一种机器人臂的矫正方法及系统与流程

[0001]
本发明涉及机器人校准领域，尤其是一种机器人臂的矫正方法及系统。


背景技术：

[0002]
机器人经常会做一些重复性的工作，当机器人无法精确的控制或在机器人拾取和放置功能被重复执行时会出现未对准的情况，使得步骤精度下降。所以机器人的精度测定是机器人质量评价中重要的一个环节。
[0003]
现有技术(us10471601)虽然提出了通过图像传感器对校准版图像进行处理判决，但判决过程需要采用手眼标定等复杂的图像处理技术，需要较大的计算量，对机器的硬件处理能力要求较高。
[0004]
现有技术(cn109382817a)提出的是更换电机后的机器人位置调整，其中运用到的只有角度调节，并且同样需要对图像整体进行采集和识别，计对机器的硬件要求较高。


技术实现要素：

[0005]
有鉴于此，本发明采用一种新的矫正图像，通过线阵相机对图像进行扫描，测量出关键值长度即可判断处机器精度故障原因并且对其单独进行矫正，具有计算量较小、速度快的优点。
[0006]
根据一个或多个示例性实施例，提供一种机器人臂的矫正方法，所述方法包括：
[0007]
提供一校准板，所述校准板上设有校准图像，所述校准图像包括多个并列设置的黑色菱形，所述黑色菱形数量视机器人大小型号而定，所述校准板背景颜色为白色与黑色菱形区分；
[0008]
移动所述机器人臂，使机器人臂移动至校准位置处；
[0009]
提供一线阵相机，安装于所述机器人臂上，检测所述线阵相机上第一扫描线和第二扫描线在所述校准图像上的投影；
[0010]
根据所述第一扫描线和第二扫描线与所述多个并列的黑色菱形之间的位置关系，得到所述机器人臂的当前姿态；
[0011]
根据所述当前姿态对所述机器人臂进行一矫正步骤。
[0012]
所述方法还包括：所述机器人臂处于初始校准位置，机器人臂末端姿态正确时，机器人臂零故障，线阵相机所获得的初始校准板图像为：线阵相机的第一扫描线和第二扫描线投影在基于菱形的上下对称位置处，所述第一扫描线和第二扫描线为线段，第一、第二扫描线线段的两端超出首尾两个黑色菱形，且线段两端超出首尾黑色菱形部分长度相等；当机器人臂末端相对于校准板发生偏移时，在校准板表面多个黑色菱形图像的影响下白色区域扫描线长度会发生变化。
[0013]
所述方法还包括：提供3个距离传感器，安装于所述线阵相机下方，所述3个距离传感器分布在平行于所述校准板的一个平面内，该矫正方法进一步包括步骤：
[0014]
s100：以所述三个距离传感器测量线阵相机到校准板的三个距离；
[0015]
s110：判断三个距离的差值是否小于一预设的阈值；
[0016]
s111：响应于所述差值大于阈值，根据三个距离传感器的值计算出偏移角度，并对机器人进行重新校准，步骤跳转至s100，直至小于该阈值。
[0017]
所述方法还包括：响应于距离传感器测得的差值小于阈值，进行步骤s120：通过使用安装在机器人臂上的线阵相机对两条扫描线位置进行扫描，并得到白色部分和黑色部分的多段扫描线，对白色部分的扫描线进行测量，第一扫描线的白色扫描区域的多段长度分别为d
i
，第二扫描线的白色扫描区域的多段长度分别为d
i
，其中i表示白色区域扫描线的段数。
[0018]
所述方法还包括：根据不同类型的偏移故障，预设多个阈值对不同故障类型进行区分；该矫正方法进一步包括步骤：
[0019]
s130：确定获得的第一、第二扫描线位于白色区域的扫描线总长度的差是否超过阈值a；
[0020]
响应于获得的第一、第二扫描线位于白色区域的扫描线总长度的差未超过阈值a，判定机器人臂不存在垂直偏移故障，进行步骤s140：确定第一、第二扫描线位于白色区域的扫描线除了首尾每个对应的小段的长度差是否超过了阈值b；
[0021]
响应于第一、第二扫描线位于白色区域的扫描线除了首尾每个对应的小段的长度差未超过阈值b，判定机器人臂不存在垂直角度故障，进行步骤s150：确定获得的白色区域首尾两段扫描线长度差是否超过阈值c；
[0022]
响应于获得的白色区域首尾两段扫描线长度差未超过阈值c，则结束矫正流程。
[0023]
所述方法还包括：响应于获得的第一、第二扫描线位于白色区域的扫描线总长度的差超过阈值a，进行步骤s131：判定机器人臂存在垂直偏移故障，根据总长度差值和菱形角度计算垂直偏移距离并进行矫正，步骤跳转至s100。
[0024]
所述方法还包括：响应于第一、第二扫描线位于白色区域的扫描线除了首尾每个对应的小段的长度差超过了阈值b，进行步骤s141：判定机器人臂存在垂直角度偏转故障，根据菱形夹角、差值、长度递增关系计算出机器人故障角度并进行矫正，步骤跳转至s100。
[0025]
所述方法还包括：响应于获得的白色区域首尾两段扫描线长度差超过阈值c，进行步骤s151：判定机器人臂发生水平偏移，根据差值计算出水平位移偏移量并进行矫正，步骤跳转至s100。
[0026]
根据一个或多个示例性实施例，提供一种机器人臂的矫正系统，所述系统包括：
[0027]
待校准的机器人臂；
[0028]
校准板显示用于自诊断的校准标记，所述校准板上具有校准图像，所述校准图像包括多个并列设置的黑色菱形，所述黑色菱形数量视机器人大小型号而定，所述校准板背景颜色为白色与黑色菱形区分；
[0029]
多个距离传感器，安装在机器人臂上并且被配置为测量所述距离传感器至所述校准板的距离；
[0030]
线阵相机，安装在机器人臂上，并且被配置为向所述校准图像投影第一扫描线和第二扫描线，并检测所述第一扫描线和第二扫描线在所述校准图像上的投影位置；
[0031]
处理器，被配置为：将机器人臂移动到预设校准位置，处理距离传感器获得的数据以校准线阵相机镜头平行于校准板，处理线阵相机检测到的所述第一扫描线和第二扫描线
在所述校准图像上的投影位置信息，生成机器人偏移类型并矫正。
[0032]
优选的，所述校准板上的特殊图像为黑色区别于校准板的白色背景；当机器人臂末端相对于校准板发生偏移时，在校准板表面特殊图像的影响下白色区域扫描线投影长度会发生变化，根据白色区域扫描线投影长度的变化关系可对机器故障类型区分并矫正。
[0033]
本发明相较于传统的棋盘格矫正图像方法，不需要对整体的图像进行采集和处理，只需要对图形中的两条线进行采集，并根据颜色的不同分别进行简单的长度测量，最后的计算方法也是简单的加减法运算，降低了图形识别的计算量，加快了校准速度。
附图说明
[0034]
图1为机器人相机校准图像系统示意图；
[0035]
图2为校准板示意图；
[0036]
图3为正常情形下相机扫描线示意图；
[0037]
图4为机器人发生垂直偏移时校准板示意图；
[0038]
图5为机器人发生垂直角度偏转时校准板示意图；
[0039]
图6为机器人发生水平偏移时校准板示意图；
[0040]
图7为机器人臂的矫正方法总体流程图；
[0041]
图8为故障校正流程图。
具体实施方式
[0042]
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。
[0043]
如图1所示的一种机器人臂的矫正系统10，包括：基部11、机器人臂12、线阵相机13、多个距离传感器14、校准板15，所述基部11支撑机器人臂12的负荷并在机器人臂12移动时维持系统10的稳定性，所述机器人臂12通过做出线性运动和旋转运动来执行拾取和放置功能；机器人臂12可包括多个关节，每个关节可包括制动器；所述线阵相机13安装在机器人臂上并且被配置为获得所述校准标记的图像；所述多个距离传感器14，安装在机器人臂上并且被配置为测量各所述距离传感器14至所述校准板15的距离；所述校准板15，校准板图像包括多个菱形，显示用于自诊断的校准标记。
[0044]
校准板15可安装在基部11上，如图1所示，作为一种具体的实施方式，校准板15安装在基部11的侧表面上。
[0045]
校准板还可安装在于基部11顶表面平行的表面上。
[0046]
在机器人图像校准领域，通常采用传统的棋盘格来校准图像，但是，棋盘格校准板一般特定用于手眼标定等复杂的算法当中，需要对整体的图像进行采集，采集后再对所有图像中图案形状等进行处理。
[0047]
本发明提供一种机器人臂的矫正方法及系统，所述方法通过采用具有特殊图案的校准板来校准图像，如校准板上的图像可以为圆形、梯形、菱形等，基于这些特殊图像，当机器人臂相对于校准板发生偏移时，扫描线投影到校准板图像或校准板背景上的长度会随图像的多种偏移情况而发生变化。
[0048]
此外，相较于传统棋盘格校准方法，本发明的矫正方法可以降低计算量、加快校准速度的校准方法，优选的，校准板上的图像选定为菱形，对于菱形的矫正图案来说，不需要对整体的图像进行采集和处理，只需要对图形中的两条线进行采集，并根据颜色的不同分别进行简单的长度测量，最后的计算方法也是简单的加减法运算，可以大大减少机器的计算量。
[0049]
如图2所示，根据示例性实施例的校准板的示意图，所述校准板15表面图像由多个黑色菱形组成，校准板背景为白色与黑色菱形进行区分，所述黑色菱形数量视机器人大小型号而定，作为一种具体的实施方式，本发明中采用9个黑色菱形和白色背景连接而成。
[0050]
如图3所示，线阵相机13在正常情况下的扫描线以校准板15中的黑色菱形为基准上下对称分布，其中，位于上方的扫描线为第一扫描线，位于下方的扫描线为第二扫描线，所述第一、第二扫描线为线段，作为一种具体的实施方式，线阵相机所获得的初始校准板图像中：扫描线线段的两端超出首尾两个黑色菱形，且线段两端超出首尾黑色菱形部分长度相等。
[0051]
机器每工作一段时间，处理器会设置中断程序使机器人移动到校准位置和校准姿态进行精度校准。
[0052]
作为一种示例性实施例，本发明的方法的总体流程图如图7所示：
[0053]
s1：移动所述机器人臂，使机器人臂移动至校准位置处；
[0054]
s2：提供一线阵相机，安装于所述机器人臂上，检测所述线阵相机上第一扫描线和第二扫描线在所述校准图像上的投影；
[0055]
s3：根据所述第一扫描线和第二扫描线与所述多个并列的黑色菱形之间的位置关系，得到所述机器人臂的当前姿态；
[0056]
s4：根据所述当前姿态对所述机器人臂进行一矫正步骤。
[0057]
详细的故障校正流程图如图8所示，在步骤s100中，通过使用安装在机器人臂12上的多个距离传感器14分别测量线阵相机13到校准板15的距离。
[0058]
作为一种具体的实施方式，本发明中距离传感器14的数量为3个，距离传感器14位于同一直线平行于线阵相机13镜头平面安装在机器人臂的一端。
[0059]
接下来，在步骤s110中，计算三个距离传感器14测得的线阵相机13到校准板15的距离的差，响应于三者的距离差大于预设的阈值，则进入步骤s111,判定相机角度偏移并根据三个距离传感器14测得的值计算出偏移角度，对机器人进行重新校准并回到步骤s100。
[0060]
响应于如上所述的三个距离传感器14测得的距离差小于预设的阈值，则可近似认为线阵相机13的镜头平行于校准板15，进入步骤s120。
[0061]
在步骤s120中，线阵相机13对校准板15进行两条扫描线的扫描，并得到白色部分和黑色部分的多段扫描线，作为一种具体的实施例，本发明只需对白色部分的扫描线进行测量，第一扫描线的白色扫描区域的多段长度分别为d
i
，第二扫描线的白色扫描区域的多段长度分别为d
i
，其中i表示白色区域扫描线的段数，由于本次示例性实施例中黑色菱形数量为9个，故白色区域扫描线的段数i＝10。
[0062]
在接下来的步骤s130中，确定获得的第一、第二扫描线位于白色区域的扫描线总长度的差是否超过阈值a，即响应于获得的第一、第二扫描线位于白色区
域的扫描线总长度的差超过阈值a，则进入步骤s131：判定机器人臂12存在垂直偏移故障，例如图4所示，通过总长度差值和菱形角度计算垂直偏移距离并进行矫正，之后回到步骤s100。
[0063]
响应于获得的第一、第二扫描线位于白色区域的扫描线总长度的差未超过阈值a，判定机器人臂不存在垂直偏移故障，进入下一检测序列，进行步骤s140。
[0064]
在步骤s140中，计算获得的上下白色区域扫描线除了首尾每个对应的小段的长度差，判断所得差值是否超过了阈值b，即|d
i-d
i
|≤b(i＝2、3...9)，响应于第一、第二扫描线位于白色区域的扫描线除了首尾每个对应的小段的长度差超过了阈值b，则进入步骤s141：判定机器人臂12存在垂直角度故障，例如图5所示，通过菱形夹角、差值、长度递增关系计算出机器人故障角度并进行矫正，之后回到步骤s100。
[0065]
若第一、第二扫描线位于白色区域的扫描线除了首尾每个对应的小段的长度差未超过阈值b，判定机器人臂不存在垂直角度故障，进入下一检测序列，进行步骤s150。
[0066]
在步骤s150中，计算获得的白色区域首尾两段扫描线长度差，判断所得差值是否超过了阈值c，即|d
1-d
10
|≤c，若所得差值大于阈值c则进入步骤s151：判定机器人臂发生水平偏移，例如图6所示，通过差值计算出水平位移偏移量进行矫正，回到步骤s100。
[0067]
若获得的白色区域首尾两段扫描线长度差未超过阈值c，则结束本次校准流程。
[0068]
机器精度故障的原因有三种类型：垂直偏移、垂直角度偏转、水平偏移，根据机器精度故障的原因，机器校准系统有对应步骤s130、s140、s150对机器精度故障原因进行判定，其中步骤s130为第一检测序列、步骤s140为第二检测序列、步骤s150为第三检测序列，机器校准过程中每发现一次错误立即进行矫正并重新遍历校准程序，这样即使多个错误同时发生，通过各个错误特有的扫描长度特征和多次校准也可以发现所有的错误并矫正。
[0069]
在机器人相机校准图像系统10之外，还包括处理器，所述处理器可以处理机器人相机校准图像系统10中获得的数据并通过这些数据对系统进行校准。
[0070]
虽然以上通过附图和实施例对本发明进行了详细描述，但是这样的图示和描述应被理解为是说明性或示例性而非限制性的。本发明并不局限于所公开的实施例。在权利要求中，词语“包括”并不排除其它部件或步骤，并且“一个”或特定“多个”应当被理解为”至少一个”或”至少特定多个”。权利要求中的任何参考标记都不应当被理解为对其范围加以限制。通过研习附图、说明书和所附权利要求，针对上述实施例的其它变化形式可以由本领域技术人员在无需创造性劳动即可理解并实施，而这些实施方式仍将落入本发明所附权利要求书的范围之内。