CN108908120B - 基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨装置及打磨方法 - Google Patents

基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨装置及打磨方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨装置及打磨方法，打磨装置包括机械臂、传感器固定座、六维力传感器、工业相机、柔性连接件、电机固定座、打磨电机和双轴加速度传感器；六维力传感器通过传感器固定座与机械臂的末端关节固定连接；六维力传感器通过柔性连接件与电机固定座柔性连接，打磨电机安装在电机固定座上；工业相机对称设在柔性连接件的两侧；双轴加速度传感器分别设在机械臂的末端关节和打磨电机上。打磨方法包括步骤1，深度点云图生成；步骤2，打磨时机控制；步骤3，PI控制打磨和步骤4，机械臂位置补偿。本发明简单稳定，易于控制，打磨效果好，效率高；同时，还能补偿打磨过程中的位置偏移，提高加工质量。

Description

基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨装置及打磨方法
技术领域
本发明涉及工业机器人材料加工领域，特别是一种基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨装置及打磨方法。
背景技术
目前打磨行业的自动化水平较低，稍复杂的零件都需由经验丰富的工人手工打磨，打磨作业劳动强度大，工作繁琐，打磨产生的噪音和粉尘损害工人身体健康。
因而，目前打磨行业急需一套自动化水平高，通用性强，加工精度高，效率高的设备及控制方法实现自动打磨作业，解放人力。
专利CN103009218B中公开了一种机器人打磨装置及打磨方法，其打磨电机与六维力传感器不在同一轴线上，存在力矩干扰；打磨振动直接传递到六维力传感器上，会对六维力传感器造成损伤，影响使用寿命。另外，采用位移传感器测量加工表面信息，一次行程检测范围较小，获取打磨信息不全面。在CN103009218B中，即使将打磨电机与六维力传感器设置在同一轴线上，打磨时产生的振动会影响力和力矩的测量，同时也会对六维力传感器测量结构造成不可逆转的损伤。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨装置，该基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨装置结构简单稳定，易于控制，打磨效果好，效率高；同时，还能补偿打磨过程中的位置偏移，提高加工质量。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨装置，包括机械臂、传感器固定座、六维力传感器、工业相机、柔性连接件、电机固定座、打磨电机和双轴加速度传感器。
六维力传感器通过传感器固定座与机械臂的末端关节固定连接。
六维力传感器通过柔性连接件与电机固定座柔性连接，打磨电机安装在电机固定座上。
工业相机对称设置在柔性连接件的两侧。
双轴加速度传感器分别设置在机械臂的末端关节和打磨电机上。
柔性连接件为采用橡胶材料制成的圆柱体，柔性连接件的一端与六维力传感器的传力轴连接固定，柔性连接件的另一端与电机固定座相连接固定。
柔性连接件包括传力孔、传力轴固定孔和电机固定孔；传力孔与柔性连接件同轴设置，传力轴固定孔和电机固定孔沿轴向设置在柔性连接件上。
六维力传感器的传力轴顶端与传力孔紧配合，并采用固定销通过传力轴固定孔将传力轴与柔性连接件进行固定。
电机固定座包括连接件套筒和设置在连接件套筒外壁上的连接件固定孔。
连接件套筒套装在柔性连接件的另一端，并采用固定销依次通过连接件固定孔和电机固定孔，将电机固定座与柔性连接件进行固定。
还包括相机支架，相机支架包括位于中心的传力轴套筒和对称设置在传力轴套筒两侧的相机安装槽；传力轴套筒套装在位于六维力传感器和柔性连接件之间的六维力传感器的传力轴上，工业相机通过安装螺钉穿过相机安装槽固定在相机支架上。
每个相机安装槽的长度方向均与传力轴相垂直，安装螺钉能在相机安装槽内滑动，进而调整工业相机的安装位置。
本发明还提供一种基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨方法，该基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨方法易于控制，打磨效果好，效率高；同时，还能补偿打磨过程中的位置偏移，提高加工质量。
一种基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨方法，包括如下步骤。
步骤1，深度点云图生成：机械臂带动打磨电机末端移动到待加工零件表面上方h高度处，两个工业相机将自动采集待加工零件表面的图像信息，并根据如下公式(1)获取待加工零件表面的图像深度信息，计算生成深度点云图；
式中，Dis为图像深度信息，f为工业相机焦距，B为两工业相机的中心距，XR与XT为待加工零件表面上同一点在两个工业相机成像平面上的位置，XR-XT即为视差。
步骤2，打磨时机控制：根据步骤1生成的深度点云图分析待加工零件表面的不平整度，控制机械臂使打磨电机的打磨头以小于V2的速度接近打磨区域边缘；当六维力传感器感知到Z轴方向上的受力突变，立刻停止Z轴方向的运动，开始对打磨区域进行横向打磨。
步骤3，PI控制打磨：采用恒力打磨的方式对打磨区域进行打磨，六维力传感器将实时获取打磨过程中的力与力矩信息，对打磨头的进给量进行PI控制。
步骤4，机械臂位置补偿：在打磨过程中，两个双轴加速度传感器将分别对机械臂和打磨电机在X方向和Y方向的倾角偏移进行实时监测；当检测到机械臂末端与打磨电机之间在X方向和Y方向的倾角偏移均超过设定角度时，立即对打磨电机的位置按照公式(2)和(3)进行补偿修正；
deltaX＝-k*Dis*sin(αr-αm) (2)
deltaY＝-k*Dis*sin(βr-βm) (3)
其中，αr＝arcsin(Axr/g)
αm＝arcsin(Axm/g)
βr＝arcsin(Ayr/g)
βm＝arcsin(Aym/g)
式中，deltaX，deltaY为机械臂末端在X方向和Y方向上的补偿运动距离；Dis为两个工业相机计算出的打磨位置处的图像深度信息，k为比例系数，用于调节实际运动中的补偿效果；“-”表示补偿调整运动方向与机械臂当前运动方向相反；另外，αr，βr为机械臂末端在X方向和Y方向上的倾角，αm，βm为打磨电机在X方向和Y方向上的倾角，Axr，Ayr为机械臂末端双轴加速度传感器的加速度输出信号，Axm，Aym为打磨电机上双轴加速度传感器的加速度输出信号，g为重力加速度。
步骤1中，机械臂带动打磨电机末端以小于V1的速度移动到待加工零件表面上方h高度处，高度h取值为10cm。
V1取值为4cm/s，V2取值为2cm/s。
机械臂末端与打磨电机之间的倾角偏移的设定角度为3°。
本发明具有如下有益效果：
1.打磨电机与六维力传感器在同一轴线上，可以准确测量打磨过程中的受力情况。
2.打磨电机底座与六维力传感器传力轴之间通过柱状橡胶垫连接，可以有效消除打磨过程中产生的高频振动，防止对六维力传感器造成损伤。
3.采用双目视觉系统采集打磨表面的深度点云图，避免了接触式测量，同时可以反映出整个视野内打磨区域的情况；另外，双目相机中心距可以根据实际加工环境调节，测量更加准确。
4.通过六维力传感器力与力矩的反馈构成PI闭环控制，控制打磨电机对打磨区域进行恒力打磨，同时通过双轴加速度传感器可以对打磨过程中打磨头的偏移进行位置补偿，实现良好的打磨效果和打磨效率。整套系统结构简单稳定，控制效果良好，可用于复杂曲面的跟踪打磨，打磨质量高。
附图说明
图1显示了本发明基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨装置零件打磨示意图。
图2显示了本发明的基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨装置的结构示意图。
图3显示了传感器固定座的结构示意图。
图4显示了相机支架的结构示意图。
图5显示了柔性连接件的结构示意图。
图6显示了电机固定座的结构示意图。
图7显示了打磨电机的结构示意图。
图8显示了基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨方法的方框图。
其中有：
1.机械臂；2.传感器固定座；3.六维力传感器；4.相机支架；41.传力轴套筒；42.相机安装槽；5.工业相机；6.柔性连接件；61.传力孔；62.传力轴固定孔；63.电机固定孔；7.电机固定座；71.连接件套筒；72.连接件固定孔；8.双轴加速度传感器；9.打磨电机；10.待加工零件。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1和图2所示，一种基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨装置，包括机械臂1、传感器固定座2、六维力传感器3、相机支架4、工业相机5、柔性连接件6、电机固定座7、打磨电机9和双轴加速度传感器8。
六维力传感器通过传感器固定座与机械臂的末端关节固定连接，传感器固定座的结构如图3所示。
六维力传感器通过柔性连接件与电机固定座柔性连接。柔性连接件优选为采用橡胶材料制成的圆柱体，圆柱体优选尺寸为直径30mm，高度50mm。柔性连接件的一端与六维力传感器的传力轴连接固定，柔性连接件的另一端与电机固定座相连接固定。
如图5所示，柔性连接件包括传力孔61、传力轴固定孔62和电机固定孔63。传力孔与柔性连接件同轴设置，传力轴固定孔和电机固定孔沿轴向设置在柔性连接件上。
六维力传感器的传力轴顶端与传力孔紧配合，并采用固定销通过传力轴固定孔将传力轴与柔性连接件进行固定。
传力孔的孔深优选为20mm，这样，六维力传感器的传力轴不会接触到电机固定座的装配部位。
打磨电机安装在电机固定座上，如图6所示，电机固定座包括连接件套筒71和设置在连接件套筒外壁上的连接件固定孔72。其中，打磨电机的结构如图7所示。
连接件套筒套装在柔性连接件的另一端，并采用固定销依次通过连接件固定孔和电机固定孔，将电机固定座与柔性连接件进行固定。
工业相机对称设置在柔性连接件的两侧，工业相机优选固定在相机支架上。两个工业相机固定在相机支架水平槽中构成双目视觉系统。
如图4所示，相机支架包括位于中心的传力轴套筒41和对称设置在传力轴套筒两侧的相机安装槽42。
传力轴套筒套装在位于六维力传感器和柔性连接件之间的六维力传感器的传力轴上。同时，传力轴套筒顶部与六维力传感器的顶盖相压紧接触。
工业相机通过安装螺钉穿过相机安装槽固定在相机支架上。
每个相机安装槽的长度方向均与传力轴相垂直，每个相机安装槽的尺寸优选为长40mm宽6mm。安装螺钉能在相机安装槽内滑动，进而调整工业相机的安装位置，也即根据实际需求调节两个相机的中心距离。
双轴加速度传感器分别设置在机械臂的末端关节和打磨电机上。两个双轴加速度传感器的初始位置为水平放置，固定位置在同一轴线上，所在平面相互平行。
本发明中，柔性连接件将打磨电机与六维力传感器的连接变成一个柔性环节，可以有效消除打磨过程中产生的高频振动，同时也可以减轻工业相机在运动过程中产生的抖动，提高测量精确度。但这样的柔性环节会导致打磨电机9在打磨过程中发生位置偏移，因而利用双轴加速度传感器8可以计算出打磨电机与机械臂末端在X方向和Y方向的角度差，通过控制机械臂末端位置，即能对打磨位置进行修正和补偿。
一种基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨方法，包括如下步骤。
步骤1，深度点云图生成：机械臂带动打磨电机末端优选以小于V1的速度移动到待加工零件表面上方h高度处。其中，V1优选取值为4cm/s，h优选取值为10cm。
此时，两个工业相机将自动采集待加工零件表面的图像信息，并根据如下公式(1)获取待加工零件表面的图像深度信息，计算生成深度点云图；
式中，Dis为图像深度信息，f为工业相机焦距，B为两工业相机的中心距，XR与XT为待加工零件表面上同一点在两个工业相机成像平面上的位置，XR-XT即为视差。
步骤2，打磨时机控制：根据步骤1生成的深度点云图分析待加工零件表面的不平整度，控制机械臂使打磨电机的打磨头以小于V2的速度接近打磨区域边缘；其中，V2优选取值为2cm/s。当六维力传感器感知到Z轴方向上的受力突变，立刻停止Z轴方向的运动，开始对打磨区域进行横向打磨。
步骤3，PI控制打磨：采用恒力打磨的方式对打磨区域进行打磨，六维力传感器将实时获取打磨过程中的力与力矩信息，对打磨头的进给量进行PI控制。
步骤4，机械臂位置补偿：在打磨过程中，两个双轴加速度传感器将分别对机械臂和打磨电机在X方向和Y方向的倾角偏移进行实时监测；当检测到机械臂末端与打磨电机之间在X方向和Y方向的倾角偏移均超过设定角度时，其中，设定角度优选为3°，立即对打磨电机的位置按照公式(2)和(3)进行补偿修正，保证打磨过程中打磨电机基本保持在竖直方向，使打磨方向始终保持沿接触面切线方向，并能实现恒力打磨。这样的控制方式可以提高加工质量和加工效率，能够完成复杂曲面的跟踪打磨。
deltaX＝-k*Dis*sin(αr-αm) (2)
deltaY＝-k*Dis*sin(βr-βm) (3)
其中，αr＝arcsin(Axr/g)
αm＝arcsin(Axm/g)
βr＝arcsin(Ayr/g)
βm＝arcsin(Aym/g)
式中，deltaX，deltaY为机械臂末端在X方向和Y方向上的补偿运动距离；Dis为两个工业相机计算出的打磨位置处的图像深度信息，k为一个0～1的可变比例系数，用于调节实际运动中的补偿效果；“-”表示补偿调整运动方向与机械臂当前运动方向相反；另外，αr，βr为机械臂末端在X方向和Y方向上的倾角，αm，βm为打磨电机在X方向和Y方向上的倾角，Axr，Ayr为机械臂末端双轴加速度传感器的加速度输出信号，Axm，Aym为打磨电机上双轴加速度传感器的加速度输出信号，g为重力加速度。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨装置，其特征在于：包括机械臂、传感器固定座、六维力传感器、工业相机、柔性连接件、电机固定座、打磨电机和双轴加速度传感器；
六维力传感器通过传感器固定座与机械臂的末端关节固定连接；
六维力传感器通过柔性连接件与电机固定座柔性连接，打磨电机安装在电机固定座上；
工业相机对称设置在柔性连接件的两侧；
双轴加速度传感器分别设置在机械臂的末端关节和打磨电机上；
柔性连接件包括传力孔、传力轴固定孔和电机固定孔；传力孔与柔性连接件同轴设置，传力轴固定孔和电机固定孔沿轴向设置在柔性连接件上；
六维力传感器的传力轴顶端与传力孔紧配合，并采用固定销通过传力轴固定孔将传力轴与柔性连接件进行固定；
电机固定座包括连接件套筒和设置在连接件套筒外壁上的连接件固定孔；
连接件套筒套装在柔性连接件的另一端，并采用固定销依次通过连接件固定孔和电机固定孔，将电机固定座与柔性连接件进行固定。
2.根据权利要求1所述的基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨装置，其特征在于：柔性连接件为采用橡胶材料制成的圆柱体，柔性连接件的一端与六维力传感器的传力轴连接固定，柔性连接件的另一端与电机固定座相连接固定。
3.根据权利要求1所述的基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨装置，其特征在于：还包括相机支架，相机支架包括位于中心的传力轴套筒和对称设置在传力轴套筒两侧的相机安装槽；传力轴套筒套装在位于六维力传感器和柔性连接件之间的六维力传感器的传力轴上，工业相机通过安装螺钉穿过相机安装槽固定在相机支架上。
4.根据权利要求3所述的基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨装置，其特征在于：每个相机安装槽的长度方向均与传力轴相垂直，安装螺钉能在相机安装槽内滑动，进而调整工业相机的安装位置。
5.一种基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨方法，采用权利要求1-4任一项所述的基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨装置，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，深度点云图生成：机械臂带动打磨电机末端移动到待加工零件表面上方h高度处，两个工业相机将自动采集待加工零件表面的图像信息，并根据如下公式(1)获取待加工零件表面的图像深度信息，计算生成深度点云图；
式中，Dis为图像深度信息，f为工业相机焦距，B为两工业相机的中心距，XR与XT为待加工零件表面上同一点在两个工业相机成像平面上的位置，XR-XT即为视差；
步骤2，打磨时机控制：根据步骤1生成的深度点云图分析待加工零件表面的不平整度，控制机械臂使打磨电机的打磨头以小于V2的速度接近打磨区域边缘；当六维力传感器感知到Z轴方向上的受力突变，立刻停止Z轴方向的运动，开始对打磨区域进行横向打磨；
步骤3，PI控制打磨：采用恒力打磨的方式对打磨区域进行打磨，六维力传感器将实时获取打磨过程中的力与力矩信息，对打磨头的进给量进行PI控制；
步骤4，机械臂位置补偿：在打磨过程中，两个双轴加速度传感器将分别对机械臂和打磨电机在X方向和Y方向的倾角偏移进行实时监测；当检测到机械臂末端与打磨电机之间在X方向和Y方向的倾角偏移均超过设定角度时，立即对打磨电机的位置按照公式(2)和(3)进行补偿修正；
deltaX＝-k*Dis*sin(αr-αm) (2)
deltaY＝-k*Dis*sin(βr-βm) (3)
其中，αr＝arcsin(Axr/g)
αm＝arcsin(Axm/g)
βr＝arcsin(Ayr/g)
βm＝arcsin(Aym/g)
式中，deltaX，deltaY为机械臂末端在X方向和Y方向上的补偿运动距离；Dis为两个工业相机计算出的打磨位置处的图像深度信息，k为比例系数，用于调节实际运动中的补偿效果；“-”表示补偿调整运动方向与机械臂当前运动方向相反；另外，αr，βr为机械臂末端在X方向和Y方向上的倾角，αm，βm为打磨电机在X方向和Y方向上的倾角，Axr，Ayr为机械臂末端双轴加速度传感器的加速度输出信号，Axm，Aym为打磨电机上双轴加速度传感器的加速度输出信号，g为重力加速度。
6.根据权利要求5所述的基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨方法，其特征在于：步骤1中，机械臂带动打磨电机末端以小于V1的速度移动到待加工零件表面上方h高度处，高度h取值为10cm。
7.根据权利要求6所述的基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨方法，其特征在于：V1取值为4cm/s，V2取值为2cm/s。
8.根据权利要求5所述的基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨方法，其特征在于：机械臂末端与打磨电机之间的倾角偏移的设定角度为3°。
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