CN105058168A - 基于视觉和移动机械臂的多坐标加工中心组合方法 - Google Patents

Abstract

为了克服移动机器人与镗、铣、钻等机床不能直接组合成多坐标加工中心的重大技术缺陷，本发明提出一种基于视觉和移动机械臂的多坐标加工中心组合方法，该方法通过在移动机械臂和镗床、铣床、钻床设置加工任务和工序；设置移动机械臂轨道和夹具，并在移动机械臂上安装CCD和激光测距或者安装connect相机，在镗床、铣床、钻床面临移动机械臂轨道设置多个光标识点，然后由移动机械臂的多关节控制使得移动机械臂将待加工工件移至预定位置，同时，在加工过程中进行在线定位监测和误差修正，对加工系统给出故障报警，实现了多坐标加工中心组合，解决了移动机器人与镗、铣、钻等机床直接组合成多坐标加工中心的重大技术问题。

Description

基于视觉和移动机械臂的多坐标加工中心组合方法

技术领域

本发明涉及多坐标加工中心、移动机器人和视觉感知方法，特别涉及基于视觉和移动机械臂的多坐标加工中心组合方法，属于机械和信息技术领域。

背景技术

装备制造业被誉为“工业母机”，是制造业的基石。工业现代化所需的各类装备和设施都离不开高档加工中心和基础制造装备，其性能、质量和拥有量已成为当今衡量一个国家工业化水平、综合国力的重要标志；综观全球，美国、日本、德国等世界装备制造业强国无不重视控制高端制造装备这一产业制高点，重视用高技术优化提升传统装备制造业，支撑高端制造，保持产业优势；随着机床工业的发展，加工中心的技术水平也得到了较大发展；加工中心具有以下主要特点：⑴加工中心万能性大，大型工件装夹及找正困难而且费时，因此希望尽可能在一次安装中将全部表面加工出来，所以加工中心的万能性较大，数控机床可以进行镗、铣、钻等各种工作；⑵由于加工中心庞大,为使操纵方便起见,通常是用悬挂式操纵板或操纵台集中操纵；⑶为了观察部件位移方便,加工中心大多备有移动部件立柱、主轴箱及镗轴位移的数码显示装置，以节省观察及测量位移的时间和减轻工人劳动强度；加工中心技术发展的总趋势是高速、精密和多功能，其产品开发针对难加工材料的重切削机种、针对复杂开关加工的智能多轴控制装置和综合多轴控制系统。

以传统金切削为主的五轴联动加工中心价格很高，若大型龙门则更昂贵；该加工中心扭矩大，精度高，速度慢，可加工各种金属及非金属；

机器人技术是涉及机械学、传感器技术、驱动技术、控制技术、通信技术和计算机技术的一门综合性高新技术，既是光机电一体化的重要基础，又是光机电一体化技术的典型代表，它是多学科科技革命的必然结果。近年来，随着机器人研究的不断发展，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透，结合这些领域的应用特点，各种各样的具有不同功能的机器人被研制出来，并且在不同的应用领域都得到了广泛的应用；例如，美国Wolstenholme机器公司生产的MR5和MR7排爆机器人，能用于户内及户外环境、适应各种地形活动，完成排爆功能，已被美国军方广泛使用；排爆机器人是特种机器人的一种，主要用于在事发现场排除处理爆炸物及其他危险物品；排爆机器人的多功能机械手，作为排爆机器人的完成抓取任务的主要执行器，应能完成包括抓取爆炸物在内的一系列任务，对于排爆机器人来讲尤为重要；排爆是一个充满变化而复杂的过程，在排爆机器人执行任务的过程中，最关键的一步就是控制机器人的多功能机械手去抓取目标物，即控制机械手精确的定位到目标物位置，完成抓取动作；目前世界上已投入使用的排爆机器人，在工作方式上，都需要一个经验丰富的操作员，对机械手进行远程手动控制，达到机械手精确定位的目的。这种工作方式，一方面对操作员的要求非常高，另一方面，手动控制也很难达到很高的精度；因此，若能通过计算机视觉技术实现机械手的自动精确定位，而不需要去手动控制机械手的各个关节，将会在很大程度上提高排爆机器人的性能。

然而，移动机器人与镗、铣、钻等机床如何组合成多坐标加工中心还存在重大技术缺陷，不能有效降低五轴联动加工中心的昂贵价格。

发明内容

为了克服移动机器人与镗、铣、钻等机床不能直接组合成多坐标加工中心的重大技术缺陷，本发明提出一种基于视觉和移动机械臂的多坐标加工中心组合方法，该方法通过在在移动机械臂和镗床、铣床、钻床设置加工任务和工序；设置移动机械臂轨道和夹具，并在移动机械臂上安装CCD和激光测距或者安装connect相机，在镗床、铣床、钻床面临移动机械臂轨道设置多个光标识点，然后由移动机械臂的多关节控制使得移动机械臂将待加工工件移至预定位置，同时，在加工过程中进行在线定位监测和误差修正，对加工系统给出故障报警，实现了多坐标加工中心组合，解决了移动机器人与镗、铣、钻等机床直接组合成多坐标加工中心的重大技术问题。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种基于视觉和移动机械臂的多坐标加工中心组合方法，其特征包括以下步骤：

(1)在移动机械臂和镗床、铣床、钻床设置加工任务和工序；设置移动机械臂轨道，使得移动机械臂可以在该轨道上运动；在移动机械臂轨道的外侧分布式排列镗床、铣床、钻床，使得镗床、铣床、钻床刀具面向移动机械臂轨道并与轨道垂直，以该垂线作为移动机械臂的夹具中心线，当移动机械臂重力中心线与第一道加工工序的镗床、铣床或钻床前的夹具中心线相交时移动机械臂停止运动并被夹具锁死，多坐标对准和准确定位后进行加工，并进行在线加工积累误差修正，加工完成后松开夹具，移动机械臂移动到下一道工序的镗床、铣床或钻床前的夹具中心线；

(2)移动机械臂具有多关节控制功能；在移动机械臂上安装CCD和激光测距或者安装connect相机，在镗床、铣床、钻床面临移动机械臂轨道设置多个光标识点，移动机械臂停止运动并被夹具锁死后，根据在镗床、铣床、钻床上设置多点光标识点以及安装CCD和激光测距或者安装connect相机进行对准定位，然后由移动机械臂的多关节控制使得移动机械臂将待加工工件移至预定位置；

假定某一个镗床、铣床或钻床上设置的多个光标识点的坐标分别为(0,0,0),(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),…,(x_n,y_n,z_n)，且为已知量，n+1光标识点的个数，激光测距仪激光出口或者connect相机中心的坐标为(x,y,z)，激光测距的定位要求为：

$\left[\begin{array}{ccc}{x}_1& y_1& z_1\\ x_2& y_2& 2_2\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ x_n& y_n& z_n\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{r}^2-r_1^2+(x_1^2+y_1^2+z_1^2)\\ r^2-r_2^2+(x_2^2+y_2^2+z_2^2)\\ .\\ .\\ .\\ r^2-r_n^2+(x_n^2+y_n^2+z_n^2)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ξ}}_1\\ {\mathrm{\ξ}}_2\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ξ}}_n\end{array}\right]$

以及[x-x_py-y_pz-z_p]^T|_∞<e_max

其中，r,r₁,r₂,…,r_n分别为(x,y,z)到(0,0,0),(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),…,(x_n,y_n,z_n)的距离，误差ξ_i.i＝1,2,…,n满足条件|ξ₁|<e₀,|ξ₂|<e₀,…,|ξ_n|<e₀，e₀为给定的正数，x_p,y_p,z_p为在加工工艺中预先设定的位置，e_max为给定的最大定位误差，e₀为给定的最大图像位置误差，A|_∞为矩阵A的无穷范数；

同时，要求先对准在该镗床、铣床或钻床上设置的坐标(0,0,0)图像位置，其余多个光标识点在CCD图像中的坐标位置要满足：

$\left[\begin{array}{cc}{x}_{1t}-x_{1pt}& y_{1t}-y_{1pt}\\ x_{2t}-x_{2pt}& y_{2t}-y_{2pt}\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ x_{nt}-x_{npt}& y_{nt}-y_{npt}\end{array}\right]{|}_{\mathrm{\&infin;}}<e_{t0}$

其中，(x_1t,y_1t),(x_2t,y_2t),…,(x_nt,y_nt)分别为在该镗床、铣床或钻床上设置的多个光标识点的坐标(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),…,(x_n,y_n,z_n)在CCD图像中的坐标位置，(x_1pt,y_1pt),(x_2pt,y_2pt),…,(x_npt,y_npt)分别为在该镗床、铣床或钻床上设置的多个光标识点的坐标(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),…,(x_n,y_n,z_n)在CCD图像中的理想坐标位置，且为已知量；e_t0为最大允许的图像位置误差；

(3)在镗、铣、钻的加工过程中，扭矩和机械振动会引起定位误差，在加工过程中不断采用步骤(3)的方法检测定位精度，移动机械臂控制多关节缓慢运动抵消扭矩和机械振动作用，以在线减少加工积累误差并进行误差修正；

(4)当最大误差e_max、e₀或e_t0不能控制时，加工精度不能满足要求，对系统进行报警；当最大误差e_max、e₀或e_t0满足要求，但随着日期不断增大而接近最大误差e_max、e₀或e_t0，对系统进行故障预警。

本发明的有益结果是：通过在在移动机械臂和镗床、铣床、钻床设置加工任务和工序，设置移动机械臂轨道和夹具，并在移动机械臂上安装CCD和激光测距或者安装connect相机，在镗床、铣床、钻床面临移动机械臂轨道设置多个光标识点，实现了定位控制、误差在线修正，实现了移动机器人与镗、铣、钻等机床直接组合成多坐标加工中心。

下面结合实例对本发明作详细说明。

附图说明

附图1，移动机械臂和镗床、铣床、钻床布局示意图。

具体实施方式

参照图1。

(1)在移动机械臂和镗床、铣床、钻床设置加工任务和工序；设置移动机械臂轨道，使得移动机械臂可以在该轨道上运动；在移动机械臂轨道的外侧分布式排列镗床、铣床、钻床，使得镗床、铣床、钻床刀具面向移动机械臂轨道并与轨道垂直，以该垂线作为移动机械臂的夹具中心线，当移动机械臂重力中心线与第一道加工工序的镗床、铣床或钻床前的夹具中心线相交时移动机械臂停止运动并被夹具锁死，多坐标对准和准确定位后进行加工，并进行在线加工积累误差修正，加工完成后松开夹具，移动机械臂移动到下一道工序的镗床、铣床或钻床前的夹具中心线；

(2)移动机械臂具有多关节控制功能；在移动机械臂上安装CCD和激光测距或者安装connect相机，在镗床、铣床、钻床面临移动机械臂轨道设置多个光标识点，移动机械臂停止运动并被夹具锁死后，根据在镗床、铣床、钻床上设置多点光标识点以及安装CCD和激光测距或者安装connect相机进行对准定位，然后由移动机械臂的多关节控制使得移动机械臂将待加工工件移至预定位置；

假定某一个镗床、铣床或钻床上设置的多个光标识点的坐标分别为(0,0,0),(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),…,(x_n,y_n,z_n)，且为已知量，n+1光标识点的个数，激光测距仪激光出口或者connect相机中心的坐标为(x,y,z)，激光测距的定位要求为：

$\left[\begin{array}{ccc}{x}_1& y_1& z_1\\ x_2& y_2& 2_2\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ x_n& y_n& z_n\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{r}^2-r_1^2+(x_1^2+y_1^2+z_1^2)\\ r^2-r_2^2+(x_2^2+y_2^2+z_2^2)\\ .\\ .\\ .\\ r^2-r_n^2+(x_n^2+y_n^2+z_n^2)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&xi;}}_1\\ {\mathrm{\&xi;}}_2\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\&xi;}}_n\end{array}\right]$

以及[x-x_py-y_pz-z_p]^T|_∞<e_max

其中，r,r₁,r₂,…,r_n分别为(x,y,z)到(0,0,0),(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),…,(x_n,y_n,z_n)的距离，误差ξ_i.i＝1,2,…,n满足条件|ξ₁|<e₀,|ξ₂|<e₀,…,|ξ_n|<e₀，e₀为给定的正数，x_p,y_p,z_p为在加工工艺中预先设定的位置，e_max为给定的最大定位误差，e₀为给定的最大图像位置误差，A|_∞为矩阵A的无穷范数；

同时，要求先对准在该镗床、铣床或钻床上设置的坐标(0,0,0)图像位置，其余多个光标识点在CCD图像中的坐标位置要满足：

$\left[\begin{array}{cc}{x}_{1t}-x_{1pt}& y_{1t}-y_{1pt}\\ x_{2t}-x_{2pt}& y_{2t}-y_{2pt}\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ x_{nt}-x_{npt}& y_{nt}-y_{npt}\end{array}\right]{|}_{\mathrm{\&infin;}}<e_{t0}$

其中，(x_1t,y_1t),(x_2t,y_2t),…,(x_nt,y_nt)分别为在该镗床、铣床或钻床上设置的多个光标识点的坐标(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),…,(x_n,y_n,z_n)在CCD图像中的坐标位置，(x_1pt,y_1pt),(x_2pt,y_2pt),…,(x_npt,y_npt)分别为在该镗床、铣床或钻床上设置的多个光标识点的坐标(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),…,(x_n,y_n,z_n)在CCD图像中的理想坐标位置，且为已知量；e_t0为最大允许的图像位置误差；

(3)在镗、铣、钻的加工过程中，扭矩和机械振动会引起定位误差，在加工过程中不断采用步骤(3)的方法检测定位精度，移动机械臂控制多关节缓慢运动抵消扭矩和机械振动作用，以在线减少加工积累误差并进行误差修正；

(4)当最大误差e_max、e₀或e_t0不能控制时，加工精度不能满足要求，对系统进行报警；当最大误差e_max、e₀或e_t0满足要求，但随着日期不断增大而接近最大误差e_max、e₀或e_t0，对系统进行故障预警。

Claims (1)

1.一种基于视觉和移动机械臂的多坐标加工中心组合方法，其特征包括以下步骤：

（1）在移动机械臂和镗床、铣床、钻床设置加工任务和工序；设置移动机械臂轨道，使得移动机械臂可以在该轨道上运动；在移动机械臂轨道的外侧分布式排列镗床、铣床、钻床，使得镗床、铣床、钻床刀具面向移动机械臂轨道并与轨道垂直，以该垂线作为移动机械臂的夹具中心线，当移动机械臂重力中心线与第一道加工工序的镗床、铣床或钻床前的夹具中心线相交时移动机械臂停止运动并被夹具锁死，多坐标对准和准确定位后进行加工，并进行在线加工积累误差修正，加工完成后松开夹具，移动机械臂移动到下一道工序的镗床、铣床或钻床前的夹具中心线；

（2）移动机械臂具有多关节控制功能；在移动机械臂上安装CCD和激光测距或者安装connect相机，在镗床、铣床、钻床面临移动机械臂轨道设置多个光标识点，移动机械臂停止运动并被夹具锁死后，根据在镗床、铣床、钻床上设置多点光标识点以及安装CCD和激光测距或者安装connect相机进行对准定位，然后由移动机械臂的多关节控制使得移动机械臂将待加工工件移至预定位置；

假定某一个镗床、铣床或钻床上设置的多个光标识点的坐标分别为，且为已知量，光标识点的个数，激光测距仪激光出口或者connect相机中心的坐标为，激光测距的定位要求为：

以及

其中，分别为到

的距离，误差满足条件，为给定的正数，为在加工工艺中预先设定的位置，为给定的最大定位误差，为给定的最大图像位置误差，为矩阵的无穷范数；

同时，要求先对准在该镗床、铣床或钻床上设置的坐标图像位置，其余多个光标识点在CCD图像中的坐标位置要满足：

其中，分别为在该镗床、铣床或钻床上设置的多个光标识点的坐标在CCD图像中的坐标位置，分别为在该镗床、铣床或钻床上设置的多个光标识点的坐标在CCD图像中的理想坐标位置，且为已知量；为最大允许的图像位置误差；

（3）在镗、铣、钻的加工过程中，扭矩和机械振动会引起定位误差，在加工过程中不断采用步骤（3）的方法检测定位精度，移动机械臂控制多关节缓慢运动抵消扭矩和机械振动作用，以在线减少加工积累误差并进行误差修正；

（4）当最大误差、或不能控制时，加工精度不能满足要求，对系统进行报警；当最大误差、或满足要求，但随着日期不断增大而接近最大误差、或，对系统进行故障预警。