CN105848835A - 利用超声方法在参考系内对工具中心点位置和声学探头取向测定的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测定安装在机械臂上的工具的相对于该机械臂的真实位置和取向的方法，该工具包含有一个声学探头（11）。本方法包括：通过测量由声学探头（11）发射被固定参考单元（22，23）反射的声学信号的振幅和由声学探头（11）发射被所述固定参考单元反射声波的传播时间，确定声学探头的参考中心相对于机械臂末端的位置，根据已知取向的参考轴X’和Y’，设定构成声学探头（11）所在平面的轴X和轴Y的取向，使得管理机械臂运动的逻辑控制器，基于声学探头相对于机械臂的位置和已经确定的探头的参考取向，确定声学探头在参考系中的位置和取向的改变。

Description

利用超声方法在参考系内对工具中心点位置和声学探头取向测定的方法

技术领域

本发明涉及到机器人机械臂，尤其适用于与非破坏性检测相关的机器人领域。

背景技术

在机械部件制造或者通过机械臂实现的部件检测领域，一般来讲，需要精确确定在机器人的参考系中工具中心的位置和安装在机械臂上的工具的参考轴的取向。这样，管理机械臂运动的逻辑控制器就能够在任何时刻推算出工具在空间中精确的位置和取向。例如，对一个机械加工工具来说，参考轴一般是工具探入到待加工部件的轴。

为了使机器人能够精确地将工具的位置和取向考虑在内，一般来讲，在使用工具之前会有一个学习的阶段。

基于工具的尺寸和几何外观，并且知道将工具安装在机械臂上的方法，目前一种实现这一学习过程的方法包括：结合尺寸、外观等参数来确定工具在一个机器人坐标系中的理论位置和取向。

从使用机器人之前不需要任何的预先操作这个方面来说，这样的一个对位置和取向的“在理论上”的确定有明确的经济上的优势。然而，这个方法的精度受到限制，即工具安装到机器人上之后的定位精度受到定位不确定度的限制。

目前另一种实现这一学习过程方法包括：借助一个或一套参考标记来标记装有工具的机器人，这些在固定位置上的参考标记构成了参考点和参考轴，然后将工具中心点本身、或者安装在机械臂上且置于工具中心点的一个尖端，依次放置到与这些参考点和参考轴相接触的位置。

这种方法执行的学习比第一种方法更加精确。然而，在使用工具之前，这个方法需要一个比较棘手的麻烦的标记阶段，这个阶段一般由操作员手工完成。如果机器人使用的工具是机械工具且其工具中心点容易确定，那么这个方法是有效率的。相反，如果该工具中心点是一个虚拟的点，那么现有的标记方法就不易实施。如果使用的工具是用于对由合成材料制成的部件做整体检测的工具，且工具中包含了合成声学探头，这种标记方法就更难实施。该工具的工具中心点相应于是探头中心，该工具的轴是沿垂直于探头所在平面的方向且经过探头中心，这种工具的工具中心和工具轴线不是物理实体。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种能够实现对包含有一个合成声学探头的安装在一个机械臂上的工具的“工具中心点”定位的方法，并且定位过程中不使用辅助的工具。

因此，本发明提供了一种方法，该方法能够对包含有安装在机械臂上的合成声学探头的位置和取向进行测定，声学探头所在的平面由两个互相垂直的轴X和Y来确定，上述的测定是在一个对机器人已知的参考系中实现的。根据本发明，这个方法主要包括以下步骤：

　　第一步骤：在此步骤中，借助声学探头来测量其本身与一个点之间的距离，这个点处于一个点状的参考目标的表面的一个固定位置。这个距离是该声学探头的三个不同点相对于该目标的距离，该声学探头相对于该机械臂的位置是利用几何方法由测量所得结果推算得到；

　　第二步骤：在此步骤中，为了测定是从直线管状目标有形化出来的一个固定的参考轴X’的取向，使用由声学探头测出的振幅和／或传播时间，同时，为了将该声学探头的参考轴X’与固定参考轴X平行校准，移动该声学探头，将其依次放置于上述轴X’的不同点；

　　第三步骤：在此步骤中，沿着垂直于固定参考轴X’的一个轴Y’移动声学探头，并且为了改变该声学探头所在平面的取向，以使得将轴Y与垂直的轴Y’对齐，使用声学探头对振幅和／或传播时间的测量结果。

根据本发明，该探头的轴X与参考轴X’的平行校准以及该探头的轴Y与轴Y’的对齐定义了一个该声学探头的参考取向，基于该参考取向，计算这些由机械臂施加到该声学探头上使其产生的取向的变化。

根据本发明的一个实施方式，对该固定参考目标位置的测定是这样实现的：沿着一个给定的靠近方向移动该声学探头使其靠近上述的固定参考目标，直到该声学探头的聚焦区域位于该固定参考目标所在的平面，并且测量该声学探头到该固定参考目标所在平面的距离。沿着三个不同的靠近方向来重复这个操作。

根据该发明的另外一个实施方式，对参考轴X’取向的测定是这样实现的：移动该声学探头使其靠近固定参考轴X’上不同的点，直到对于每一个所测的点，该声学探头的聚焦区域都位于该固定参考轴X’，然后对于每一个点，确定接收到具有一个特定传播时间且反射信号振幅最大的反射信号的传感器。

根据该发明的另外一种实施方式，在第二步骤中，在测定固定参考轴X’的取向之后，声学探头的轴X与固定参考轴X’的平行校准是这样实现的：开动机械臂使该声学探头位于这样一个取向，即位于沿声学探头的轴X方向同一行的那些传感器接收到的该参考轴的反射信号振幅最大，该行被称为第一个行，且该第一个行末端上的两个传感器接收到轴X’的反射信号有基本相同的传播时间。

根据该发明的另外一种实施方式，该声学探头的轴X与固定参考轴X’的平行校准是这样实现的：沿着轴Y开动机器人的机械臂，按照这样一个取向放置该声学探头，使得该声学探头上的构成中间行的传感器接收到固定参考轴X’的振幅最大的反射信号。

根据该发明的另外一种实施方式，在第三步骤中，机械臂沿着一个垂直于固定参考轴X’的方向Y’平移该声学探头，使得构成第二个行上的传感器接收到固定参考轴X’的振幅最大的反射信号，第二个行不同于由用于平行校准声学探头的轴X与固定参考轴X’的传感器构成的第一个行，然后将声学探头所在的平面围绕该轴X旋转，使得构成第二个行的传感器接收到的声学信号的振幅与第二步骤中构成第一个行的传感器接收到的声学信号振幅基本相同。

根据该发明的另外一种实施方式，理论上确定在一个参考系中该声学目标的位置和该参考轴的位置和取向，并且从理论上定义了该声学探头在一个参考系中的一个近似的定位，这样一来，该逻辑控制器便执行所述方法的步骤，其中该控制器管理着机械臂的运动和声学探头的使用。

本发明能够明显地改善和简化工具的精确定位的流程，该工具包含位于机器人坐标系中的并且安装在机器人机械臂上的声学探头，该定位是由工具中心点的位置和工具的取向决定的。

不管是对在工业条件下负责机械器件的非破坏性检测机器人专家，还是对在实验室环境中的操作员，本发明都非常适用。

附图说明

下面结合附图说明实施方式，以利更好地理解本发明的特征和优点。

图1为用于示意性实施方式中的合成声学探头的示意图。

图2为能够实施本发明所述方法的示意性装置的示意图。

图3为本发明所述方法的主要步骤的基本流程图。

图4和图5描述了本发明中所述方法的第二步。

图6和图7描述了本发明中所述方法的第三步。

具体实施方式

本发明的工作原理在于利用到如下事实：安装在一个机器人的一个机械臂上的工具包括一个声学探头，以确定作为该声学探头参照的该工具的中心点位置，以及该工具在机器人的参考系中的取向。

为了达到此目的，本发明建议使用由该声学探头所提供的信息，该信息主要源于对其收到信号的传播时间和强度的测量。

下面将通过实例的描述介绍一种本发明的示意性实施方式，本发明阐明了通过声学测量来进行校准的工作原理。

这里提到的工具是用来对由合成材料制成的器件进行非破坏性测试的工具，该工具包括一个由多个传感器（声能转换器）配置而成的合成声学探头。该示意性实施方式没有任何意图对本发明的技术范围作任何限制。尤其是，在工具包括一个合成或非合成的声学探头的情况下，本行业内有经验的人员能明显地看出本发明所公开的测定的基本原理能够自然地应用到这种情况。

在该实施方式中，该合成声学探头11是由多个基本声学传感器12按如图1所示的平面矩阵示意图排列而组成。这些基本声学传感器12放置于一个支撑平面15，以形成一个按行13和列14分布的排列，而这种排列的几何形状通过测定这些传感器在一个由X轴和Y轴组成的正交系统中的位置来确定。该正交系统确定该探头在空间中的取向。组成该声学探头的不同传感器的排列定义了一个参考点，在该实施例中，该参考点对应于该声学探头中心传感器16和17。

根据本发明的方法使用如图2 所示的一个辅助装置，该辅助装置位于一个已知的固定位置。该辅助装置21包括一个呈现出球形表面的单元，例如一个球22。该球和一个直线延伸的横截面宽度已知的单元相连接，该单元最好是圆形截面的杆23，杆构成一个参考轴X’。本发明中，考虑到声学探头的解析度，球22的直径可以这样确定：从声学探头11角度来说，球可被看作一个点单元。同样，杆23的横截面直径可以这样确定：从声学探头11角度来说，杆呈现出的一条纵向边缘构成了一个反射声波的单元。例如在使用合成声学探头的情况下，根据组成该声源11的这些基本传感器12的尺寸和彼此间隔，选择球22的直径和该杆23的横截面的直径。

在一个较佳的实施方式中，如图2所示，本发明中的辅助装置21包括，一个有已确定直径的球22，球安装在一个支撑24上并固定于杆23，杆23构成固定参照轴X’。辅助装置21最好按以下方式进行安装：当该辅助装置21位于一个参考平面25（例如一个水平面）时，杆23则位于一个平行于该辅助装置所在的参考平面的平面上。

如流程图图3所示，该辅助装置21实施本发明中的方法来执行以下的测定操作：

　　第一步骤31：通过声学探头11在不同的取向对球22距离的测量（传播时间的测量）来实现对该探头的参考点的位置的测定；

　　第二步骤32：通过将轴X放置于与杆23的轴X’平行的位置，基于在该杆23上的不同点的距离的测量，来实现对声学探头11的参考轴X位置和取向的测定；

　　第三步骤33：在移动该声学探头至垂直于杆23的位置过程中，通过对距离的测量，来实现对声学探头11的参考轴Y位置和取向的测定。

所述方法的第一步骤的作用在于：可以在一个机器人的参考系中确定声学探头11的精确位置，也就是声学探头中心的精确位置，因此得到声学探头11相对于机器人的机械臂末端的位置。相对地，第二步骤和第三步骤的作用在于：可以在同一个机器人参考系内确定声学探头11的一个参考取向，因此得到探头相对于机械臂末端的取向。例如，参考取向定义为轴所在空间中的取向，该轴垂直于声学探头所在平面。

该发明中，所述方法的第一步骤31在于将声学探头11移至球22的表面附近，并且进行至少三次距离测量，通过将探头放在球附近的三个不同位置，以使得相关的距离测量是沿着相近但本质上不同的三个方向进行的。同时记录下探头在不同位置时机械臂末端的位置。至此，得到了三个沿着三个不同方向测得的结果。控制该机械臂的逻辑控制器利用测量结果，使用一个已知的方法，用几何学确定声学探头11在机器人的参考系中的位置。通过对发射出的声波传播时间的测量，利用一个已知的方法确定球和探头之间的距离。

如图4和图5所示，第二步骤32在于，沿着一个对于机器人或者更精确地说对于管理该机器人机械臂运动的逻辑控制器已知的固定方向，来放置声学探头的参考轴X。

为了沿着一个对于机器人已知的方向来放置参考轴X，首先，移动声学探头11和机器人的机械臂的末端，以使得声学探头对着杆23。

然后第二步，在不改变声学探头的取向的情况下，平移声学探头11使其平行于杆23，也就是平行于参考轴X’，记录机械臂末端的移动，并周期性地测量由不同的传感器接收到的声波信号的振幅。为了达到这个目的，先朝着垂直于探头11所在平面的方向将一个声波发射出去，然后确定哪些传感器接收到的由该杆23反射的声波的振幅最大。原则上讲该杆23是直线形的，这些被确定的传感器在探头所在的平面上沿着一个已知的方向直线排列。

最后第三步，在测量由该杆23发射的声波信号振幅的过程中，操纵机械臂末端以移动声学探头11，并使其旋转以使得探头的参考轴X平行于由杆23构成的固定参考轴X’，这样一来，接收到由杆23反射的振幅最大的声波的传感器直线排列在X轴上，形成第一个行51。

然后重新开动机械臂的末端，使声学探头所在的平面围绕一个轴旋转，以使得位于上述传感器的直线排列51末端的两个传感器52和53接收到的反射波有完全相同的传播时间。

以此方式，一旦第二步完成，声波探头按以下方式放置：其参考轴X与杆23的轴X’平行，其中轴X’的方向对于机器人是已知的，并且接收到由杆23反射的振幅最大的声波的传感器直线排列在X轴上。

如图6和图7所示，第三步骤33在于，沿着一个对于机器人已知的方向，放置参考轴Y。

为了实现这样的布置，首先，在不改变该声学探头的取向的情况下，沿着一个垂直于该杆23的该轴X’的方向Y’平移该声学探头11，记录机械臂末端的移动。移动该声学探头以使得接收到由该杆23反射的振幅最大的声波的传感器直线排列，并沿着探头平面上的一个平行但区别于X轴的X’’轴形成一行61。因此，该位置调整也定义了一个垂直于 X轴的轴Y’，其中X轴的取向对于机器人是已知的。

因此，当沿着Y’轴的移动已经完成时，对由行61上的传感器测量得到的振幅和／或传播时间进行比较，以确定它与由行51上沿着轴X排列的传感器在步骤32中测量得到的结果是否不同。如果两次测量的结果不同，按图7所示，将探头所在的平面围绕该轴X旋转，以使得两次测量时得到的信号的传播时间相同。至此，参考轴Y和该轴Y’对齐了。

本发明中，为了跟踪杆23的轴，在步骤32和33中记录了机械臂末端的运动；为了改变在步骤32和33中声学探头11的取向而进行旋转运动，声学探头沿着与旋转运动的轴相连的轴Y’移动；以参考系中已经确定的X’轴和Y’轴的已知的方向为根据，上述的运动记录和移动被用来识别探头所在平面（即X轴和Y轴）的一个参考取向。这样一来，如果希望通过给声学探头一个确定的取向，以将其与一个精确的位置相连，那么只需要移动机械臂末端，并从这个已知的取向改变该声学探头的取向，以使其适应该希望的得到的取向。

如上所述，本发明的对准方法有利地利用了该声学探头11的能够同时测量声学信号振幅和声波传播时间的能力，这两种测量被用来确定该探头相对于该机械臂的位置和该声学探头相对于用于校准的该固定参考系的一个参考取向。因此在不使用附加工具的情况下，能够定义一个该声学探头的参考定位，在实际操作时，这个定位能够使机器人来精确确定待操作的机械臂的位置和取向的改变，以使得能够将声学探头11 放置在待测试器件上方的理想的位置，并处在相对于器件表面的理想的取向。

如上所述，当机器臂安装有适当的工具的机器人处在一个合适的操作模式时，执行学习操作。

操作模式可以是一个手动模式，在该模式中，机械臂的运动由一个操作员直接控制，而负责控制机器人的逻辑控制器，在不同的阶段，执行简单的机械臂位置和姿态变化的获取操作，同时声学探头执行的测量结果则由操作员解读，用来判断在不同阶段该声学探头是否放置在正确的位置。

另外，操作模式也可能是一个自动模式。如果逻辑控制器中存有该声学探头11的位置和取向的预先确定的理论信息，以及关于该固定参考单元（球22和杆23）的定位信息，那么，该学习的角色则是用来精炼这些信息。那么逻辑控制器在每一步得到该声学探头11的一个理论定位，并借助探头的测量来改善该理论定位，以使得位于球22表面上的或者杆23表面上的一个目标点落在声学探头11的焦点平面上。

Claims (7)

1.实现对安装在一个机械臂上的包含有一个合成的声学探头（11）的位置和取向测定的方法，所述声学探头所在的平面由两个互相垂直的轴X和Y来确定，所述的测定是在一个对机器人已知的参考系中实现的，该方法的特征在于包括以下步骤：

　　第一步骤（31），在此步骤中，借助该声学探头（11）来测量该声学探头与一个点之间的距离，该点处于一个点状的参考目标（22）的表面的一个固定位置，所述距离是该声学探头（11）的三个不同点相对于该参考目标（22）的距离，该声学探头相对于所述机械臂的位置是利用几何方法由测量结果而推算得到；

　　第二步骤（32），在此步骤中，为了测定从一个直线管状目标（23）有形化出来的一个固定参考轴X’，使用该声学探头（11）测出的振幅和／或传播时间，同时，为了将该声学探头（11）的所述参考轴X与所述固定参考轴X’平行校准，移动该声学探头（11），将其依次放置于所述固定参考轴X’的不同点；

　　第三步骤（33），在此步骤中，沿着垂直于所述固定参考轴X’的一个轴Y’移动该声学探头（11），并且为了改变该声学探头（11）所在平面的取向，以使得将所述轴Y与所述垂直的轴Y’对齐，使用该声学探头（11）对振幅和／或传播时间的测量结果；

　　该声学探头的所述轴X与所述固定参考轴X’的平行校准以及该探头的所述轴Y与所述轴Y’的对齐定义了该声学探头（11）的一个参考取向，基于该参考取向确定由机械臂施加到该声学探头（11）上使其产生的取向的变化。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对该固定参考目标（22）位置的测定是这样实现的：沿着一个给定的靠近方向移动该声波探头（11）使其靠近所述固定参考目标，直到该声学探头（11）的聚焦区域位于该固定参考目标（22）所在的平面，并且通过测量该声学探头（11）到该固定参考目标（22）所在平面的距离，沿着三个不同的靠近方向重复上述操作。

3.如权利要求1和2中任一项所述的方法，其特征在于，对所述固定参考轴X’的取向的测定是这样实现的：移动该声学探头（11）使其靠近所述固定参考轴X’不同的点，直到对于每一个所测的点，该声学探头（11）的聚焦区域都位于所述固定参考轴X’，然后对于每一个点，确定接收到具有一个特定传播时间且振幅最大的反射信号的传感器。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第二步骤（32）中，在测定所述固定参考轴X’的取向之后，该声学探头（11）的所述轴X与所述固定参考轴X’的平行校准是这样实现的：开动机械臂使所述声学探头（11）位于这样一个取向，即由沿所述声学探头的轴X构成第一个行（51）的那些传感器接收到的该参考轴的反射信号振幅最大，且所述第一个行末端的两个传感器（52，53）接收到所述轴X’的反射信号有基本相同的传播时间。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该声学探头（11）的所述轴X与所述固定参考轴X’的平行校准是这样实现的：沿着所述轴Y开动机器人的机械臂，按照这样一个取向放置该声学探头（11），使得该声学探头（11）上的构成所述中间的行（51）的传感器接收到所述固定参考轴X’的振幅最大的反射的信号。

6.如权利要求4和5中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第三步骤（33）中，机械臂沿着一个垂直于所述固定参考轴X’的方向Y’平移该声学探头（11），使得构成第二个行（61）的传感器接收到该固定参考轴X’的振幅最大的反射信号，所述第二个行（61）不同于由用于平行校准所述声学探头的所述轴X与所述固定参考轴X’的传感器构成的所述第一个行（51），然后将该声学探头（11）所在的平面围绕所述轴X旋转，使得构成所述第二个行（61）的传感器接收到的声学信号的振幅与所述第二步骤（32）中构成所述第一个行（51）的传感器接收到的声学信号振幅基本相同。

7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述声学探头（11）在某一时刻的位置以及在参考系中的所述固定的参考单元的位置和取向，是由理论推算确定的，且它们传递给一个逻辑控制器，该逻辑控制器在各所述步骤得到所述声学探头（11）的理论定位，并借助所述声学探头的测量来改善所述理论定位，以使得该目标点在某一时刻落在该声学探头（11）的焦点平面内。