CN103868996B - 用于无损检测的双机械手工件坐标系自动重合方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于无损检测的双机械手工件坐标系自动重合方法，该方法应用于双机械手检测系统中，在检测工件之前，通过示教的方式，使双机械手的顶尖分别在空间内任意不共线的三点处对齐，根据给定的方法计算两个机械手基坐标系下的坐标变换关系。在检测工件，需要确定两个机械手的工件坐标系时，只需示教其中一个机械手，确定其工件坐标系的三个点，得到该机械手的工件坐标系。另一个机械手的工件坐标系，根据双机械手之间的坐标变换关系和三点坐标，可以直接求得，且得到的两个机械手的工件坐标系重合。当检测不同类型的工件时，只需要重复其中一个机械手确定工件坐标系的步骤，大大节省了确定工件坐标系的时间。

Description

用于无损检测的双机械手工件坐标系自动重合方法

一、技术领域

本发明涉及超声无损检测领域、工业机器人应用领域，具体涉及到一种双机械手无损检测系统。提出一种不用示教两个机械手顶尖到达工件上的同一点，就能确保两个机械手工件坐标系重合的方法。

二、背景技术

由复合材料制造的复杂曲面零件的无损检测，由于需要一发一收两个传感器同步运动，一直是超声无损检测领域的一个难题。常规的检测方法很难完成曲面的检测任务。机械手由于柔性好，集成化程度高，能够实现复杂的扫查运动，在无损检测领域逐步获得推广和应用。在应用双机械手检测工件时，需要两个机械手协同运动完成复杂曲面的检测任务，需要两个机械手的工件坐标系重合。

两个机械手坐标系重合的传统方法是示教两个机械手到达工件坐标系上的三个点，然后计算各自的工件坐标系。对于不在工件上面的点，需要两个机械手更高的对齐精度，因为这些点的偏差将导致两个机械手工件坐标系的重合度下降。为了保证两个机械手的顶尖能够依次到达同一个点，需要根据工件形状，调整机械手的位姿，防止两个机械手干涉，才能依次让两个机械手的顶尖对齐，调整困难，且精度较差。

双机械手协同控制中工件坐标系的确定方法目前延续着传统的方法，每次要示教两个机械手到达同一个点，还要保证其对齐的精度。传统的双机械手工件坐标系重合方法操作难度大，每次的操作时间长，特别是变换不同类型的工件以后，重新确定两个机械手的工件坐标系，需要重复以上工作，效率很低。因此，提出双机械手工件坐标系自动重合的方法可以节省双机械手确定工件坐标系的时间。特别是针对变换工件以后工件坐标系的确定，只需要示教其中一个机械手确定其工件坐标系，就可以确定另一个机械手的工件坐标系，且两个机械手工件坐标系重合，该方法具有较大的操作优势，能够节省大量的时间。

三、发明内容

为了克服现有的确定双机械手工件坐标系重合方法工作量大、难度高、精度低等缺点，本发明提出一种简单方便使双机械手工件坐标系自动重合的方法。

本发明采用的技术方案是：双机械手检测工件的示意图如图1所示，控制两个机械手在空间中任意三个不共线的点对齐，记录两个机械手基坐标系下的坐标值，根据得到的数据推导出两个机械手之间的变换关系式。在确定工件坐标系时，示教其中一个机械手到工件坐标系上指定的三点，并记录这三点在主动机械手基坐标系中的坐标值，确定其工件坐标系。将这些点的坐标值通过变换关系式求出这些点在另一个机械手基坐标系下的值，并输入到此机械手中，确定其工件坐标系。

下面是本发明的理论推导过程。

我们首先定义两个机械手中一个为主动机械手（简称主手）Rm，另一个为从动机械手（简称从手）Rs。示教主手和从手的顶尖在空间中任意不共线的三点处对齐，如图2所示。

假设这三点在主手基坐标系下的坐标为：

P_m1＝[X_m1,Y_m1,Z_m1]′

P_m2＝[X_m2,Y_m2,Z_m2]′

P_m3＝[X_m3,Y_m3,Z_m3]′

在从手基坐标系下的坐标为：

P_s1＝[X_s1,Y_s1,Z_s1]′

P_s1＝[X_s2,Y_s2,Z_s2]′

P_s3＝[X_s3,Y_s3,Z_s3]′

求两个机械手之间的坐标变换关系需要四个线性无关的点坐标，为了保证四个点线性无关，需要求得一个点不在这三个点组成的平面上。

令

$\stackrel{\→}{P_{m1}{P}_{m4}}=\stackrel{\→}{P_{m1}{P}_{m2}}\×\stackrel{\→}{P_{m1}{P}_{m3}}---\left(1\right)$

$\stackrel{\→}{P_{s1}{P}_{s4}}=\stackrel{\→}{P_{s1}{P}_{s2}}\×\stackrel{\→}{P_{s1}{P}_{s3}}---\left(2\right)$

求得主手和从手第四个点的坐标：

P_m4=[X_m4,Y_m4,Z_m4]′

P_s4＝[X_s4,Y_s4,Z_s4]′

假设主手和从手之间的坐标变换关系式的旋转矩阵为

$R_{\mathrm{rm}}=\left[\begin{array}{ccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}\end{array}\right],$

平移矩阵为：

$P_{\mathrm{osm}}=\left[\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{osX}}\\ P_{\mathrm{osY}}\\ P_{\mathrm{osZ}}\end{array}\right].$

如图1所示。上述四点满足关系式

$\left[\begin{array}{c}{X}_{s1}\\ Y_{s1}\\ Z_{s1}\end{array}\right]=R_{\mathrm{rm}}*\left[\begin{array}{c}{X}_{m1}\\ Y_{m1}\\ Z_{m1}\end{array}\right]+P_{\mathrm{oxm}}---\left(3\right)$

$\left[\begin{array}{c}{X}_{s2}\\ Y_{s2}\\ Z_{s2}\end{array}\right]=R_{\mathrm{rm}}*\left[\begin{array}{c}{X}_{m2}\\ Y_{m2}\\ Z_{m2}\end{array}\right]+P_{\mathrm{osm}}---\left(4\right)$

$\left[\begin{array}{c}{X}_{s3}\\ Y_{s3}\\ Z_{s3}\end{array}\right]=R_{\mathrm{rm}}*\left[\begin{array}{c}{X}_{m3}\\ Y_{m3}\\ Z_{m3}\end{array}\right]+P_{\mathrm{osm}}---\left(5\right)$

$\left[\begin{array}{c}{X}_{s4}\\ Y_{s4}\\ Z_{s4}\end{array}\right]=R_{\mathrm{rm}}*\left[\begin{array}{c}{X}_{m4}\\ Y_{m4}\\ Z_{m4}\end{array}\right]+P_{\mathrm{osm}}---\left(6\right)$

通过线性变换可以导出以下关系式

$\left[\begin{array}{cccccccccccc}{X}_{m1}& 0& 0& Y_{m1}& 0& 0& Z_{m1}& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& X_{m1}& 0& 0& Y_{m1}& 0& 0& Z_{m1}& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& X_{m1}& 0& 0& Y_{m1}& 0& 0& Z_{m1}& 0& 0& 1\\ X_{m2}& 0& 0& Y_{m2}& 0& 0& Z_{m2}& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& X_{m2}& 0& 0& Y_{m2}& 0& 0& Z_{m2}& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& X_{m2}& 0& 0& Y_{m2}& 0& 0& Z_{m2}& 0& 0& 1\\ X_{m3}& 0& 0& Y_{m3}& 0& 0& Z_{m3}& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& X_{m3}& 0& 0& Y_{m3}& 0& 0& Z_{m3}& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& X_{m3}& 0& 0& Y_{m3}& 0& 0& Z_{m3}& 0& 0& 1\\ X_{m4}& 0& 0& Y_{m4}& 0& 0& Z_{m4}& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& X_{m4}& 0& 0& Y_{m4}& 0& 0& Z_{m4}& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& X_{m4}& 0& 0& Y_{m4}& 0& 0& Z_{m4}& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{r}_{11}\\ r_{21}\\ r_{31}\\ r_{12}\\ r_{22}\\ r_{32}\\ r_{31}\\ r_{32}\\ r_{33}\\ P_{\mathrm{osX}}\\ P_{\mathrm{osY}}\\ P_{\mathrm{osZ}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{X}_{s1}\\ Y_{s1}\\ Z_{s1}\\ X_{s2}\\ Y_{s2}\\ Z_{s2}\\ X_{s3}\\ Y_{s3}\\ Z_{s3}\\ X_{s4}\\ Y_{s4}\\ Z_{s4}\end{array}\right]---\left(7\right)$

求解上述的线性方程组，可以求得R_rm和P_osm，则两个机械手之间的坐标转换关系为：

P_s＝R_rm*P_m+P_osm (8)

在检测一类工件时，需要确定机械手的工件坐标系。控制主手顶尖到工件坐标系上的三个已知点如图3所示，这时不需要考虑机械手到这三点时姿态，容易控制，操作时间短。记录主手在基坐标系下这三点的坐标值，可以求得主手的工件坐标系。通过式（1）和（2）计算第四点的坐标，并将四点的坐标代入式（7），求得R_rm和P_osm。将主手基坐标系下的三点坐标值代入式（8），求得从手基坐标系下的三点坐标值。将求得的从手基坐标系下的三点坐标值输入到从手的机械手中，确定从手的工件坐标系。

由上述方法确定的两个机械手的工件坐标系自动重合。

如果两个机械手的位置没有变化，下一次需要确定工件坐标系时，不需要再次计算两个机械手之间的变换关系式。控制一个机械手到达工件坐标系下的三点，就能够确定新的双机械手的工件坐标系。

本发明的有益效果是，在确定工件坐标系时，只需要确定一个机械手的工件坐标系，就可以使两个机械手的工件坐标系自动重合，大大节省确定双机械手工件坐标系的时间。当需要检测不同类型的工件时，如果两个机械手的位置没有发生变化，则再次确定工件坐标系时，不需要重新计算两个机械手之间的坐标变换关系式，只需要使用主动机械手确定工件坐标系，这样大大缩短了确定工件坐标系的时间。

四、附图说明

图1是双机械手系统坐标系关系示意图。

图2是主动机械手和和从动机械手顶尖空间对齐的示意图。

图3是主动机械手确定工件坐标系的示意图

图4是双机械手系统检测工件的示意图

图中标注

1-主动机械手 2-从动机械手 3-主动机械手顶尖 4-从动机械手顶尖 5-主动机械手基坐标系 6-从动机械手基坐标系 7-工件坐标系 8-发射换能器 9-接收换能器 10-被测工件

五、具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细说明：

1.对于位置固定的双机械手检测系统，依次控制两个机械手运动，将两个机械手顶点在空间中任意不共线的三点处对齐，记录这三个点在两个机械手基坐标系中的坐标值。

2.通过式（1）和（2）计算第四点的坐标，根据式（7）计算两个机械手基坐标系的坐标转换关系，推导出R_rm和P_osm。

3.在检测工件时，示教主动机械手到工件坐标系上指定的三点，并记录这三点在主动机械手基坐标系中的坐标值。

4.根据这三点坐标，确定主动机械手的工件坐标系。

5.将上述三点的坐标值代入到坐标变换关系式（8）中，得到这三个点在从动机械手基坐标系中的坐标值。

6.将计算得到的三点坐标值输入到从动机械手中，确定从动机械手的工件坐标系。

7.当更换不同类型的工件时，只需要主动机械手重新确定工件坐标系，再重复步骤3到步骤6，则两个机械手的工件坐标系将在新的工件坐标系下重合。

Claims (3)

1.一种双机械手工件坐标系自动重合的方法，其特征是对位置确定的双机械手检测系统，依次控制两个机械手在空间中任意不共线三点处对齐，并记录其在两个机械手基坐标系下的坐标值，根据给定的算法确定两个机械手之间的坐标变换关系，在需要确定两个机械手的工件坐标系时，只需示教其中一个机械手到达工件坐标系上的三个已知点，得到该机械手的工件坐标系，这三个点通过坐标变换关系的算法得到第二个机械手在这三个点的坐标值，进而得到第二个机械手的工件坐标系，通过上述几步使得两个机械手的工件坐标系重合。

2.根据权利要求1所述的双机械手工件坐标系自动重合方法，其特征是：示教其中一个机械手的顶尖到被测工件坐标系的三个已知点，可以得到该机械手的工件坐标系，根据已经确定的两个机械手之间的坐标变换关系，计算出这些点在第二个机械手基坐标系下的坐标值，将上述步骤得到的坐标值输入到第二个机械手的基坐标系当中，确定这个机械手的工件坐标系，得到的两个机械手的工件坐标系重合。

3.根据权利要求1所述的双机械手工件坐标系自动重合方法，其特征是：变换不同类型的工件后，重新确定两个机械手的工件坐标系时，只需重新确定一个机械手的工件坐标系，第二个机械手的工件坐标系可以根据上述计算的坐标变换关系式进行推导，不需再次计算两个机械手的坐标变换关系。