专利名称：机器人柔性视觉测量系统中工具坐标系快速修复方法
技术领域：
本发明属于机器人柔性视觉测量系统中工具坐标系校准方法，特别涉及一种基于基准球的工具坐标系快速修复设备及方法。
背景技术：
机器人工具坐标系是定义在机器人末端关节坐标系基础上的，它可以用来表示机器人产生沿工具坐标系坐标轴方向的运动。在工业机器人柔性视觉测量系统中，一般采用示教编程方式，通过示教一条合适的测量轨迹，利用机器人重复定位精度高的特点，可以实现视觉在线测量。机器人示教编程通常是基于工具坐标系和工具中心点(TCP)并完成特定的工作。在柔性视觉在线测量系统中，传统的机器人示教编程以机器人末端坐标系作为工具坐标系，以机器人末端法兰中心点作为TCP。测量过程中，机器人准确地将TCP移动到示教轨迹中记录的位置，并将工具坐标系方向和不教时记录的方向对齐。在工业生产过程中，由于机器人发生碰撞事故或仪器检修等原因，时常需要更换视觉传感器或者机械转接件。由于视觉传感器的结构存在差异，机械转接件的加工精度和安装精度不同，结构光传感器投射出的光平面空间位置将发生变化，传感器坐标系和机器人末端腕坐标系的空间位置关系也将发生变化。如果机器人仍然按照原来示教的轨迹测量，将无法实现结构光传感器重复定位到之前的测量位置，直接影响测量精度，甚至由于光条偏离太多，导致建立的数学模型无法实现测量。传统的解决方法是在修复机械转接件后重新示教机器人测量轨迹，这种方式不仅费时费力，而且工作难度大。工具坐标系的快速修复方法可创造较大的经济效益和社会效益。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种机器人工具坐标系及TCP快速修复方法，在保证安全性的同时可以节省时间和劳动力，同时能够满足机器人柔性视觉检测系统中现场机器人发生碰撞事故后快速恢复生产测量的应用需求。本发明的技术方案如下:本发明提供了一种基于基准球的工具坐标系现场快速修复方法，主要包括以下步骤:(I)现场安装测量设备:在机器人法兰末端安装经过标定后的结构光视觉传感器，在机器人基座侧方安装基准球校准靶标；(2)通过示教编程控制机器人做4次平动、6次变位姿运动，利用结构光视觉传感器测量该10个位置处基准球的球心坐标；(3)由测得的球心坐标和机器人10次运动的位姿数据求解工具坐标系相对于机器人末端坐标系的位置和姿态；(4)基于求得的工具坐标系相对于机器人末端坐标系的位置和姿态，定义机器人程序中的工具坐标系，并在此工具坐标系下示教机器人测量轨迹；
(5)在结构视觉光传感器和机器人法兰末端之间的相对位置发生变化后，重新控制工业机器人做4次平动、6次变位姿运动的位姿；(6)按照步骤(2)至步骤(4)的方法重新求解工具坐标系相对于机器人末端坐标系的位置和姿态，并重新定义机器人程序中的工具坐标系；(7)机器人在新定义的工具坐标系下进行测量，不需要重新示教机器人测量轨迹。本发明基于机器人柔性视觉测量原理，结合现场校准技术，提供了一种快速准确的机器人柔性视觉测量系统中工具坐标系修复设备及方法，填补了我国在这一领域的空白，且国外也暂无相关报道，为实现机器人工具坐标系及TCP快速修复提供技术手段，也满足机器人柔性视觉检测系统中现场机器人发生碰撞事故后快速恢复生产测量的应用需求，具有重要的意义。
图1是本发明基于标准球的工具坐标系校准示意图。附图标记:1工业机器人2结构光传感器3基准球
具体实施例方式为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下:为解决目前机器人柔性视觉检测系统中现场机器人发生碰撞事故后，快速修复机器人工具坐标系及TCP的问题，本发明实施例提供一种快速准确的机器人柔性视觉测量系统中工具坐标系修复设备及方法，其具体步骤如下:(I)利用任意位姿平面靶标结构光传感器标定法，标定过程中平面靶标在传感器测量空间内自由运动，结合结构光传感器数学模型，实现结构光传感器中摄像机的参数标定。然后基于透视投影交比不变性原理，实现结构光传感器的光平面参数标定。根据结构光传感器中光平面结构参数定义光平面坐标系，并将光平面坐标系定义为机器人测量程序中的工具坐标系，将光平面坐标系的原点作为工具中心点(TCP);(2)在现场工业机器人工作空间布置安装测量设备:通过机械转接件将经过标定后的结构光视觉传感器安装在机器人法兰末端，在机器人基座侧方固定基准球校准靶标；(3)通过示教编程控制机器人在机器人基坐标系下做4次平动、6次变位姿运动，如图1所示。4次平动保持机器人末端法兰坐标系相对机器人基坐标系姿态不变，且每次平动中都有沿基坐标系3个轴方向的运动。6次变位姿运动中机器人末端法兰坐标系相对机器人基坐标系位置和姿态都发生变化。机器人每运动到一个位置，结构光传感器测量该位置处基准球的球心在传感器坐标系下的坐标，根据结构光传感器光平面参数将球心坐标转换到工具坐标系下，并通过测量软件从机器人控制器中读出该位置处机器人位姿。根据系统测量模型，由测得的球心坐标和机器人10次运动的位姿数据求解工具坐标系相对于机器人末端坐标系的位姿转换矩阵；求解方法可以按照现有的方法进行，下面列举了两篇论文:论文1:李剑峰，朱建华，汤青，等.机器人一三维扫描系统联合扫描及其工业应用[J].光电工程，2007，02:1521.
论文2:李剑峰，汤青，朱建华，等.机器人三维扫描加工系统与提高加工精度的新方法[J].计算机辅助设计与图形学学报、2007.19(08):10691074(4)根据现场所用的机器人品牌，将求得的工具坐标系位姿转换矩阵转换为该品牌机器人控制器中工具坐标系参数表示方式，并在此工具坐标系下示教机器人测量轨迹对被测特征进行测量；(5)当工业现场发生机器人碰撞事故导致结构光传感器和机器人末端之间的机械转接件断裂，焊接修复后重新安装。此时工具坐标系相对机器人末端坐标系的位置和姿态已发生变化，若机器人仍按原测量轨迹测量，光条可能已经偏出被测特征孔，无法根据结构光传感器测量模型进行测量。微调步骤(3)中机器人4次平动位置，并通过控制工业机器人的4、5、6轴运动微调6次变位姿运动的位姿，使结构光传感器能够测量基准球的球心坐标；(6)由新测得的球心坐标和机器人10次运动的位姿数据重新求解工具坐标系相对于机器人末端坐标系的位姿转换关系；并基于新求得的位姿转换关系重新定义机器人程序中的工具坐标系参数。无需重新示教机器人测量轨迹，机器人在新定义的工具坐标系下进行测量。
权利要求
1.机器人柔性视觉测量系统中工具坐标系快速修复方法，包括以下步骤: (1)现场安装测量设备:在机器人法兰末端安装经过标定后的结构光视觉传感器，在机器人基座侧方安装基准球校准靶标； (2)通过示教编程控制机器人做4次平动、6次变位姿运动，利用结构光视觉传感器测量该10个位置处基准球的球心坐标； (3)由测得的球心坐标和机器人10次运动的位姿数据求解工具坐标系相对于机器人末端坐标系的位置和姿态； (4)基于求得的工具坐标系相对于机器人末端坐标系的位置和姿态，定义机器人程序中的工具坐标系，并在此工具坐标系下示教机器人测量轨迹； (5)在结构视觉光传感器和机器人法兰末端之间的相对位置发生变化后，重新控制工业机器人做4次平动、6次变位姿运动的位姿； (6)按照步骤(2)至步骤(4)的方法重新求解工具坐标系相对于机器人末端坐标系的位置和姿态，并重新定义机器人程序中的工具坐标系； (7)机器人在新定义的工具坐标系下进行测量，不需要重新示教机器人测量轨迹。
全文摘要
本发明属于机器人柔性视觉测量技术领域，涉及一种机器人柔性视觉测量系统中工具坐标系快速修复方法，包括现场安装测量设备；通过示教编程控制机器人变位姿运动，利用结构光视觉传感器测量各个位置处基准球的球心坐标；求解工具坐标系相对于机器人末端坐标系的位置和姿态；定义机器人程序中的工具坐标系，并在此工具坐标系下示教机器人测量轨迹；在结构视觉光传感器和机器人法兰末端之间的相对位置发生变化后，重新控制工业机器人做4次平动、6次变位姿运动的位姿；重新定义机器人程序中的工具坐标系。本发明在保证安全性的同时可以节省时间和劳动力，同时满足机器人柔性视觉检测系统中现场机器人发生碰撞事故后快速恢复生产测量的应用需求。
文档编号G01C25/00GK103115629SQ20131002497
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月23日 优先权日2013年1月23日
发明者任永杰, 尹仕斌, 邾继贵, 张园 申请人:天津大学