CN104819707A - 一种多面体主动光标靶 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多面体主动光标靶，用于提高工业机器人绝对精度和进行机器人末端轨迹跟踪，由若干个工作面、电板座、连接柱、法兰组成；所述若干个工作面与电板座共同组成多面体结构，每个工作面上都有能提供工作面的面编号、位置和姿态信息的特征图形，且特征图形为主动光源；所述电板座通过连接柱连接法兰，所述法兰连接工业机器人的末端执行器。本发明相较用球杆仪、自动经纬仪、三坐标测量机等获取机械臂末端位姿的方法有操作简单、更易集成到加工环境、工作范围大等优点。

Description

一种多面体主动光标靶

技术领域

本发明涉及视觉测量及机械人技术领域，具体为一种多面体主动光标靶。

背景技术

工业机器人发展至今，作为一种柔性自动化设备，对生产条件和生产环境的适应性具有很强的灵活性，并逐步发展成为一门新的学科和新的技术。近二十年来，为适应多品种、小批量的现代生产要求，工业机器人也越来越多地被应用到机械加工当中。相对于传统 CNC 加工而言，使用工业机器人进行机械加工，具有高柔性、低成本以及易于集成传感器、外部驱动器等外围设备的优点。然而，工业机器人的绝对精度差，限制了其在高端制造特别是要求轨迹精度领域的应用。机器人加工过程中，有很多因素影响着机器人的绝对精度，这些因素主要来源于机器人的内部误差和机器人工作环境的外部误差。内部误差主要是指机器人加工系统内部因素引起的误差，包括加工原理误差，几何误差，受力变形，热变形，道具磨损，切削力及力矩，摩擦力，振动等。这些误差中机器人的几何尺寸要占80%左右的比例，因此如果能对机器人的几何误差进行补偿可大大提高机器人的绝对精度。

目前，解决这个问题的常用方法是机器人绝对精度标定。通过一定的测量手段获得机器手臂的末端位置和姿态（下文简称位姿），从机器人控制器上读取各关节的角度值，建立机器人DH参数模型，确定机器人命令位姿，以实际测量位姿和命令位姿误差平方和为目标函数，优化得到机器手臂DH参数的实际值，以DH参数实际值控制机器人运动，从而校正机器人绝对精度误差。

获取机器手臂位姿，测量手段是一个极其重要的因素，用于机器人精度标定的测量系统工业上常用的包括激光跟踪仪测量系统、球杆仪、三坐标测量机等。

（1）球杆仪：分单球杆和双球杆两类，其核心是一个径向距离线性传感器，可以精确测量机器人选定的末端位置与工作空间内一固定点之间的距离。这种测量系统相对便宜、操作简单且精度高。

（2）自动经纬仪：测量精度高，但存在如下缺点：要求特殊的设备和训练有素的技术人员，测量结果与环境变化及测量者的水平有很大关系，安装时间长，成本高。

（3）三坐标测量机：三坐标测量机是以精密机械为基础的高效率高精度的测量设备，可用于机器人位姿测量，这种测量设备可靠性好，精度高，但占用空间大，成本高。

通过以上设备都能很准确地获得机器手臂末端的位姿。但问题是，用这些设备获取机器手臂实际位姿有着共同的缺点如下：（1）需要专业的技术人员来操作这些仪器；（2）数据采集费时费力，难以实现自动化；（3）成本高，测量方法繁琐。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种多面体主动光标靶，用于提高工业机器人绝对精度和进行机器人末端轨迹跟踪。对标靶的形状结构、标靶光源、标靶上的特征图形、特征图形的识别方法进行了设计，使得机器人末端姿态的获取可直接由其视觉模块来实现，同时这个套设备也可以应用于机器人末端位姿的实时跟踪，对实现机器人智能化制造提供了一定的技术支持。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多面体主动光标靶，用于提高工业机器人绝对精度和进行机器人末端轨迹跟踪，由若干个工作面、电板座、连接柱、法兰组成；所述若干个工作面与电板座共同组成多面体结构，每个工作面上都有能提供工作面的面编号、位置和姿态信息的特征图形，且特征图形为主动光源；所述电板座通过连接柱连接法兰，所述法兰连接工业机器人的末端执行器。

所述工作面上特征图形的排布为大圆和小圆的组合的排布方式，其中大圆作为特征点，小圆作为特征识别的辅助作用，或反过来小圆作为特征点，大圆作为特征识别的辅助作用。

所述工作面包括修光板、扩散板、灯架、灯珠、散热铝基板；所述灯珠根据工作面上特征图形的排布固定在散热铝基板上，所述散热铝基板固定在灯架上，所述扩散板和修光板依次固定在灯架上，所述修光板和灯架上根据工作面上特征图形的排布开有圆孔。

所述修光板用厚度小于0.5mm的不锈钢板制成，保证其平面度和孔之间的位置精度，同时对修光板上的每个光孔外边缘进行同钢板厚度一致的60度倒角，保证特征图形在相机上所呈现的椭圆或者圆图像的中心和实际的中心同心精度。

所述扩散板选用聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚丙烯中的一种或几种制成。

所述灯珠为波段为850nm的红外光灯，或其他波段的单色光，通过在相机前加装相应波段的带通滤波片来滤除环境光的影响，以保证特征图形能在相机中呈现纯净的椭圆或者圆图像。所述散热铝基板上还印刷有灯珠工作电路。

本发明由于采取以上技术方案，相较上文所罗列的那些测量方法其具有以下优点：

本发明操作简单，用户只需将标靶装在机械臂末端，不要求标靶与末端的安装精度，然后移动机器手臂到几个不同位姿，并分别触发相机进行数据采集，然后对标靶特征进行识别定位，利用立体视觉技术获取机器人末端执行器的位姿。

本发明更容易集成到加工环境中，使用视觉检测方法实现，并配备了测量系统位姿检测机制，可在加工现场进行标定。标靶为主动光源的几何图像，相对于基于亮度特征的主动光源特征，检测精度不受距离远近和图像亮度均匀性的影响。标靶为多面体结构，只要任意一平面可视即可计算其位姿，可适应机器人空间任意姿态的测量。特征图形分布采用三直线“箭头”，提供面的位置和姿态信息，辅助特征圆的为坐标原点识别、方向判断，面识别提供合作信息。

附图说明

图1为一种多面体主动光标靶实施例结构示意图。

图2为工作面组成示意图。

图3为实施例工作面的特征图形示组成示意图。

图4为实施例五个工作面的特征图形示意图。

图5为本发明标靶的使用示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种多面体主动光标靶，用于提高工业机器人绝对精度和进行机器人末端轨迹跟踪，由五个工作面4~8、电板座9、连接柱10、法兰11组成；所述五个工作面与电板座9共同组成六面体结构，每个工作面上都有能提供工作面的面编号、位置和姿态信息的特征图形，且特征图形为主动光源；所述电板座9通过连接柱10连接法兰11，所述法兰11连接工业机器人的末端执行器。

如图3和图4所示，所述工作面上特征图形的排布为大圆和小圆的组合的排布方式，其中大圆作为特征点，小圆作为特征识别的辅助作用，或反过来小圆作为特征点，大圆作为特征识别的辅助作用。本实施例中每个工作面4~8的特征图形都是由七个大圆A~G和三个小圆a~c组成。大圆A的中心定义为标靶工作面坐标系的原点，大圆A、B、C等距排布在X轴方向，大圆A、D、F等距排布在Y轴方向，大圆A、E、G等距排布在45度轴方向。小圆a、b围绕在大圆A的周围用于辅助识别是大圆A，并定义标靶工作面坐标系的X轴和Y轴，小圆c排布在大圆G周围的，对于不同的工作面4~8，小圆c相对大圆G的位置不同，以此来识别不同的工作面。图4即为每个工作面上小圆c的不同排列方式，图中0度、45度、90度、180度、270度表示的是c号小圆相对大圆G的方位。

所述标靶工作面4~8上的大圆的直径应大于小圆的直径的2倍，大圆与大圆的最小距离不小于3倍大圆直径，大圆与小圆的最小距离应是小圆直径的2倍左右。

如图2所示，所述工作面包括修光板12、扩散板13、灯架14、红外灯珠15、散热铝基板16；所述红外灯珠15根据工作面上特征图形的排布固定在散热铝基板16上，所述散热铝基板16固定在灯架14上，所述扩散板13和修光板12依次固定在灯架14上，所述修光板12和灯架14上根据工作面上特征图形的排布开有圆孔。

所述修光板12用厚度小于0.5mm的不锈钢板制成，修光板12上的十个孔是用来保证特征点的大小和相互位置，所以孔与孔之间的相对位置误差应保证在±0.005mm以内，为此采用慢走丝的方式加工这几个孔来保证其的精度要求，同时为了保证特征点在相机3中的成像精度和质量应在每个圆孔的边缘倒60度的倒角，倒角窄边的大小和板厚一致，同时应对其进行发黑处理，以避免因镜面反射影响特征圆的成像效果。

所述扩散板13用来将红外灯珠15的光进行扩散，使其能在图像中显示均匀准确的椭圆或者圆特征。为此选用具有良好的光扩散效果的材料制成比如聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚丙烯等材料。

所述灯架14用来固定修光板12、扩散板13和散热铝基板16，其厚度应不小于15mm，以保证红外灯珠15和扩散板13的距离不至于太小而影响圆的亮度的均匀度，灯架14上应为每个红外灯珠15都配有一个独立的光孔，以避免灯珠15之间的光线的干扰。

所述红外灯珠15为波段为850nm的红外光灯，发光角度在85°以上，以保证灯珠在扩散板13上打光均匀，通过在相机3前加装相应波段的带通滤波片来滤除环境光的影响，以保证特征图形能在相机3中呈现纯净的椭圆或者圆图像。

所述散热铝基板16上印刷有红外灯珠15工作电路，用于并联每个特征点面上的所有红外灯珠15，并为红外灯珠15散热，以保证红外灯珠15的使用寿命。

本发明的工作过程和原理如下：

参见图5，将本发明的多面体主动光标靶固定在机械手臂末端，随着机械手臂一起运动，当要获取机械手臂末端位姿时，触发相机3进行对标靶进行图像采集，通过立体视觉算法获取机械手臂末端的位姿（和标靶1的位姿存在一个固定不变的转换矩阵）、从而进行机械手臂绝对精度的标定。

上述七个大圆A~G和三个小圆a~c的识别方法可由以下几步完成：提取特征点→区分大小圆→对大小圆进行编号→建立标靶工作面坐标系→坐标系统一。

提取特征点：运用亚像素边缘提取的图像处理方法可对特征圆的轮廓进行提取，再对提取后的轮廓查找和拟合就能得到特征圆的中心的像素坐标，以椭圆中心作为特征点。

区分大小圆：利用大圆的直径是小圆直径的两倍的设置，区分大圆和小圆。先对特征圆的椭圆图形的长轴进行排序，依次将相邻椭圆半径相除，根据商值是否约等于2作为判断条件，确定大圆、小圆的分界点，进而区分大小圆。

对大小圆进行编号：先通过两个小圆a~b找出大圆A，再由向量叉乘的方法对小圆a~b进行编号，然后通过已经编号的大圆A和小圆a~b定义标靶的工作面的坐标轴X、Y、原点及45度轴方向，再分别在X、Y、45度方向搜索大圆B~G，最后通过大圆G找出其环绕小圆c。

建立标靶工作平面坐标系：以大圆A的圆心为坐标原点，以大圆A~C的圆心所拟合的直线方向为X轴，以大圆A、D、F的圆心所拟合的直线方向为Y轴建立标靶工作面4~8的坐标系，从而可得标靶工作面4~8坐标系在相机坐标系下的位姿。

坐标系统一：在标定了工作面4~8之间的相对位姿后，运用坐标系转化的方法将在相机中所识别的工作面4~8的位姿统一转化到工作面4上，以方便对机械手臂末端位姿的提取。

Claims (7)

1.一种多面体主动光标靶，用于提高工业机器人绝对精度和进行机器人末端轨迹跟踪，其特征在于：由若干个工作面、电板座（9）、连接柱（10）、法兰（11）组成；所述若干个工作面与电板座（9）共同组成多面体结构，每个工作面上都有能提供工作面的面编号、位置和姿态信息的特征图形，且特征图形为主动光源；所述电板座（9）通过连接柱（10）连接法兰（11），所述法兰（11）连接工业机器人的末端执行器。

2.根据权利要求1所述的多面体主动光标靶，其特征在于：所述工作面上特征图形的排布为大圆和小圆的组合的排布方式，其中大圆作为特征点，小圆作为特征识别的辅助作用，或反过来小圆作为特征点，大圆作为特征识别的辅助作用。

3.根据权利要求1所述的多面体主动光标靶，其特征在于：所述工作面包括修光板（12）、扩散板（13）、灯架（14）、灯珠（15）、散热铝基板（16）；所述灯珠（15）根据工作面上特征图形的排布固定在散热铝基板（16）上，所述散热铝基板（16）固定在灯架（14）上，所述扩散板（13）和修光板（12）依次固定在灯架（14）上，所述修光板（12）和灯架（14）上根据工作面上特征图形的排布开有圆孔。

4.根据权利要求3所述的多面体主动光标靶，其特征在于：所述修光板（12）用厚度小于0.5mm的不锈钢板制成，保证其平面度和孔之间的位置精度，同时对修光板（12）上的每个光孔外边缘进行同钢板厚度一致的60度倒角，保证特征图形在相机（3）上所呈现的椭圆或者圆图像的中心和实际的中心同心精度。

5.根据权利要求3所述的多面体主动光标靶，其特征在于：所述扩散板（13）选用聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚丙烯中的一种或几种制成。

6.根据权利要求3所述的多面体主动光标靶，其特征在于：所述灯珠（15）为波段为850nm的红外光灯，或其他波段的单色光，通过在相机（3）前加装相应波段的带通滤波片来滤除环境光的影响，以保证特征图形能在相机（3）中呈现纯净的椭圆或者圆图像。

7.根据权利要求3所述的多面体主动光标靶，其特征在于：所述散热铝基板（16）上还印刷有灯珠（15）工作电路。