CN108680101B - 机械臂末端空间重复定位精度测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械臂末端空间重复定位精度测量装置，包含激光测距仪、夹持装置、相机以及接光屏；多个激光测距仪安装在夹持装置上，夹持装置包含附接点，所述附接点安装在机械臂末端；多个激光测距仪之间存在安装夹角，多个激光测距仪的中轴线在长度延伸方向上相交于附接点；激光测距仪发出的激光射线能够在接光屏上形成光斑；相机能够拍摄到接光屏上的光斑。相应地，本发明还提供了一种机械臂末端空间重复定位精度测量方法。本发明每次测量机械臂末端空间位置时，可以一次得到所需要的测量值，操作步骤比较简单；使用角度信息代替传统光学距离信息，大大减少制作成本；且只用到一个相机，成本较为低廉。

Description

机械臂末端空间重复定位精度测量装置与方法

技术领域

本发明涉及工业自动化控制领域，具体地，涉及一种机械臂末端空间重复定位精度测量装置与方法。

背景技术

机械臂是现代自动化发展的代表，被广泛应用于各个领域。机械臂能协助工人甚至独立完成高难度，高风险的工作，不仅完成质量高，而且效率高，因此机械臂在生产中承担着很多关键的角色，这就对机械臂的各项指标都提出了很高的要求。机械臂末端空间重复定位精度是一项重要的技术参数，是保证机械臂工作的质量的重要因素之一。机械臂末端空间重复定位精度的测量一直受到广泛关注，但是还有许多问题需要解决。目前常用的机械臂末端空间重复定位精度的测量方法主要是拉线式定位测量法。但是拉线式测量装置体积庞大，价格也十分昂贵，装置移动不灵活。因此设计一种成本低，精度达到机器人检测标准，操作简便的工业机器人重复定位精度装置是十分有必要的。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种机械臂末端空间重复定位精度测量装置与方法。

根据本发明提供的机械臂末端空间重复定位精度测量装置，包含激光测距仪、夹持装置、相机以及接光屏；

多个激光测距仪安装在夹持装置上，夹持装置包含附接点，所述附接点安装在机械臂末端；多个激光测距仪之间存在安装夹角，多个激光测距仪的中轴线在长度延伸方向上相交于附接点；

激光测距仪发出的激光射线能够在接光屏上形成光斑；相机能够拍摄到接光屏上的光斑。

优选地，所述相机包含高清相机，高清相机安装在设置的相机架上。

优选地，所述接光屏水平放置，高清相机的镜头与接光屏平行布置。

优选地，还包含计算机，所述计算机与高清相机相连。

优选地，所述计算机包含以下模块：

图像模块：获取高清相机拍摄的照片，对照片进行图像处理，提取得到光斑坐标信息；

定位模块：根据光斑坐标信息，计算获得空间重复定位精度。

本发明还提供了一种机械臂末端空间重复定位精度测量方法，包含以下步骤：

组装准备步骤：对机械臂末端重复定位精度测量装置进行组装，使机械臂末端到达设定位置，使激光测距仪发出的激光射线在接光屏上形成光斑；

数据采集步骤：获取激光测距仪的角度信息与测量得到的距离数据，与高清相机拍摄的带有光斑的接光屏的照片I₁；

末端位置计算步骤：根据距离数据、照片I₁上光斑的坐标以及激光测距仪之间安装夹角信息计算得到机械臂末端位置。

优选地，还包含以下步骤：

测试次数判定步骤：判断机械臂末端位置的计算次数是否达到了设定次数，若否，返回执行数据采集步骤；若是，执行空间重复定位精度计算步骤；

空间重复定位精度计算步骤：根据多次机械臂末端位置的计算结果，计算获得机械臂末端空间重复定位精度。

优选地，组装准备步骤，安装有三个激光测距仪，三个激光测距仪在接光屏上分别形成第一光斑、第二光斑、第三光斑这三个光斑；

末端位置计算步骤中，三个激光测距仪测量得到的距离数据分别为d₁'、d₂'、d₃'；三个激光测距仪发出的激光射线之间相对夹角分别为θ₁、θ₂、θ₃；第一光斑、第二光斑、第三光斑的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)；根据以下公式计算机械臂末端位置的坐标(x,y,z)：

所述坐标均为在空间直角坐标系中的坐标，式中：n₁、n₂、n₃，d₁、d₂、d₃均为中间变量；表示括号内代式取最小值时d₁、d₂、d₃的值。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明每次测量机械臂末端空间位置时，可以一次得到所需要的测量值，操作步骤比较简单；

2、使用角度信息代替传统光学距离信息，大大减少制作成本；高清相机可以较为精确地得到激光点在二维空间的坐标，且只用到一个相机，成本较为低廉；

3、使用射线夹角作为定位精度计算变量而不是测量距离，测量距离只作为判断条件，因此不需要精密昂贵的光学测距设备，达到了既降低成本又保证定位精度的作用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的机械臂末端空间重复定位精度测量装置结构示意图；

图2为激光测距仪的夹持装置结构示意图；

图3为带有光斑的接光屏照片示意图；

图4为本发明提供的机械臂末端空间重复定位精度测量方法流程图。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的机械臂末端空间重复定位精度测量装置，包含激光测距仪3、夹持装置2、相机以及接光屏4，多个激光测距仪3安装在夹持装置2上，夹持装置2包含附接点1，所述附接点1安装在机械臂末端；多个激光测距仪3之间存在安装夹角，多个激光测距仪3的中轴线在长度延伸方向上相交于附接点1，激光测距仪3发出的激光射线能够在接光屏4上形成光斑；相机能够拍摄到接光屏4上的光斑。

如图1所示，实施例中，所述相机包含高清相机5，高清相机5安装在设置的相机架6上。所述接光屏4水平放置，高清相机5的镜头与接光屏4平行布置。如图2所示，夹持装置2上安装有三个呈设定角度布置的激光测距仪3，三个激光测距仪3呈三棱锥形状布置。如图3所示，三个激光测距仪3在接光屏4上分别形成A、B、C三处光斑，图中x、y表示接光屏4所在平面上直角坐标系中对应的两根坐标轴。此外，机械臂末端空间重复定位精度测量装置还包含计算机7，所述计算机7与高清相机5相连。所述计算机7包含以下模块：图像模块：获取高清相机5拍摄的照片，对照片进行图像处理，提取得到光斑坐标信息；定位模块：根据光斑坐标信息，计算获得空间重复定位精度。优选地，所述接光屏4还可以是竖直放置或者倾斜放置的，根据实际应用场合进行调整。

如图4所示，本发明还提供了一种机械臂末端空间重复定位精度测量方法，包含以下步骤：组装准备步骤：对机械臂末端重复定位精度测量装置进行组装，使机械臂末端到达设定位置，使激光测距仪3发出的激光射线在接光屏4上形成光斑；数据采集步骤：获取激光测距仪3测量得到的距离数据，与高清相机5拍摄的带有光斑的接光屏4的照片I₁；末端位置计算步骤：根据距离数据、照片I₁上光斑的坐标以及激光测距仪3之间安装夹角信息计算得到机械臂末端位置。

机械臂末端空间重复定位精度测量方法还包含以下步骤：测试次数判定步骤：判断机械臂末端位置的计算次数是否达到了设定次数，若否，返回执行数据采集步骤；若是，执行空间重复定位精度计算步骤；空间重复定位精度计算步骤：根据多次机械臂末端位置的计算结果，计算获得机械臂末端空间重复定位精度。组装准备步骤，安装有三个激光测距仪3，三个激光测距仪3在接光屏4上分别形成第一光斑、第二光斑、第三光斑这三个光斑，分别对应图3中的A、B、C位置的光斑。

末端位置计算步骤中，三个激光测距仪3测量得到的距离数据分别为d₁'、d₂'、d₃'；三个激光测距仪3发出的激光射线之间相对夹角分别为θ₁、θ₂、θ₃，也就是说，三个激光测距仪3在布置时呈三棱锥形，在附接点1对应的顶点处引出的三根棱线之间会存在三个相对夹角，夹角θ₁即第一个激光测距仪3与第二个激光测距仪3之间的夹角，夹角θ₂即第二个激光测距仪3与第三个激光测距仪3之间的夹角，夹角θ₃即第三个激光测距仪3与第一个激光测距仪3之间的夹角。第一光斑、第二光斑、第三光斑的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)；根据以下公式计算机械臂末端位置的坐标(x,y,z)：

所述坐标均为在空间直角坐标系中的坐标，式中：n₁、n₂、n₃，d₁、d₂、d₃均为中间变量；表示括号内代式取最小值时d₁、d₂、d₃的值。由于测试次数可以被设定为多次，因此，通过第一组公式求得的d₁、d₂、d₃的值存在多个解，通过第二个公式可以求出多个解中最符合要求的d₁、d₂、d₃的值，再通过所述最符合要求的d₁、d₂、d₃的值，根据第三组公式求得唯一的x,y,z的解。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种机械臂末端空间重复定位精度测量方法，其特征在于，采用机械臂末端空间重复定位精度测量装置进行测量，机械臂末端空间重复定位精度测量装置包含激光测距仪(3)、夹持装置(2)、相机以及接光屏(4)；

多个激光测距仪(3)安装在夹持装置(2)上，夹持装置(2)包含附接点(1)，所述附接点(1)安装在机械臂末端；多个激光测距仪(3)之间存在安装夹角，多个激光测距仪(3)的中轴线在长度延伸方向上相交于附接点(1)；

激光测距仪(3)发出的激光射线能够在接光屏(4)上形成光斑；相机能够拍摄到接光屏(4)上的光斑；

机械臂末端空间重复定位精度测量方法包含以下步骤：

组装准备步骤：对机械臂末端重复定位精度测量装置进行组装，使机械臂末端到达设定位置，使激光测距仪(3)发出的激光射线在接光屏(4)上形成光斑；

数据采集步骤：获取激光测距仪(3)的相对角度信息与测量得到的距离数据，与高清相机(5)拍摄的带有光斑的接光屏(4)的照片I₁；

末端位置计算步骤：根据距离数据、照片I₁上光斑的坐标以及激光测距仪(3)之间安装夹角信息计算得到机械臂末端位置；

组装准备步骤，安装有三个激光测距仪(3)，三个激光测距仪(3)在接光屏(4)上分别形成第一光斑、第二光斑、第三光斑这三个光斑；

末端位置计算步骤中，三个激光测距仪(3)测量得到的距离数据分别为d₁'、d₂'、d₃'；三个激光测距仪(3)发出的激光射线之间相对夹角分别为θ₁、θ₂、θ₃；第一光斑、第二光斑、第三光斑的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)；根据以下公式计算机械臂末端位置的坐标(x,y,z)：

所述坐标均为在空间直角坐标系中的坐标，式中：n₁、n₂、n₃，d₁、d₂、d₃均为中间变量；表示括号内代式取最小值时d₁、d₂、d₃的值。

2.根据权利要求1所述的机械臂末端空间重复定位精度测量方法，其特征在于，还包含以下步骤：

测试次数判定步骤：判断机械臂末端位置的计算次数是否达到了设定次数，若否，返回执行数据采集步骤；若是，执行空间重复定位精度计算步骤；

空间重复定位精度计算步骤：根据多次机械臂末端位置的计算结果，计算获得机械臂末端空间重复定位精度。

3.根据权利要求1所述的机械臂末端空间重复定位精度测量方法，其特征在于，所述相机包含高清相机(5)，高清相机(5)安装在设置的相机架(6)上。

4.根据权利要求2所述的机械臂末端空间重复定位精度测量方法，其特征在于，所述接光屏(4)水平放置，高清相机(5)的镜头与接光屏(4)平行布置。

5.根据权利要求4所述的机械臂末端空间重复定位精度测量方法，其特征在于，机械臂末端空间重复定位精度测量装置还包含计算机(7)，所述计算机(7)与高清相机(5)相连。

6.根据权利要求5所述的机械臂末端空间重复定位精度测量方法，其特征在于，所述计算机(7)包含以下模块：

图像模块：获取高清相机(5)拍摄的照片，对照片进行图像处理，提取得到光斑坐标信息；

定位模块：根据光斑坐标信息，计算获得空间重复定位精度。