限公司 | 线光谱共聚焦位移传感器标定方法、***及设备 |
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2019
- 2019-09-21 CN CN201910895532.9A patent/CN110864659A/zh not_active Withdrawn
Cited By (2)
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CN117095065A (zh) * | 2023-09-18 | 2023-11-21 | 合肥埃科光电科技股份有限公司 | 线光谱共聚焦位移传感器标定方法、***及设备 |
CN117095065B (zh) * | 2023-09-18 | 2024-06-11 | 合肥埃科光电科技股份有限公司 | 线光谱共聚焦位移传感器标定方法、***及设备 |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20200306 |
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