CN112720458B - 一种在线实时校正机器人工具坐标系的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在线实时校正机器人工具坐标系的系统及方法，包括：视觉相机安装于相机安装支架顶部支架上；光源安装于相机安装支架顶部支架上，光源位于工件上方，位于视觉相机的下方；光源中心设有通孔，视觉相机通过通孔拍摄下方工件；放置台面与相机安装支架底座连接；所示机器人本体夹持执行工装放置于放置台面上，执行工装用于安装工件；总控系统通过相机控制器控制视觉相机对工件进行拍照，获取工件特征点信息，并将工件特征点信息传输至总控系统，总控系统根据获取的特征点信息计算偏移量，并将偏移量发送至机器人控制器，机器人控制器解析后驱动机器人本体完成工具坐标系的位姿变化。

Description

一种在线实时校正机器人工具坐标系的系统及方法

技术领域

本发明涉及工业机器人标定技术领域，具体地，涉及一种在线实时校正机器人工具坐标系的系统及方法，更为具体地，涉及一种在线实时校正机器人工具坐标系的方法及装置的设计。

背景技术

目前，工业机器人切割打磨系统已逐渐应用于铸件行业中。铸件行业中工件的特点在于造型各异，有的工件利用其自身的定位面可以实现直接抓取，但有的工件难以直接抓取。对于无法直接抓取的工件，设计夹持工装，工件安装于工装内，再通过机器人夹具抓取工装上的夹持位置带动工件运动，从而实现工件的加工。其中，由于工件特殊性，工装必须留出足够的空间以待加工，因此无法在六个维度确保工件位姿的唯一性，出现待加工工件出现位姿偏移的现象，无法确保后续切割打磨工艺的准确有效的进行，从而需要校正其工件对应工具坐标系的位姿，满足加工需求并提高加工精度。

专利文献CN105091807A(申请号：201410179964.7)公开了一种机器人工具坐标系的校正方法，用于准确校正机器人夹持的工件的工具坐标系，机器人建立有一个基础工具坐标系，包括以下步骤:A、依据基础工具坐标系建立预估工具坐标系；B、将工件沿预估工具坐标系的坐标轴方向移动，测量移动的位置并得出预估工具坐标系的轴向旋转偏差ΔRy、ΔRx1、ΔRz2的值；C、预估工具坐标系补偿轴向旋转偏差ΔRy、ΔRx1、ΔRz2并得到校正后的预估工具坐标系；D、将工件沿校正后的预估工具坐标系的坐标轴转动，测量转动前后的位置并得出预估工具坐标系的原点偏差Δx、Δy、Δz的值；E、预估坐标系补偿原点偏差Δx、Δy、Δz并得到校正后的工具坐标系。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种在线实时校正机器人工具坐标系的系统及方法。

根据本发明提供的一种在线实时校正机器人工具坐标系的系统，包括：视觉相机、相机控制器、总控系统、机器人控制器、机器人本体、相机安装支架、光源、放置台面及执行工装；

所述相机安装支架包括相机安装支架底座、相机安装支架支柱和相机安装支架顶部支架；所述相机安装支架底座与相机安装支架支柱连接；所述相机安装支架支柱与所述相机安装支架顶部支架连接；所述视觉相机安装于所述相机安装支架顶部支架上；所述光源安装于所述相机安装支架顶部支架上，所述光源位于所述工件上方，位于所述视觉相机的下方；所述光源中心设有通孔，所述视觉相机通过所述通孔拍摄下方工件；

所述放置台面与所述相机安装支架底座连接；所示机器人本体夹持执行工装放置于所述放置台面上，所述执行工装用于安装工件；

所述总控系统通过所述相机控制器控制视觉相机对所述工件进行拍照，获取工件特征点信息，并将工件特征点信息传输至总控系统，总控系统根据获取的特征点信息计算偏移量，并将偏移量发送至机器人控制器，机器人控制器解析后驱动机器人本体完成工具坐标系的位姿变化。

优选地，所述视觉相机包括相机和镜头，是一种视觉传感装置，固定安装于视野范围内。

根据本发明提供的一种在线实时校正机器人工具坐标系的方法，运用上述所述的在线实时校正机器人工具坐标系的系统执行如下步骤：

步骤M1：标定基准工件的工具坐标系、相机坐标系与机器人坐标系；

步骤M2：对基准工件进行相机视觉识别与标定；

步骤M3：基于基准工件的识别与标定对待加工工件的工具坐标系进行在线实时校正。

优选地，所述步骤M1包括：

步骤M1.1：以基准工件的中心点或者基准工件固定尖点作为工具中心点进行基准工件的工具坐标系的标定；

步骤M1.2：机器人本体装夹基准工件移至相机视野内，在工件平面标记预设个点，并利用相机进行拍照，分别记录预设个点基于相机坐标系的坐标；

步骤M1.3：机器人本体以基准工件的工具中心点靠近工件平面标记的预设个点，分别记录工件的预设个点基于机器人坐标系的坐标；

步骤M1.4：基于工件平面标记的预设个点分别对应的相机坐标系的坐标以及机器人坐标系的坐标，建立相机坐标系与机器人坐标系之间的相互关系。

优选地，所述步骤M2包括：机器人本体装夹基准工件移至相机视野内，在基准工件平面上确认多个特征点，获取相机坐标系下的位姿信息，基于相机坐标系与机器人坐标系之间的相互关系，根据确认的多个特征点，确认基准工件的机器人基坐标系下装夹位姿信息。

优选地，所述步骤M3包括：

步骤M3.1：机器人本体装夹待加工工件调平，通过基准工件特征点确认当前待加工工件姿态；

步骤M3.2：根据基准工件的装夹位姿信息与当前待加工工件姿态确认位姿偏移量；

步骤M3.3：根据位姿偏移量对待加工工件的工具坐标系在线实时校正。

优选地，所述步骤M3.1包括：

步骤M3.1.1：待加工工件装夹调平，并移至相机视野内；

步骤M3.1.2：根据基准工件平面上确认的多个特征点，获取当前相机坐标系下多个特征点的位姿信息；

步骤M3.1.3：基于相机坐标系与机器人坐标系之间的相互关系，根据当前相机坐标系下的多个特征点位姿信息，确认当前待加工工件姿态。

优选地，所述步骤M3.1.3包括：总控系统获取预设数量的特征点信息，并对预设数量的特征点信息进行预处理，确认当前待加工工件姿态。

优选地，所述步骤M3.3包括：

步骤M3.3.1：视觉相机第一次拍照，根据旋转偏移量调整工具坐标系相应旋转角度；

步骤M3.3.2：相机第二次拍照，验证当前旋转角度是否在阈值范围内，根据位置偏移量调整工具坐标系相应位置量；

步骤M3.3.3：相机第三次拍照，验证当前旋转偏移量和当前位置偏移量是否都在阈值范围内。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明在加工过程中，通过视觉相机校正工件对应的机器人工具坐标系，比较基准工件的特征点位姿与待加工工件的特征点位姿，在线补偿偏移量，通过这种方式，实现复杂工件的装夹精准定位，进而，实现复杂工件的高精度、高效率的切割打磨等加工需求；

2、本发明涉及到多工序的复杂工件加工，可以重复多次实时校准工具坐标系，保证每道工序的高精度，过程中，将机器人带动工件移至指定相机视野内即可完成；

3、本发明适用于多种复杂工件，不局限于指定工件，针对不同工件表面挖掘特征点或者借助人为定义相机可识别特征点，即可进一步识别工件的位姿信息；

4、本发明为确保达到在线校正精度，采取闭环控制方法，通过先校正后验证的方式，确保机器人工具坐标系位姿校正无误。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明在线校正系统装置的结构示意图；

图2为本发明在线校正控制系统的结构示意图；

图3为本发明在线校正机器人工具坐标系控制方法的一种实施方式的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

根据本发明提供的一种在线实时校正机器人工具坐标系的系统，包括：视觉相机、相机控制器、总控系统、机器人控制器、机器人本体、相机安装支架、光源、放置台面及执行工装；

所述相机安装支架包括相机安装支架底座、相机安装支架支柱和相机安装支架顶部支架；所述相机安装支架底座与相机安装支架支柱连接；所述相机安装支架支柱与所述相机安装支架顶部支架连接；所述视觉相机安装于所述相机安装支架顶部支架上；所述光源安装于所述相机安装支架顶部支架上，所述光源位于所述工件上方，位于所述视觉相机的下方；所述光源中心设有通孔，所述视觉相机通过所述通孔拍摄下方工件；

所述放置台面与所述相机安装支架底座连接；所示机器人本体夹持执行工装放置于所述放置台面上，所述执行工装用于安装工件；

所述总控系统通过所述相机控制器控制视觉相机对所述工件进行拍照，获取工件特征点信息，并将工件特征点信息传输至总控系统，总控系统根据获取的特征点信息计算偏移量，并将偏移量发送至机器人控制器，机器人控制器解析后驱动机器人本体完成工具坐标系的位姿变化。

本发明基于机器视觉技术，动态识别机器人所夹持工件对应的工具坐标系与已标定的基准工件的工具坐标系间的位姿偏移量，从而实现在线实时校正工件对应的工具坐标系的目的。

每道加工工序前或加工相同工件时，为保证加工精度，需实时校正待加工工件。

具体地，所述视觉相机包括相机和镜头，是一种视觉传感装置，固定安装于视野范围内。

根据本发明提供的一种在线实时校正机器人工具坐标系的方法，运用上述所述的在线实时校正机器人工具坐标系的系统执行如下步骤：

步骤M1：标定基准工件的工具坐标系、相机坐标系与机器人坐标系；

步骤M2：对基准工件进行相机视觉识别与标定；

步骤M3：基于基准工件的识别与标定对待加工工件的工具坐标系进行在线实时校正。

具体地，所述步骤M1包括：

步骤M1.1：以基准工件的中心点或者基准工件固定尖点作为工具中心点进行基准工件的工具坐标系的标定；

步骤M1.2：机器人本体装夹基准工件移至相机视野内，在工件平面标记预设个点，并利用相机进行拍照，分别记录预设个点基于相机坐标系的坐标；

步骤M1.3：机器人本体以基准工件的工具中心点靠近工件平面标记的预设个点，分别记录工件的预设个点基于机器人坐标系的坐标；

步骤M1.4：基于工件平面标记的预设个点分别对应的相机坐标系的坐标以及机器人坐标系的坐标，建立相机坐标系与机器人坐标系之间的相互关系。

具体地，所述步骤M2包括：机器人本体装夹基准工件移至相机视野内，在基准工件平面上确认多个特征点，获取相机坐标系下的位姿信息，基于相机坐标系与机器人坐标系之间的相互关系，根据确认的多个特征点，确认基准工件的机器人基坐标系下装夹位姿信息。

具体地，所述步骤M3包括：

步骤M3.1：机器人本体装夹待加工工件调平，通过基准工件特征点确认当前待加工工件姿态；

步骤M3.2：根据基准工件的装夹位姿信息与当前待加工工件姿态确认位姿偏移量；

步骤M3.3：根据位姿偏移量对待加工工件的工具坐标系在线实时校正。

具体地，所述步骤M3.1包括：

步骤M3.1.1：待加工工件装夹调平，并移至相机视野内；

步骤M3.1.2：根据基准工件平面上确认的多个特征点，获取当前相机坐标系下多个特征点的位姿信息；

步骤M3.1.3：基于相机坐标系与机器人坐标系之间的相互关系，根据当前相机坐标系下的多个特征点位姿信息，确认当前待加工工件姿态。

具体地，所述步骤M3.1.3包括：总控系统获取预设数量的特征点信息，并对预设数量的特征点信息进行预处理，确认当前待加工工件姿态。

具体地，所述步骤M3.3包括：

步骤M3.3.1：视觉相机第一次拍照，根据旋转偏移量调整工具坐标系相应旋转角度；

步骤M3.3.2：相机第二次拍照，验证当前旋转角度是否在阈值范围内，根据位置偏移量调整工具坐标系相应位置量；

步骤M3.3.3：相机第三次拍照，验证当前旋转偏移量和当前位置偏移量是否都在阈值范围内。

实施例2

实施例2是实施例1的变化例

本发明针对现有技术存在的技术问题，提供一种在线实时校正机器人工具坐标系的方法。该方法针对机器人间接抓取工件时工件定位困难或存在偏移等情况提出解决方案，实现高精度、高效率的铸件切割打磨应用。

下面结合附图详细说明本发明一种在线实时校正机器人工具坐标系的方法及装置。

首先，在本实施方式中，如图1所示，一种在线实时校正机器人工具坐标系的装置包括机器人系统1、执行工装2、工件3、放置台面4、相机安装支架5、视觉相机6、光源7、机器人夹具8。所述机器人系统1包含机器人本体，机器人本体第六轴末端安装机器人夹具8，夹具在加工过程中用于夹持执行工装2；所述执行工装2放置于台面4上，工件3安装于所述执行工装2内；所述工件3包含基准工件和待加工工件；所述视觉相机6包含相机和镜头，是一种视觉传感装置，固定安装于相机安装支架5；所述光源7放置于工件3上方，用于为工件3打光，凸显其工件特征点，防止光线干扰，并与视觉相机6结合，实现相机拍摄的功能。

如图2所示，一种在线实时校正机器人工具坐标系的控制系统包含机器人控制器9、相机控制器10和总控系统11。所述机器人控制器9控制机器人本体的所有运动；所述相机控制器10与视觉相机6相连，根据所建立的画面处理算法解析所拍摄画面，分析得出位姿信息；所述总控系统11与相机控制器10通过通讯线相连接，相机控制器10与总控系统11之间建立通讯交互，传递图像位姿信息及应答交互信息；所述总控系统11与机器人控制器9通过通讯线相连接，机器人控制器9与总控系统11之间建立通讯交互，传递机器人位姿调节信息及应答交互信息。

请参阅图2和图3并结合图1，本发明一种在线实时校正机器人工具坐标系的方法实现步骤如下：

第一步：控制系统初始化，确认总控系统11、相机控制器10、机器人控制器9、视觉相机6、机器人1相应的通讯是否正常，在正常的情况下，执行步骤2；

第二步：工件装夹，调平固定。将工件3放置于执行工装2内，设计配套调平工具完成调平，确保高度方向处于水平位置，并装夹固定；

第三步：基于基准工件标定工具坐标系，以基准工件的中心点或工件固定尖点作为中心点进行标定；机器人系统1采用advintecTCP机器人工具和固定装置校准系统完成精确标定；

第四步：基于基准工件标定相机坐标系与机器人坐标系之间的关系；机器人系统1带动基准工件移至视觉相机6焦距平面，所述基准工件平面标记3点，通过相机控制器拍照，记录3点基于相机坐标系的坐标信息；机器人系统1以第三步标定的工具中心点触碰此3点，并记录3点基于机器人基坐标系的坐标信息；通过3点标记点分别在两个平面的坐标信息，标定相机坐标系与机器人基坐标系之间的关系；

第五步：基于视觉相机6标定基准工件的位姿信息；在工件平面确认至少两个特征点(x₁,y₁),(x₂,y₂)以确认基准工件的装夹位姿信息。通过以下运算获得基准值(θ,x,y)。

第六步：将待加工工件装夹固定调平，在线实时校正对应的工具坐标系。机器人本体带动待加工工件移至基准工件相同位置，通过特征点确认当前待加工工件姿态(θ₁,x₁,y₁)，其位姿偏移量为

所述实时校正过程如下：所述待加工工件到达视觉检测位置后，机器人控制器9发送到位信号至总控系统11，相机控制器10启动第一次拍照检测，检测出针对基准工件位置的旋转角度偏移量，发送至总控系统11；总控系统11对偏移量进行判别，若偏移量不在可调范围内，或未检测到工件，则系统报错；若偏移量在可调范围内，则机器人本体根据旋转偏移量校正工具坐标系相应旋转角度，并发送完成信号至总控系统。相机控制器10启动第二次拍照检测，检测出包括旋转角度及XY方向的位姿偏移量，发送至总控系统11；总控系统11对偏移量进行判别，首先验证旋转角度是否已在阈值θ'内，若已在阈值范围内，则机器人继续根据位置偏移量Δx和Δy调整工具坐标系相应位置量，并发送完成信号至总控系统，否则总控系统报错。最后，相机控制器10启动第三次拍照检测，检测出位姿偏移量，发送至总控系统11；总控系统11对偏移量进行判别，验证位姿偏移量分别在阈值θ'、x'和y'内，以满足高精度要求。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种在线实时校正机器人工具坐标系的方法，其特征在于，运用在线实时校正机器人工具坐标系的系统执行如下步骤：

步骤M1：标定基准工件的工具坐标系、相机坐标系与机器人坐标系；

步骤M2：对基准工件进行相机视觉识别与标定；

步骤M3：基于基准工件的识别与标定对待加工工件的工具坐标系进行在线实时校正；

所述步骤M1包括：

步骤M1.1：以基准工件的中心点或者基准工件固定尖点作为工具中心点进行基准工件的工具坐标系的标定；

步骤M1.2：机器人本体装夹基准工件移至相机视野内，在工件平面标记预设个点，并利用相机进行拍照，分别记录预设个点基于相机坐标系的坐标；

步骤M1.3：机器人本体以基准工件的工具中心点靠近工件平面标记的预设个点，分别记录工件的预设个点基于机器人坐标系的坐标；

步骤M1.4：基于工件平面标记的预设个点分别对应的相机坐标系的坐标以及机器人坐标系的坐标，建立相机坐标系与机器人坐标系之间的相互关系；

所述步骤M2包括：机器人本体装夹基准工件移至相机视野内，在基准工件平面上确认多个特征点，获取相机坐标系下的位姿信息，基于相机坐标系与机器人坐标系之间的相互关系，根据确认的多个特征点，确认基准工件的机器人基坐标系下装夹位姿信息。

2.根据权利要求1所述的在线实时校正机器人工具坐标系的方法，其特征在于，所述在线实时校正机器人工具坐标系的系统包括：视觉相机、相机控制器、总控系统、机器人控制器、机器人本体、相机安装支架、光源、放置台面及执行工装；

所述相机安装支架包括相机安装支架底座、相机安装支架支柱和相机安装支架顶部支架；所述相机安装支架底座与相机安装支架支柱连接；所述相机安装支架支柱与所述相机安装支架顶部支架连接；所述视觉相机安装于所述相机安装支架顶部支架上；所述光源安装于所述相机安装支架顶部支架上，所述光源位于工件上方，位于所述视觉相机的下方；所述光源中心设有通孔，所述视觉相机通过所述通孔拍摄下方工件；

所述放置台面与所述相机安装支架底座连接；所示机器人本体夹持执行工装放置于所述放置台面上，所述执行工装用于安装工件；

所述总控系统通过所述相机控制器控制视觉相机对所述工件进行拍照，获取工件特征点信息，并将工件特征点信息传输至总控系统，总控系统根据获取的特征点信息计算偏移量，并将偏移量发送至机器人控制器，机器人控制器解析后驱动机器人本体完成工具坐标系的位姿变化。

3.根据权利要求2所述的在线实时校正机器人工具坐标系的方法，其特征在于，所述视觉相机包括相机和镜头，是一种视觉传感装置，固定安装于视野范围内。

4.根据权利要求1所述的在线实时校正机器人工具坐标系的方法，其特征在于，所述步骤M3包括：

步骤M3.1：机器人本体装夹待加工工件调平，通过基准工件特征点确认当前待加工工件姿态；

步骤M3.2：根据基准工件的装夹位姿信息与当前待加工工件姿态确认位姿偏移量；

步骤M3.3：根据位姿偏移量对待加工工件的工具坐标系在线实时校正。

5.根据权利要求4所述的在线实时校正机器人工具坐标系的方法，其特征在于，所述步骤M3.1包括：

步骤M3.1.1：待加工工件装夹调平，并移至相机视野内；

步骤M3.1.2：根据基准工件平面上确认的多个特征点，获取当前相机坐标系下多个特征点的位姿信息；

步骤M3.1.3：基于相机坐标系与机器人坐标系之间的相互关系，根据当前相机坐标系下的多个特征点位姿信息，确认当前待加工工件姿态。

6.根据权利要求5所述的在线实时校正机器人工具坐标系的方法，其特征在于，所述步骤M3.1.3包括：总控系统获取预设数量的特征点信息，并对预设数量的特征点信息进行预处理，确认当前待加工工件姿态。

7.根据权利要求4所述的在线实时校正机器人工具坐标系的方法，其特征在于，所述步骤M3.3包括：

步骤M3.3.1：视觉相机第一次拍照，根据旋转偏移量调整工具坐标系相应旋转角度；

步骤M3.3.2：相机第二次拍照，验证当前旋转角度是否在阈值范围内，根据位置偏移量调整工具坐标系相应位置量；

步骤M3.3.3：相机第三次拍照，验证当前旋转偏移量和当前位置偏移量是否都在阈值范围内。

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