CN106182088B - 工业机器人及格子间的定位方法、装置 - Google Patents

Abstract

一种工业机器人及格子间的定位方法、装置。所述工业机器人的末端设置有至少两组激光测距器，适于扫描并获取待定位格子间表面的测距数据；其中，每组激光测距器中包括两个激光测距器，所述两个激光测距器呈外扩式发射激光；各组激光测距器中两个激光测距器的中心点之间的线段相平行且垂直相交于同一直线。应用上述工业机器人，可以沿所述同一直线平行地获取待定位格子间表面的至少两组测距数据，由此可以更加快速地对格子间进行定位。

Description

工业机器人及格子间的定位方法、装置

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，具体涉及一种工业机器人及格子间的定位方法、装置。

背景技术

在实际的工业操作过程中，对自卸车的车厢板的工业操作工作量特别大，当前几乎全部采用人工的方式对其执行相应的工业操作。

妨碍自卸车的车厢板进行自动化焊接的主要原因在于：自卸车的车厢板上通常设置有多个格子间，每个格子间均是单独下料并组装起来的，且每个格子间通常存在多条缝隙，由于前道加工工艺以及组装工艺的差别，各个缝隙的误差较大。并且，承继车厢板“多品种，小批量”的特点，导致格子间的变化尺寸较多。因此能够保证工业机器人对自卸车的车厢板进行自动化的焊接的前提，即需要完成对格子间的精确定位。

由于对格子间执行工业操作的工作量几乎占尽了整个车厢板工业操作工作量的80％，并且考虑到车厢板生产周期短的特点，使用人工的方式检测车厢板上格子间的缝隙，已经难以满足目前的工业需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是如何快速地对格子间进行定位。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种工业机器人，所述工业机器人的末端设置有至少两组激光测距器，适于扫描并获取待定位格子间表面的测距数据；其中，每组激光测距器中包括两个激光测距器，所述两个激光测距器呈外扩式发射激光；各组激光测距器中两个激光测距器的中心点之间的线段相平行且垂直相交于同一直线。

可选地，所述至少两组激光测距器与所述工业机器人的末端连接的一端位于的同一水平面上。

可选地，位于所述同一直线同一侧的激光测距器至所述同一直线的距离各不相同。

可选地，同一组激光测距器中的两个激光测距器所发射激光的外扩角度相同。

可选地，所述至少两组激光测距器所发射的激光的外扩角度各不相同。

可选地，所述激光测距器发射激光的外扩角度与所述待定位格子间的尺寸及扫描路径相关。

可选地，所述至少两组激光测距器均为同一类型的激光测距器。

可选地，位于所述同一直线同一侧的激光测距器所发射的激光相交于所述激光测距器的零点。

可选地，所述各组激光测距器中两个激光测距器中心点间线段的最大长度值小于或等于所述待定位格子间的最大边长。

本发明实施例还提供了一种格子间的定位方法，所述方法包括：向上述任一种的工业机器人的控制装置发送控制信号，由所述控制装置控制所述工业机器人按照预设的扫描路径扫描待定位的格子间的表面，获取所述待定位的格子间表面的测距数据；基于所述测距数据在所述工业机器人工作坐标系下构建所述待定位的格子间的三维构形；基于所述三维构形确定所述待定位的格子间各个缝隙的位置。

可选地，所述扫描路径呈十字。

可选地，所述扫描路径的中心为所述待定位的格子间的中心。

可选地，所述扫描路径中的其中一条路径均与所述同一直线平行。

本发明实施例还提供了一种格子间的定位装置，所述装置包括：发送单元，适于向上述任一种的工业机器人的控制装置发送控制信号，由所述控制装置控制所述工业机器人按照预设的扫描路径扫描待定位的格子间的表面；获取单元，适于获取所述待定位的格子间表面的测距数据；构建单元，适于基于所述测距数据在所述工业机器人工作坐标系下构建所述待定位的格子间的三维构形；定位单元，适于基于所述三维构形确定所述待定位的格子间各个缝隙的位置。

可选地，所述扫描路径呈十字。

可选地，所述扫描路径的中心为所述待定位的格子间的中心。

可选地，所述扫描路径中的其中一条路径与所述同一直线平行。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

应用上述方案，在工业机器人的末端设置有至少两组激光测距器，通过激光测距器可以扫描并获取待定位格子间表面的测距数据。由于每组激光测距器中包括两个激光测距器，所述两个激光测距器呈外扩式发射激光，各组激光测距器中两个激光测距器的中心点之间的线段相平行且垂直相交于同一直线，因此，可以利用所述工业机器人沿所述同一直线平行地获取待定位格子间表面的至少两组测距数据，由此可以更加快速地对格子间进行定位。

附图说明

图1是现有技术中一种车厢板的结构示意图；

图2是现有技术中一种格子间的平面结构图；

图3是本发明实施例中一种工业机器人的结构示意图；

图4是本发明实施例中一种工业机器人末端安装的激光测距器的俯视图；

图5是图4中激光测距器的一种侧视图；

图6是图4中激光测距器的另一种侧视图；

图7是本发明实施例中格子间定位方法的流程图；

图8是利用本发明实施例中工业机器人进行扫描的扫描路径示意图；

图9是本发明实施例中工业机器人各个坐标系的示意图；

图10是本发明实施例中一种格子间定位方法的结构示意图。

具体实施方式

图1为现有的一种自卸车的车厢板的立体结构示意图。参照图1，车厢板1上设置有4个格子间11。每个格子间11的平面结构图如图2所示。

参照图2，格子间11通常可以包括底板111以及四个侧板112，侧板112可以与底板111垂直设置，也可以与底板111之间呈其它角度设置。每个格子间11包括8条缝隙s1～s8，并且该8条缝隙呈多角度分布，例如，s1～s4为相应侧板112与底板111之间的缝隙，可以与底板111平行。s5～s8为相邻侧板112之间的缝隙，可以垂直于底板11，也可以与底板111之间呈其它角度，具体与相应侧板112与底板之间的相对位置相关。s5～s8中的最大边长为所述格子间11的最大边长。

由于格子间11的缝隙的误差较大，因此，对车厢板执行工业操作时，无法对各个格子间缝隙的误差进行定位，而采用人工方式对格子间的每条缝隙单独检测，则耗时较多，尤其随着格子间的增多，对格子间执行工作操作的工作量几乎占尽了整个车厢板工作量的80％。

在实际应用中，车厢板的生产周期很短，即从接单至生产出成品所允许的时间很短，因此，通过人工方式对格子间进行定位已经难以满足目前的工业需求。

针对上述问题，本发明实施例提供了一种工业机器人，所述工业机器人的末端设置有至少两组激光测距器，通过激光测距器可以扫描并获取待定位格子间表面的测距数据。由于每组激光测距器中包括两个激光测距器，所述两个激光测距器呈外扩式发射激光，各组激光测距器中两个激光测距器的中心点之间的线段相平行且垂直相交于同一直线，因此，可以利用所述工业机器人沿所述同一直线平行地获取待定位格子间表面的至少两组测距数据，由此可以更加快速地对格子间进行定位。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细地说明。

参照图3，本发明实施例提供了一种工业机器人3，所述工业机器人3的末端设置有至少两组激光测距器31，适于扫描并获取待定位格子间表面的测距数据。其中，每组激光测距器31中包括两个激光测距器，所述两个激光测距器呈外扩式发射激光，各组激光测距器中两个激光测距器的中心点之间的线段相平行且垂直相交于同一直线。

在本发明的一实施例中，所述激光测距器内部可以包含有激光发生器以及光学系统。其中，所述激光发生器适于发射一束激光至所述待定位格子间上的目标位置；所述光学系统可以接收经所述待加工部位反射回来的激光，记录及处理从该激光自发出至返射后被接收所经历的时间，进而测定所述目标位置至激光发生器的距离。通过控制激光测距器按照不同的路径进行扫描，可以获得扫描路径上多个目标位置的测距数据。

在具体实施中，按照测距的长度以及测距方法，激光测距器通常可以分为不同的类型。例如，从测距方法上，激光测距器通常可以分为以下三种类型：脉冲法、相位法、三角法。在本发明的实施例中，为了便于计算目标位置至激光发生器的距离，可以选择同一类型的激光测距器进行测量。

进一步地，可以使得位于所述同一直线同一侧的激光视觉传感器所发射的激光相交于所述激光测距器的零点，以进一步减少计算目标位置至激光发生器的距离的复杂度。

在具体实施中，所述工业机器人3可以仅设置两组激光测距器，也可以设置三组或三组以上的激光测距器，具体激光测距器的组数可以由本领域技术人员根据实际情况进行设置。可以理解的是，激光测距器的组数越多，对格子间进行定位的准确性会越高，但成本也会随之增加。但无论激光测距器的组数如何，均不够成对本发明的限制，且均在本发明的保护范围之内。

下面分别以所述工业机器人3设置两组激光测距器为例，对激光测距器之间的位置关系进行详细说明：

图4为工业机器人末端设置两组激光测距器的俯视图。参照图4，设置在工业机器人末端的激光测距器包括L1～L4，其中L1及L2为第一组激光测距器，L3及L4为第二组激光测距器。激光测距器L1及L2中心点之间的距离为D1，激光测距器L3及L4中心点之间的距离为D2。激光测距器L1及L2之间的连线，与激光测距器L3及L4之间的连线相平行且垂直相交于同一直线line1，两条连线之间的距离为D3。

在具体实施中，激光测距器L1～L4的一端与工业机器人连接，另一端适于向待定位的格子间发射激光。在本发明的一实施例中，为了便于比较待定位格子间表面各个位置的深度，可以使得激光测距器L1～L4与所述工业机器人的末端连接的一端位于的同一水平面上。

在具体实施中，D1与D2可以相等，也可以不相等，具体可以根据所述工业机器人的运动范围进行设置。通常情况下，工业机器人的运动范围小于格子间的最大边长。因此，为了获得格子间各个侧板的测距数据，可以令D1与D2不相等。

优选地，为了更加准确地定位格子间，可以使得位于line1同一侧的激光测距器至所述line1的距离不同，也就是使得激光测距器L1至line1的距离与激光测距器L3至line1的距离不同，以及使得激光测距器L2至line1的距离与激光测距器L4至line1的距离不同，由此可以获得待定位的格子间表面多个位置的测距数据。

图5为图4中示出实施例的一种侧视图。参照图5，在本发明的一实施例中，为了便于计算待定位格子间表面各个目标位置至相应激光测距器的距离，减少计算的复杂度，可以使得同一组激光测距器中的两个激光测距器所发射激光的外扩角度相同。换言之，激光测距器L1及L2所发射激光的外扩角度相同，均为α；激光测距器L3及L4所发射激光的外扩角度相同，均为β。

继续参照图5，在本发明的一实施例中，为了在一次扫描过程中可以获得待定位格子间表面更多位置处的测距数据，可以使得所述两组激光测距器所发射激光的外扩角度各不相同，比如，可以令α＞β。由此，每次扫描过程中，每个激光测距器可以获得一组测距数据，共可以获得四组测距数据，有效提高扫描效率。

需要说明的是，在具体实施中，所述激光测距器发射激光的外扩角度可以根据所述待定位格子间的尺寸及扫描路径进行设置。比如，可以设置α及β可以在[30°，60°]区间内取值。

图6为图4中示出实施例的另一种侧视图。参照图6，当同一组激光测距器中的两个激光测距器所发射激光的外扩角度相同时，激光测距器L1及L2所发射的激光相重合，激光测距器L3及L4所发射的激光相重合。

在具体实施中，每个激光测距器都有一个测量零点，也就是目标位置至激光发生器的距离为零的标定点。在本发明的一实施例中，为了便于计算目标位置至激光测距器的距离，可以使得位于line1同一侧的激光视觉传感器所发射的激光相交于同一测量零点。比如，激光测距器L1及L3相交于测量零点O’，激光测距器L2及L4相交于测量零点O。

需要说明的是，在具体实施中，所述零点O’及O的位置可以根据激光测距器至待定位格子间的距离进行调整。也就是说，FU及FD的长度可以根据激光测距器至待定位格子间的距离进行调整。优选地，γ的取值范围为[30°，60°]。

可以理解的是，在具体实施中，所述工业机器人的末端还可以设置三组或三组以上的激光测距器，本领域技术人员可以参照上述对图4～图6中实施例的描述进行实施，此处不再赘述。

需要说明的是，在本发明的实施例中，所述工业机器人可以为执行任意工业操作的机器人，具体不受限制。比如，所述工业机器人可以为执行焊接操作的焊接机器人时，也可以为执行切割操作的切割机器人等。当然，所述工业机器人还可以为执行两种或两种以上工业操作的机器人。

为了使本领域技术人员更好地理解和实现本发明，以下对应用上述工业机器人对格子间进行定位的方法进行详细描述。

参照图7，本发明实施例提供了一种格子间的定位方法，所述方法可以包括如下步骤：

步骤71，向上述任一种的工业机器人的控制装置发送控制信号，由所述控制装置控制所述工业机器人按照预设的扫描路径扫描待定位的格子间的表面，获取所述待定位的格子间表面的测距数据。

在具体实施中，工业机器人是在相应的控制装置的控制下执行相应的工业操作的。也就是说，工业机器人的控制装置直接控制所述工业机器人的工业操作。因此，为了获得待定位格子间表面的测距数据，可以向所述工业机器人的控制装置发送相应的控制信号，所述控制信号中携带所述扫描路径的相关信息。控制装置接收到所述控制信号后，控制所述工业机器人按照所携带的扫描路径信息对待定位的格子间进行扫描。

其中，所述控制信号可以存在多种表现形式，具体不受限制，只要所述控制装置可以识别所述控制信号并根据所述控制信号控制工业机器人的动作即可。比如，所述控制信号可以为数字信号，通过高、低电平区分不同的控制信号；也可以为模拟信号，例如电压信号或电流信号；还可以为控制指令。

在具体实施中，为了提高扫描效率，可以使得扫描路径呈十字。每个格子间的定位可以仅需进行一次十字扫描，也可以需要进行多次十字扫描，具体十字扫描的次数不受限制。每次十字扫描的中心可以为待定位格子间的中心，也可以为其它点，具体可以由本领域人员根据实际情况进行设置。

参照图8，格子间81为待定位的格子间，以扫描路径的中心为格子间81的中心为例，每次扫描可以沿P1——P2方向扫描(简称“横向扫描”)，以及沿P3——P4方向扫描(简称“竖向扫描”)。当然，也可以沿其它方向进行横向扫描及竖向扫描，只要所述横向扫描以及竖向扫描的路径相交呈十字即可。

其中，横向扫描以及竖向扫描的顺序不受限制，既可以先进行横向扫描，再进行竖向扫描，也可以先进行竖向扫描，再进行横向扫描。另外，在横向扫描时，可以由P1扫描至P2，也可以由P2扫描至P1。在竖向扫描中，P3扫描至P4，也可以由P4扫描至P3。

需要说明的是，在具体实施中，控制所述工业机器人进行扫描时，参照图4，可以控制所述工业机器人的末端沿所述直线line1中箭头方向进行扫描，也可以沿与所述直线line1中箭头方向相反的方向进行扫描，具体不受限制。优选地，可以令所述扫描路径中的其中一条路径与所述直线line1平行，另一条路径与所述直线line1垂直，以更准确地定位所述格子间。

步骤72，基于所述测距数据在所述工业机器人工作坐标系下构建所述待定位的格子间的三维构形。

在工业机器人编程过程中，通常需要将对工件的操作任务进行定义在相应的坐标系下，并同时标定各个坐标系之间的映射关系，所述工业机器人的控制装置才能够识别并控制工业机器人的动作。

以图4示出的激光测距器为例，在本发明的实施例中，参照图9，所述工业机器人在运动过程中涉及的坐标系可以包括：所述工业机器人的工作坐标系B，也就是工件所在的坐标系；各个激光测距器所在的激光坐标系S1～S4，n表示激光测距器的数量；所述工业机器人末端工具手所在的工具手坐标系H；以及用于固定所述工业机器人末端关节的法兰所在的法兰坐标系F。

在具体实施中，随着工业机器人的运动，工业机器人的各个关节及相应部件的位置会随着变化，而用于固定工业机器人末端关节的法兰位置通常不变。因此，在具体实施中，所述激光测距器及工具手在所述工业机器人末端安装后，通过实际测量，就可以获得对应的激光坐标系与法兰坐标系F之间的映射关系，以及工具手坐标系H与法兰坐标系F之间的映射关系。在工件确定后，工作坐标系B与法兰坐标系F之间的映射关系也可以通过实际测量获得。

以Sn表示激光测距器Ln所在的激光坐标系为例，n≤4，虚线表示激光测距器Ln的扫描路径，“●”表示扫描路径上的轨迹点。激光测距器Ln获取的测距数据即所述扫描路径上各个轨迹点处的测距数据。X及Z分别为相应坐标系下的X轴及Z轴。在本发明的实施例中，激光测距器Ln实际获取的测距数据通常为相应激光坐标系Sn下的数据。

例如，当扫描的目标位置为点P’时，令点P’在激光坐标系Sn下的位置坐标为，在工作坐标系B下的位置坐标为^BP'，获得后，可以通过如下方法获得^BP'：

1)根据激光坐标系Sn与工具手坐标系H之间的映射关系，将转换为法兰坐标系F下的位置坐标；

2)根据工具手坐标系H与法兰坐标系F之间的映射关系，将转换为法兰坐标系F下的位置坐标；

3)根据法兰坐标系F与工作坐标系B映射关系，将转换为工作坐标系B下的位置坐标，获得。

将通过各个激光测距器扫描得到的测距数据转换为工作坐标系下的数据后，可以先对转换后的数据进行分割、识别等操作，再对操作后的数据进行拟合计算，即可以在工作坐标系下构建所述待定位的格子间的三维构形。

步骤73，基于所述三维构形确定所述待定位的格子间各个缝隙的位置。

在具体实施中，获得所述待定位的格子间的三维构形后，即可以基于所述三维构形确定所述待定位的格子间各个缝隙的位置。

需要说明的是，在具体实施中，工业机器人可以包括示教再现机器人和离线编程机器人两种类型。其中，示教再现机器人即通过示教的方式来获得相应作业程序的机器人，离线编程机器人即通过离线编程的方式来获得相应作业程序的机器人。然而，无论是示教再现机器人或者离线编程机器人，在对具有格子间的车厢板等工件执行工业操作时，均需要先对格子间进行定位，才能执行相应的工作操作。因此，本发明实施例中的格子间定位方法不仅可以应用于示教再现机器人，还可以应用于离线编程机器人。

参照图10，本发明实施例还提供了一种格子间的定位装置，所述装置可以包括：发送单元101，获取单元102，构建单元103以及定位单元104。其中：

所述发送单元101，适于向上述任一种的工业机器人的控制装置发送控制信号，由所述控制装置控制所述工业机器人按照预设的扫描路径扫描待定位的格子间的表面；

所述获取单元102，适于获取所述待定位的格子间表面的测距数据；

所述构建单元103，适于基于所述测距数据在所述工业机器人工作坐标系下构建所述待定位的格子间的三维构形；

所述定位单元104，适于基于所述三维构形确定所述待定位的格子间各个缝隙的位置。

在具体实施中，所述扫描路径呈十字。

在具体实施中，所述扫描路径的中心为所述待定位的格子间的中心。

在具体实施中，所述扫描路径中的其中一条路径均与所述同一直线平行

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (24)

1.一种格子间的定位方法，其特征在于，包括：

向工业机器人的控制装置发送控制信号，由所述控制装置控制所述工业机器人按照预设的扫描路径扫描待定位的格子间的表面，获取所述待定位的格子间表面的测距数据；

基于所述测距数据在所述工业机器人工作坐标系下构建所述待定位的格子间的三维构形；

基于所述三维构形确定所述待定位的格子间各个缝隙的位置；

所述工业机器人的末端设置有至少两组激光测距器，适于扫描并获取待定位格子间表面的测距数据；其中，每组激光测距器中包括两个激光测距器，所述两个激光测距器呈外扩式发射激光；各组激光测距器中两个激光测距器的中心点之间的线段相平行且垂直相交于同一直线。

2.如权利要求1所述的格子间的定位方法，其特征在于，所述至少两组激光测距器与所述工业机器人的末端连接的一端位于的同一水平面上。

3.如权利要求2所述的格子间的定位方法，其特征在于，位于所述同一直线同一侧的激光测距器至所述同一直线的距离各不相同。

4.如权利要求3所述的格子间的定位方法，其特征在于，同一组激光测距器中的两个激光测距器所发射激光的外扩角度相同。

5.如权利要求4所述的格子间的定位方法，其特征在于，所述至少两组激光测距器所发射的激光的外扩角度各不相同。

6.如权利要求4所述的格子间的定位方法，其特征在于，所述激光测距器发射激光的外扩角度与所述待定位格子间的尺寸及扫描路径相关。

7.如权利要求6所述的格子间的定位方法，其特征在于，所述至少两组激光测距器均为同一类型的激光测距器。

8.如权利要求7所述的格子间的定位方法，其特征在于，位于所述同一直线同一侧的激光测距器所发射的激光相交于所述激光测距器的零点。

9.如权利要求1～8任一项所述的格子间的定位方法，其特征在于，所述各组激光测距器中两个激光测距器中心点间线段的最大长度值小于或等于所述待定位格子间的最大边长。

10.如权利要求1所述的格子间的定位方法，其特征在于，所述扫描路径呈十字。

11.如权利要求10所述的格子间的定位方法，其特征在于，所述扫描路径的中心为所述待定位的格子间的中心。

12.如权利要求11所述的格子间的定位方法，其特征在于，所述扫描路径中的其中一条路径与所述同一直线平行。

13.一种格子间的定位装置，其特征在于，包括：

发送单元，适于向工业机器人的控制装置发送控制信号，由所述控制装置控制所述工业机器人按照预设的扫描路径扫描待定位的格子间的表面；

获取单元，适于获取所述待定位的格子间表面的测距数据；

构建单元，适于基于所述测距数据在所述工业机器人工作坐标系下构建所述待定位的格子间的三维构形；

定位单元，适于基于所述三维构形确定所述待定位的格子间各个缝隙的位置；所述工业机器人的末端设置有至少两组激光测距器，适于扫描并获取待定位格子间表面的测距数据；其中，每组激光测距器中包括两个激光测距器，所述两个激光测距器呈外扩式发射激光；各组激光测距器中两个激光测距器的中心点之间的线段相平行且垂直相交于同一直线。

14.如权利要求13所述的格子间的定位装置，其特征在于，所述至少两组激光测距器与所述工业机器人的末端连接的一端位于的同一水平面上。

15.如权利要求14所述的格子间的定位装置，其特征在于，位于所述同一直线同一侧的激光测距器至所述同一直线的距离各不相同。

16.如权利要求15所述的格子间的定位装置，其特征在于，同一组激光测距器中的两个激光测距器所发射激光的外扩角度相同。

17.如权利要求16所述的格子间的定位装置，其特征在于，所述至少两组激光测距器所发射的激光的外扩角度各不相同。

18.如权利要求17所述的格子间的定位装置，其特征在于，所述激光测距器发射激光的外扩角度与所述待定位格子间的尺寸及扫描路径相关。

19.如权利要求18所述的格子间的定位装置，其特征在于，所述至少两组激光测距器均为同一类型的激光测距器。

20.如权利要求19所述的格子间的定位装置，其特征在于，位于所述同一直线同一侧的激光测距器所发射的激光相交于所述激光测距器的零点。

21.如权利要求13至20任一项所述的格子间的定位装置，其特征在于，所述各组激光测距器中两个激光测距器中心点间线段的最大长度值小于或等于所述待定位格子间的最大边长。

22.如权利要求13所述的格子间的定位装置，其特征在于，所述扫描路径呈十字。

23.如权利要求22所述的格子间的定位装置，其特征在于，所述扫描路径的中心为所述待定位的格子间的中心。

24.如权利要求23所述的格子间的定位装置，其特征在于，所述扫描路径中的其中一条路径均与所述同一直线平行。