CN106020024B - 一种机械臂末端运动补偿装置及其补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机械臂末端运动补偿装置，包括视觉采集装置、激光测距仪、拉绳编码器和控制装置，所述拉绳编码器固定安装于水平面上，且拉绳与机械臂固定连接；所述激光测距仪固定安装于机械臂上；所述视觉采集装置安装于所述拉绳编码器的上方。还提供一种补偿方法，包括以下步骤：1)控制装置通过视觉采集装置对动作的拉绳编码器进行图像采集，获取拉绳转角；2)通过拉绳编码器和激光测距仪，获取绳子长度和机械臂高度；3)通过以上获取的三个参数，计算出机械臂末端坐标；4)通过末端坐标实时补偿和修正机械臂的运动路径。本发明具有结构简单、使用方便、投入成本低和使用范围广的有益效果。
Description
技术领域
本发明属于机械臂控制技术领域，尤其是一种机械臂末端运动补偿装置及其补偿方法。
背景技术
随着现代工业4.0的提出，对机器人控制的要求也越来越高，为实现实时显示工业机器人使用过程中的动态特性，尽可能消除动态误差，我们需要对机械臂末端位置进行位置定位，实现全闭环控制系统。对于开放的工作环境中，现有测量系统采用4个拉绳编码器对机械臂末端位置进行标定，但是拉绳编码器本身对机械臂末端有一定力的作用，对轻载机械臂来说是极大的负担，并且其三维的定位精度都是一样的，当只需要对某一维数精度要求较高时，则整个系统的性能被浪费，投入成本较高。另外，现有测量系统还可采用激光跟踪仪对机械臂末端位置进行标定，但是这种系统只能在开放的环境中使用，无法在密闭环境中工作。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有测量系统存在的成本高和使用范围小的问题，提供一种结构简单、使用方便、投入成本低和使用范围广的机械臂末端运动补偿装置及其补偿方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案达到：
一种机械臂末端运动补偿装置，包括视觉采集装置、激光测距仪、拉绳编码器和控制装置，所述拉绳编码器固定安装于水平面上，且其拉绳与机械臂固定连接；所述激光测距仪固定安装于机械臂上，且竖直向下照射到水平面上；所述视觉采集装置安装于所述拉绳编码器的上方，所述视觉采集装置、激光测距仪和拉绳编码器的输出端与所述控制装置的输入端连接，所述控制装置的输出端与机械臂的动力输入端连接。
进一步地，所述控制装置为单片机或PLC。
一种机械臂末端运动补偿方法，包括以下步骤：
1)以拉绳编码器的拉绳一端为原点建立世界坐标系以实时确定与机械臂连接的拉绳一端P点的坐标；
2)控制装置通过视觉采集装置对动作的拉绳编码器进行图像采集，通过图像处理采集拉绳的坐标点数据，并将各个坐标点数据拟合成一条直线，以此获得拉绳初始位置与最终位置，并计算出两条拟合直线的夹角以获取拉绳旋转角度β1；
3)通过拉绳编码器可以测量得到拉绳伸出长度s，通过激光测距仪可以得到与机械臂连接的拉绳一端的高度h，并将测量的s和h数据传送到控制装置，则可以计算出拉绳在X，Y平面的投影的长度d，其中h为P点的Z轴的坐标；
4)通过机器视觉系统测量拉绳在X，Y平面的投影与X轴之间的夹角β，并将测量的β数据传送到控制装置，则通过d和β的参数可以计算出P点的X轴和Y轴坐标，通过P点的坐标(x，y，z)实时补偿和修正机械臂的运动路径。
进一步地，所述步骤1)的具体步骤如下：通过最小二乘法将拉绳的坐标数据点数据拟合成一条直线。
进一步地，所述控制装置间隔性地采集视觉采集装置、激光测距仪和拉绳编码器的数据。
本发明具有如下突出的有益效果：
本发明采用视觉采集装置通过对拉绳编码器的拉绳的位置进行图像采集，同时通过激光测距仪对与机械臂连接的拉绳一端的高度进行测量，并将数据传送到控制装置进行计算，则可实时得到机械臂的位置坐标，从而对控制装置的机械臂坐标进行补偿和修正。本发明只采用单一的拉绳编码器且可在开放或闭合的环境中使用，具有结构简单、使用方便、投入成本低和使用范围广的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明机械臂末端运动补偿装置的结构示意图；
图2是本发明机械臂末端运动补偿方法的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1所示，本实施例涉及一种机械臂末端运动补偿装置，包括视觉采集装置1、激光测距仪2、拉绳编码器3和控制装置，所述拉绳编码器3固定安装于水平面上10，且其拉绳31与机械臂4固定连接；所述激光测距仪2固定安装于机械臂4上，且竖直向下照射到水平面上10；所述视觉采集装置1安装于所述拉绳编码器3的上方，所述视觉采集装置1、激光测距仪2和拉绳编码器3的输出端与所述控制装置的输入端连接，所述控制装置的输出端与机械臂4的动力输入端连接。在工作时，机械臂4需要对放置于水平面上10的玻片100进行夹取。首先，视觉采集装置1通过对拉绳编码器3的拉绳31的位置进行图像采集，同时通过激光测距仪2对与机械臂4连接的拉绳31一端的高度进行测量，并将数据传送到控制装置进行计算，则可实时得到机械臂4的位置坐标，从而对控制装置的机械臂4坐标进行补偿和修正。在该动作中，对于玻片100的夹取仅在Z轴方向需要高精度要求。本补偿装置只采用单一的拉绳编码器3且可在开放或闭合的环境中使用，具有结构简单、使用方便、投入成本低和使用范围广的特点。
所述控制装置为单片机或PLC。当然，其它具有数据接收和处理功能的设备也适用于控制装置，例如PC机。
如图1和图2所示，本实施例还提供一种机械臂末端运动补偿方法，包括以下步骤：
1)控制装置每隔一定的时间通过视觉采集装置1对拉绳编码器3进行图像采集，以采集拉绳31的坐标点数据，通过最小二乘法将拉绳31的坐标点数据拟合成一条直线,以此获得拉绳初始位置与最终位置，并计算出两条拟合直线的夹角以获取拉绳旋转角度β1；
2)以拉绳编码器3的拉绳31一端为原点建立世界坐标系以实时确定与机械臂4连接的拉绳31一端P点的坐标；通过拉绳编码器3可以测量得到拉绳31伸出长度s，通过激光测距仪2可以得到与机械臂4连接的拉绳31一端的高度h；控制装置每隔一定的时间通过拉绳编码器3和激光测距仪2采集s和h的数据，并计算出拉绳31在X，Y平面的投影的长度d，其中h为P点的Z轴的坐标；
3)通过机器视觉系统测量拉绳31在X，Y平面的投影与X轴之间的夹角β，并将测量的β数据传送到控制装置，则通过d和β的参数可以计算出P点的X轴和Y轴坐标，通过P点的坐标(x，y，z)实时补偿和修正机械臂4的运动路径。
例如，此时控制装置自身获取P点的坐标为(100.0，100.2,99.8)，而通过视觉采集装置1、激光测距仪2和拉绳编码器3采集拉绳31的坐标点数据并通过计算获得的坐标为(99.212,99.313,101.112)，则控制装置的坐标即修正为(99.2,99.3,101.1)，来进行动作补偿。控制装置每输出10个脉冲，获取一次激光测距仪2的数据进行补偿，每输出30个脉冲，完全修正x、y、z坐标，实时补偿机械臂4动作，最后夹取玻片100。
本补偿方法采用视觉采集装置1通过对拉绳编码器3的拉绳31的位置进行图像采集，同时通过激光测距仪2对与机械臂4连接的拉绳31一端的高度进行测量，并将数据传送到控制装置进行计算，则可实时得到机械臂4的位置坐标，从而对控制装置的机械臂4坐标进行补偿和修正。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (5)
1.一种机械臂末端运动补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)以拉绳编码器的拉绳一端为原点建立世界坐标系，以实时确定与机械臂连接的拉绳一端P点的坐标；
2)控制装置通过视觉采集装置对动作的拉绳编码器进行图像采集，通过图像处理采集拉绳的坐标点数据，并将各个坐标点数据拟合成一条直线，以此获得拉绳初始位置与最终位置，并计算出两条拟合直线的夹角以获取拉绳旋转角度β1；
3)通过拉绳编码器可以测量得到拉绳伸出长度s，通过激光测距仪可以得到与机械臂连接的拉绳一端的高度h，并将测量的s和h数据传送到控制装置，则可以计算出拉绳在X，Y平面的投影的长度d，其中h为P点的Z轴的坐标；
4)通过机器视觉系统测量拉绳在X，Y平面的投影与X轴之间的夹角β，并将测量的β数据传送到控制装置，则通过d和β的参数可以计算出P点的X轴和Y轴坐标，通过P点的坐标(x，y，z)实时补偿和修正机械臂的运动路径。
2.根据权利要求1所述的一种机械臂末端运动补偿方法，其特征在于：所述步骤1)的具体步骤如下：通过最小二乘法将拉绳的坐标数据点数据拟合成一条直线。
3.根据权利要求1所述的一种机械臂末端运动补偿方法，其特征在于：所述控制装置间隔性地采集视觉采集装置、激光测距仪和拉绳编码器的数据。
4.基于权利要求1至3任一所述的一种机械臂末端运动补偿方法的一种机械臂末端运动补偿装置，其特征在于：包括视觉采集装置、激光测距仪、拉绳编码器和控制装置，所述拉绳编码器固定安装于水平面上，且其拉绳与机械臂固定连接；所述激光测距仪固定安装于机械臂上，且竖直向下照射到水平面上；所述视觉采集装置安装于所述拉绳编码器的上方，所述视觉采集装置、激光测距仪和拉绳编码器的输出端与所述控制装置的输入端连接，所述控制装置的输出端与机械臂的动力输入端连接。
5.根据权利要求4所述的一种机械臂末端运动补偿装置，其特征在于：所述控制装置为单片机或PLC。
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