CN104842353B - 基于超声换能器标定的机械手定位方法、系统及标定工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声换能器标定的机械手定位方法、系统及标定工具，通过设计与机械手固连的标定工具，控制机械手的运动，使得超声换能器声波打在目标位置，从而对超声换能器进行定位，获得超声换能器相对于机械手基座的坐标，对超声换能器进行定位，提高了超声换能器定位的便捷性和精确度，同时很大程度上减少了人力的投入，提高了生产效率。

Description

基于超声换能器标定的机械手定位方法、系统及标定工具

技术领域

本发明涉及超声波无损检测领域，具体涉及一种基于超声换能器特性的机械手定位方法、系统及标定工具。

背景技术

目前，对用于航空航天及核电等领域的工件的质量要求比较高，比如航空发动机的叶片，核电站运输管路的阀门部件等，对此类工件的加工过程及成品需要进行无损检测以保证其内部及表面无缺陷。超声波在产品无损检测领域得到了广泛的应用，而且技术已经很成熟。

目前，对产品的无损检测是在产品加工成型后，将产品挪到无损检测的相关部门在进行人工检测，这种检测方法一方面效率较低，不能及发现并剔除在生产过程中有缺陷的产品；另一方面对于成批加工、数量较多的产品，只能抽样检测，不能对每个产品进行检测。

机械手被广泛应用于各生产线中的加工及搬运过程中，如机械手的重复定位精度可以达到20-60微米之间，绝对定位精度可以达到50-100微米之间，而且配套有完善的自动编程及离线编程程序，可以根据实际情况进行编程，控制机械手的运动轨迹。机械手的使用，很大程度提高了提高生产效率，大大减少了人力的投入。

综上所述，在产品生产过程中，根据产品的质量要求，在产品加工的某一重要工序用机械手夹持工件，将超声换能器用与生产线中进行无损检测具有较好的应用前景。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于超声换能器标定的机械手定位方法、系统及标定工具，利用了超声信号的基本特性及机械手可行的运动方式，能够通过简单的机械手操作及超声信号判定完成传感器定位。

一种基于超声换能器标定的机械手定位标定工具，所述标定工具具体包括：标定平板和用于与机械手固连的法兰盘；

所述法兰盘一面垂直固定标定平板；在所述标定平板的中心设置等宽的水平方向条型槽和竖直方向条型槽，槽宽与标定所用超声波声束直径相当，为声束直径的110％-125％；水平方向条型槽和竖直方向条型槽交汇处设置圆型凹槽，圆型凹槽直径与水平方向条型槽槽宽相等、槽深大于水平方向条型槽槽深；水平方向条型槽和竖直方向条型槽将标定平板划分为四个区域，在任意两个对角区域内分别设置直径与水平方向条型槽槽宽相等的圆形凹槽作为验证槽，且两个验证槽槽深不同。

本发明还提供了一种基于超声换能器标定的机械手定位系统，具体包括：机械手及其远程控制系统、超声检测系统和如权利要求1所述的标定工具；

所述机械手及其远程控制系统，具体包括：机械手、控制器和计算单元；所述超声检测系统，具体包括：数据采集卡、脉冲收发仪和超声换能器；标定工具固定在机械手上，与机械手一起联动；

控制器在计算单元的指挥下控制机械手的运动，从而带动标定工具相对于超声波入射位置相对运动，并将机械手相对于基座的实际位姿反馈给计算单元；

脉冲收发仪驱动超声换能器发射超声波，将打到标定工具后返回的回波信号传递给数据采集卡进行采集并传递给计算单元；

所述计算单元利用机械手的运动，使得超声波在标定工具的标定平板表面进行扫查，通过超声波幅值识别标定平板上的起伏，识别水平方向条型槽和竖直方向条型槽的位置，进而利用机械手的运动使得超声波打在圆型凹槽的位置；此时，由机械手相对于基座的当前位姿，计算得到相对于机械手基座的超声换能器声束轴线的空间向量与超声换能器空间位置，进而获得超声换能器相对于机械手基座的空间向量和空间位置。

优选地，所述控制器进一步通过发送脉冲激励信号触发脉冲收发仪和数据采集卡开始工作。

优选地，所述计算单元在超声波打在圆型凹槽的位置并利用该位置确定超声换能器空间位置后，进一步根据超声换能器的空间位置，规划机械手运动轨迹使得超声波打到两个验证槽的位置，由回波信号判断传感器定位是否符合定位精度要求。

本发明基于上述机械手和定位系统，还提供了一种定位方法，该定位方法包括如下步骤：

步骤一、将标定工具与机械手固连，令法兰盘水平方向条型槽和竖直方向条型槽槽底所形成的十字型面与机械手工具坐标系OXZY的YOZ平面重合；其中，X正方向为水平向后，Y正方向为水平向右，Z正方向为水平向下，原点O在机械手手腕中心处；

步骤二、控制器在计算单元的指挥下控制机械手运动，从而带动标定工具相对于超声波入射位置运动，使超声波扫查所述标定平板，通过超声波幅值识别标定平板表面上水平方向条型槽和竖直方向条型槽的位置，接着通过控制机械手运动使得超声波声束打在水平方向条型槽和竖直方向条型槽的交汇位置处，即圆型凹槽位置；

步骤三、计算单元根据机械手相对于基座的当前位姿以及回波信号计算得到超声换能器相对于机械手基座坐标系的坐标。

优选地，步骤三之后，该方法进一步包括：控制器控制机械手运动，使得超声传感器的声束分别打入标定平板的两个验证槽，根据超声波打在验证槽内时机械手相对于基座的位姿以及回波信号再次计算超声换能器相对于机械手基座的空间坐标，从而验证步骤三中得到的超声换能器相对于机械手基座的空间位置是否准确，如果不准确，则重新执行步骤二和步骤三。

优选地，步骤二具体步骤包括：

步骤201、设置机械手运动方式为工具坐标系OXYZ运动方式；

步骤202、控制器控制机械手沿着平行于Z轴的方向往复运动，且在往复运动过程中沿Y轴移动，使得超声波照射反复垂直经过水平方向条型槽；计算单元根据控制器反馈的机械手相对于基座的实时位姿和数据采集卡采集的超声信号得到超声幅值沿Z方向的变化图，得到幅值最大点对应的机械手相对于基座的位姿信息，并将此时超声波打到的位置称为位置A；

步骤203、计算单元通过控制器控制机械手运动，使得超声波声束打到位置A，同时控制机械手绕工具坐标系Y轴转动；计算单元根据控制器反馈的机械手相对于基座的实时位姿和数据采集卡采集的超声信号，获得绕Y轴转动时超声波幅值随转动角度的变化图，得到幅值最大点对应的机械手相对于基座的位姿信息，并将此时超声波打到的位置称为位置B；

步骤204、控制器控制机械手沿着平行于Y轴的方向往复运动，且在往复运动过程中沿Z轴移动，使得超声波照射点反复垂直经过竖直方向条型槽；计算单元根据控制器反馈的相对于基座的实时位姿和数据采集卡采集的回波信号得到超声幅值沿Y方向的变化图，得到幅值最大点对应的机械手相对于基座的位姿信息，并将此时超声波打到的位置称为位置C；

步骤205、计算单元通过控制器控制机械手运动使得超声波声束打到位置C，同时控制机械手绕工具坐标系绕Z轴转动；计算单元根据控制器反馈的相对于基座的实时位姿和数据采集卡采集的回波信号获得绕Z轴转动时超声波幅值随转动角度的变化图，得到幅值最大点对应的机械手相对于基座的位姿信息，并将此时超声波打到的位置称为位置D；

步骤206、计算单元根据位置B和位置D的信息，计算得到超声波打入标定平板上水平方向条型槽和竖直方向条型槽交汇位置处即圆形凹槽时机械相对于基座的位姿，并控制机械手运动到此处，此时超声波光束打入圆形凹槽内并且光束垂直于标定平板。

有益效果：

本发明通过机械手的移动对超声换能器进行定位，提高了超声换能器定位的便捷性和精确度，同时很大程度上减少了人力的投入，提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明定位系统定位流程图。

图2为用于定位超声换能器的机械手定位系统。

图3为标定工具结构图。

图4为机械手工具坐标系示意图。

图5为本发明定位方法的机械手轨迹规划示意图。

图6为本发明机械手位置校正的示意图。

图7为本发明机械手位置校正后的示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于超声换能器标定的机械手定位方法、系统及标定工具，其核心思想是设计一种安装在机械手上的定位工具，其上设置有不同深浅的凹槽，这样通过超声波打到该定位工具上并检测回波幅值，可以识别出定位工具上的凹槽，进而利用定位工具和机械手的固定位置关系，确定机械手与超声波发射点之间的位置关系。并且由于超声波发射点位置固定，从而可以实现机械手的定位，以便于后期对机械手夹持的工件进行检测。

如图2所示，该基于超声换能器标定的机械手定位系统，包括：机械手及其远程控制系统、超声检测系统和标定工具。其中，机械手及其远程控制系统，具体包括：机械手1、控制器2和计算单元3。超声检测系统具体包括数据采集卡4、脉冲收发仪5和超声换能器6。标定工具7固定在机械手1上，与机械手1一起联动。

控制器2在计算单元3的指挥下控制机械手1的运动，从而带动标定工具7相对于超声波入射位置相对运动，并将机械手1相对于基座的实际位姿反馈给计算单元3。该控制器2还可以进一步负责通过发送脉冲激励信号触发脉冲收发仪5和数据采集卡4开始工作。

脉冲收发仪5驱动超声换能器6发射超声波，将打到标定工具7后返回的回波信号传递给数据采集卡4进行采集并传递给计算单元3。

计算单元3利用机械手1的运动，使得超声波在标定工具7的标定平板7-2表面进行扫查，通过超声波幅值识别标定平板7-2上的起伏，识别水平方向条型槽和竖直方向条型槽的位置，进而利用机械手1的运动使得超声波打在圆型凹槽的位置；此时，由机械手1的当前位姿，计算得到相对于机械手基座的超声换能器6声束轴线的空间向量与超声换能器空间位置。

优选地，在此之后，进一步根据计算出的超声换能器的空间位置，规划机械手运动轨迹使得超声波打到两个验证槽的位置，由回波信号判断定位是否符合定位精度要求。

如图3所示，标定工具7具体包括标定平板7-2和用于与机械手1固连的法兰盘7-1。上部法兰盘7-1通过螺母与机械手1固连，法兰盘7-1尺寸根据机械手1的尺寸要求进行设计，法兰盘7-1未连接机械手的一面垂直安装标定平板7-2。在标定平板7-2的中心设置等宽的水平方向条型槽和竖直方向条型槽，槽宽与标定所用超声波声束直径相当，为声束直径的110％-125％。超声换能器声束直径一般为6-8mm，本实施例中设计宽度为8mm，深度为8mm。

水平方向条型槽和竖直方向条型槽交汇处设置圆型凹槽，圆型凹槽直径与水平方向条型槽槽宽相等、槽深大于水平方向条型槽槽深。本实施例中，设计圆型凹槽直径为8mm，深度大于槽的深度，设计为10mm。

水平方向条型槽和竖直方向条型槽将标定平板7-2划分为四个区域，在任意两个对角区域内分别设置直径与水平方向条型槽槽宽相等的圆形凹槽作为验证槽，且两个验证槽槽深不同。本实施例中，在左上和右下设置两个圆孔，深度分别设计为：左上为8mm和右下12mm，用来验证超声传感器声束轴线位置的定位准确性。

基于上述系统，结合图1，本发明基于超声换能器标定的机械手定位方法，具体步骤如下：

步骤一、将标定工具7与机械手1固连，水平方向条型槽和竖直方向条型槽槽底所形成的十字型面与机械手1工具坐标系OXZY的YOZ平面重合。

如图4所示，机械手1工具坐标系OXZY具体为：X正方向为水平向后，Y正方向为水平向右，Z正方向为水平向下，原点O在机械手1手腕中心处。本发明标定工具7的标定平板7-2与YOZ平面重合，利于后续的移动控制和位置计算。

步骤二、在计算单元3中规划机械手1的运动轨迹，并将机械手1的运动轨迹指令传输给控制器2；控制器2控制机械手1的运动，从而带动标定工具7相对于超声波入射位置运动，使超声波扫查标定平板7-2，通过超声波幅值识别标定平板7-2表面上水平方向条型槽和竖直方向条型槽的位置，然后通过控制机械手1运动使得超声波声束打在水平方向条型槽和竖直方向条型槽的交汇位置处，即圆型凹槽位置。

本步骤在控制超声波扫查时，先扫查水平方向条型槽，再扫查竖直方向条型槽，扫查时先确定条形槽位置，再确定条形槽垂直方向，两个条形槽均确定后，就可以找到中央圆形凹槽。此时，就可以获得机械手相对于超声换能器的位置。已知超声换能器位置的情况下，就可以进而获得机械手的位置标定结果。

本步骤二具体包括以下子步骤：

步骤201、设置机械手1运动方式为工具坐标系OXYZ运动方式，即X正方向运动水平向后，Y正方向运动水平向右，Z正方向运动水平向下。

步骤202、控制器2控制机械手1沿着平行于Z轴的方向往复运动，且在往复运动过程中沿Y轴移动，使得超声波照射反复垂直经过水平方向条型槽，如图5所示。计算单元3根据控制器2反馈的机械手1相对于基座的实时位姿和数据采集卡4采集的超声信号得到超声幅值沿Z方向的变化图，得到幅值最大点对应的机械手相对于基座的位姿信息，并将此时超声波打到的位置称为位置A。本步骤是为了找到水平方向条型槽的位置。

步骤203、计算单元3通过控制器2控制机械手1运动，使得超声波声束打位置A，同时控制机械手1绕工具坐标系Y轴转动，如图6所示，控制器2实时的得到机械手1运动的位置坐标并传送给计算单元3，计算单元3根据控制器2反馈的机械手1相对于基座的实时位姿和数据采集卡4采集的超声信号，获得绕Y轴转动时超声波幅值随转动角度的变化图，得到幅值最大点对应的机械手相对于基座的位姿信息，并将此时超声波打到的位置称为位置B。本步骤是为了找到垂直入射水平方向条型槽的机械手位置坐标，如图7所示。

步骤204、控制器2控制机械手1沿着平行于Y轴的方向往复运动，且在往复运动过程中沿Z轴移动，使得超声波照射点反复垂直经过竖直方向条型槽；计算单元3根据控制器2反馈的机械手1相对于基座的实时位姿和数据采集卡4采集的回波信号得到超声幅值沿Y方向的变化图，得到幅值最大点对应的机械手相对于基座的位姿信息，并将此时超声波打到的位置称为位置C。本步骤是为了找到竖直方向条型槽的位置。

步骤205、计算单元3反馈位置C的信息给控制器2控制机械手1运动，使得超声波声束打位置C，同时控制机械手1绕工具坐标系Z轴转动，控制器2实时的得到机械手1运动的位置坐标并传送给计算单元3，计算单元3根据机械手1反馈的相对于基座的实时位姿和数据采集卡4采集的回波信号获得绕Z轴转动时超声波幅值随转动角度的变化图，得到幅值最大点对应的机械手相对于基座的位姿信息，并将此时超声波打到的位置称为位置D。

步骤206、计算单元3根据位置B和位置D的信息，计算得到超声波打入标定平板7-2上水平方向条型槽和竖直方向条型槽交汇位置处即圆形凹槽时机械手相对于基座的位姿，并控制机械手1运动到此位置处，此时超声波光束打入圆形凹槽内并且光束垂直于标定平板7-2。本步骤是为了找到垂直入射竖直方向条型槽的机械手位置坐标。

步骤三、计算单元3根据机械手相对于基座的当前位姿以及回波信号计算得到超声换能器6相对于机械手1基座坐标系的坐标。

步骤四、控制器2控制机械手1运动，使得超声传感器6的声束分别打入标定平板7-2上左上、右下两验证槽，根据超声波打在验证槽内时机械手1相对于基座的位姿以及回波信号再次计算超声换能器6相对于机械手基座的空间位置，从而验证步骤三中得到的超声换能器6相对于机械手基地的空间位置是否准确。如果不准确，则重新执行步骤二和步骤三。

至此，本流程结束。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于超声换能器标定的机械手定位标定工具，其特征在于，所述标定工具(7)具体包括：标定平板(7-2)和用于与机械手(1)固连的法兰盘(7-1)；

所述法兰盘(7-1)一面垂直固定标定平板(7-2)；在所述标定平板(7-2)的中心设置等宽的水平方向条型槽和竖直方向条型槽，槽宽与标定所用超声波声束直径相当，为声束直径的110％-125％；水平方向条型槽和竖直方向条型槽交汇处设置圆型凹槽，圆型凹槽直径与水平方向条型槽槽宽相等、槽深大于水平方向条型槽槽深；水平方向条型槽和竖直方向条型槽将标定平板(7-2)划分为四个区域，在任意两个对角区域内分别设置直径与水平方向条型槽槽宽相等的圆形凹槽作为验证槽，且两个验证槽槽深不同。

2.一种基于超声换能器标定的机械手定位系统，其特征在于，所述定位系统具体包括：机械手及其远程控制系统、超声检测系统和如权利要求1所述的标定工具(7)；

所述机械手及其远程控制系统，具体包括：机械手(1)、控制器(2)和计算单元(3)；所述超声检测系统，具体包括：数据采集卡(4)、脉冲收发仪(5)和超声换能器(6)；标定工具(7)固定在机械手(1)上，与机械手(1)一起联动；

控制器(2)在计算单元(3)的指挥下控制机械手(1)的运动，从而带动标定工具(7)相对于超声波入射位置相对运动，并将机械手(1)相对于基座的实际位姿反馈给计算单元(3)；

脉冲收发仪(5)驱动超声换能器(6)发射超声波，将打到标定工具(7)后返回的回波信号传递给数据采集卡(4)进行采集并传递给计算单元(3)；

所述计算单元(3)利用机械手(1)的运动，使得超声波在标定工具(7)的标定平板(7-2)表面进行扫查，通过超声波幅值识别标定平板(7-2)上的起伏，识别水平方向条型槽和竖直方向条型槽的位置，进而利用机械手(1)的运动使得超声波打在圆型凹槽的位置；此时，由机械手(1)相对于基座的当前位姿，计算得到相对于机械手基座的超声换能器(6)声束轴线的空间向量与超声换能器空间位置。

3.如权利要求2所述的基于超声换能器标定的机械手定位系统，其特征在于，所述控制器(2)进一步通过发送脉冲激励信号触发脉冲收发仪(5)和数据采集卡(4)开始工作。

4.如权利要求2所述的基于超声换能器标定的机械手定位系统，其特征在于，所述计算单元(3)在超声波打在圆型凹槽的位置并利用该位置确定超声换能器空间位置后，进一步根据超声换能器(6)的空间位置，规划机械手(1)运动轨迹使得超声波打到两个验证槽的位置，由回波信号判断超声换能器定位是否符合定位精度要求。

5.一种采用如权利要求2所述的机械手定位系统的机械手定位方法，其特征在于，所述定位方法包括如下步骤：

步骤一、将标定工具(7)与机械手(1)固连，令法兰盘(7-1)水平方向条型槽和竖直方向条型槽槽底所形成的十字型面与机械手(1)工具坐标系OXZY的YOZ平面重合；其中，X正方向为水平向后，Y正方向为水平向右，Z正方向为水平向下，原点O在机械手(1)手腕中心处；

步骤二、控制器(2)在计算单元(3)的指挥下控制机械手(1)运动，从而带动标定工具(7)相对于超声波入射位置运动，使超声波扫查所述标定平板(7-2)，通过超声波幅值识别标定平板(7-2)表面上水平方向条型槽和竖直方向条型槽的位置，接着通过控制机械手(1)运动使得超声波声束打在水平方向条型槽和竖直方向条型槽的交汇位置处，即圆型凹槽位置；

步骤三、计算单元(3)根据机械手(1)相对于基座的当前位姿以及回波信号计算得到超声换能器(6)相对于机械手(1)基座坐标系的坐标。

6.如权利要求5所述的机械手定位方法，其特征在于，步骤三之后，该方法进一步包括：控制器(2)控制机械手(1)运动，使得超声换能器(6)的声束分别打入标定平板(7-2)的两个验证槽，根据超声波打在验证槽内时机械手(1)相对于基座的位姿以及回波信号再次计算超声换能器(6)相对于机械手基座的空间位置，从而验证步骤三中得到的超声换能器(6)相对于机械手基座的空间位置是否准确，如果不准确，则重新执行步骤二和步骤三。

7.如权利要求5或6所述的机械手定位方法，其特征在于，步骤二具体步骤包括：

步骤201、设置机械手(1)运动方式为工具坐标系OXYZ运动方式；

步骤202、控制器(2)控制机械手(1)沿着平行于Z轴的方向往复运动，且在往复运动过程中沿Y轴移动，使得超声波照射反复垂直经过水平方向条型槽；计算单元(3)根据控制器(2)反馈的机械手(1)相对于基座的实时位姿和数据采集卡(4)采集的超声信号得到超声幅值沿Z方向的变化图，得到幅值最大点对应的机械手相对于基座的位姿信息，并将此时超声波打到的位置称为位置A；

步骤203、计算单元(3)通过控制器(2)控制机械手(1)运动，使得超声波声束打到位置A，同时控制机械手(1)绕工具坐标系Y轴转动；计算单元(3)根据控制器(2)反馈的机械手(1)相对于基座的实时位姿和数据采集卡(4)采集的超声信号，获得绕Y轴转动时超声波幅值随转动角度的变化图，得到幅值最大点对应的机械手相对于基座的位姿信息，并将此时超声波打到的位置称为位置B；

步骤204、控制器(2)控制机械手(1)沿着平行于Y轴的方向往复运动，且在往复运动过程中沿Z轴移动，使得超声波照射点反复垂直经过竖直方向条型槽；计算单元(3)根据控制器(2)反馈的机械手(1)相对于基座的实时位姿和数据采集卡(4)采集的回波信号得到超声幅值沿Y方向的变化图，得到幅值最大点对应的机械手相对于基座的位姿信息，并将此时超声波打到的位置称为位置C；

步骤205、计算单元(3)通过控制器(2)控制机械手(1)运动使得超声波声束打到位置C，同时控制机械手(1)绕工具坐标系绕Z轴转动；计算单元(3)根据控制器(2)反馈的机械手(1)相对于基座的实时位姿和数据采集卡(4)采集的回波信号获得绕Z轴转动时超声波幅值随转动角度的变化图，得到幅值最大点对应的机械手相对于基座的位姿信息，并将此时超声波打到的位置称为位置D；

步骤206、计算单元(3)根据位置B和位置D的信息，计算得到超声波打入标定平板(7-2)上水平方向条型槽和竖直方向条型槽交汇位置处即圆形凹槽时机械手相对于基座的位姿，并控制机械手(1)运动到此处，此时超声波光束打入圆形凹槽内并且光束垂直于标定平板(7-2)。