CN109029322A - 一种全新数控机器人多坐标测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全新数控机器人多坐标测量系统及测量方法，包括：具有拖拉示教功能的6轴机器人；该机器人的末端装配一红宝石测量头；其中，所述红宝石测量头的受力端设置一压力传感器；其中，该机器人包含：机器人本体及其上的6个伺服驱动器；程序控制系统，用于根据测量需求获得的红宝石测量头在不同采样点对应的机器人各伺服电机的状态数据，并据此及测量需求获得对应的测量数学模型，测量并计算出最终结果；人机交互单元，用于控制机器人的动作以控制红宝石测量头的采样，以及控制程序控制系统选取所述测量需求。还相应的提供了测量方法。本发明可以满足非规则类或传统框架结构测量机无法实现的测量要求。

Description

一种全新数控机器人多坐标测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及数控测量技术领域，特别是指一种全新数控机器人多坐标测量系统及测量方法。

背景技术

在数控加工零件测量技术领域，目前的主要测量方法是在传统框架结构三坐标数测量机上实现的，对零部件的测量是通过三坐标测量机框架的三维移动(x轴、y轴、z轴三个方向上的移动)，使框架上的红宝石测头与被测零件特定表面测量点接触采样，来实现数控加工零件的测量。但对于高于三维的复杂结构零部件及空间曲面的测量，采用传统框架结构三坐标数测量机，已无法满足工件的测量要求。

因此，目前亟需一种全新数控机器人多坐标测量系统或测量方法,以实现多维复杂结构零部件及空间曲面的测量。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种全新数控机器人多坐标测量系统及灵活测量方法，以实现多维复杂结构零部件及空间曲面的测量。

本发明提供的一种全新数控机器人多维坐标测量系统，包括：

具有拖拉示教功能的6轴机器人，该机器人的末端装配有红宝石测量头；其中，所述红宝石测量头的受力端设置一压力传感器；该机器人包含机器人本体部分及其上的6个伺服驱动器；

程序控制系统，用于根据测量需求获得的红宝石测量头在不同采样点对应的机器人各伺服电机的状态数据，并据此及测量需求对应的测量数学模型测计算出测量结果。

人机交互单元，用于控制机器人的动作以控制红宝石测量头的采样，以及控制程序控制系统选取所述测量需求。

由上，本发明通过机器人装载红宝石测量头进行数控测量，由于机器人相比传统框架结构测量机的测量具有更多的灵活性，可以满足非规则类、多维空间、复杂工件的数控测量要求。

可选的，所述程序控制系统包括：主控程序模块，与其逻辑连接的神经网络运动测量数据处理模块、红宝石测量头传感器信息处理模块、空间轨迹跟踪模块、拖拉示教模块、及，手持盒测量控制模块；

所述主控程序模块用于根据所执行的处理程序按照一定逻辑调用其它各个模块进行处理，以及接收存储各个模块处理后的信息；

所述神经网络运动测量数据处理模块对应不同的测量需求存储有不同的测量数学模型；

所述红宝石测量头传感器信息处理模块用于根据红宝石测量头端部的压力传感器的触发脉冲信号识别红宝石测量头采样的开始及结束信号；

所述空间轨迹跟踪模块用于在红宝石测量头采样过程中对所述机械臂的各个伺服电机的角位移量进行采集；

所述拖拉示教模块用于根据空间轨迹跟踪模块提供的数据累加计算出各伺服电机轴旋转的角位移量，以由主控程序模块依据测量需求调用神经网络运动测量数据处理模块对应的测量数学模型，将各轴旋转角位移量处理转换为对应相关的测量结果；

所述手持盒测量控制模块用于为用户操作手持盒控制机器人提供程序驱动。

由上，通过程序控制系统包含的上述模块，根据不同的测量数学模型，可实现不同测量需求的数据测量，例如可以实现对测量两点直线距离的测量、对测量两条线段之间角度的测量、对空间圆弧曲线的曲率半径及空间圆弧曲线所在平面法向的测量、对两平面之间角度的测量、对空间曲面的曲率半径的测量。

可选的，还包括于机器人上朝向红宝石测量头设置的摄像头；所述程序控制系统还包括：与主控程序模块逻辑连接的视觉识别模块，为所述摄像头提供程序驱动。

由上，可以实现进行包括红宝石测量头的实时图像的采集，以便于远程视频监控。

可选的，所述程序控制系统还包括：与主控程序模块逻辑连接的电机力矩控制模块，用于将红宝石测量头的压力传感器感应到的压电信号大小进行判断以对红宝石测量头进行过劲保护和碰撞保护。

可选的，所述程序控制系统还包括：与控制系统主模块逻辑连接的滚动屏幕功能菜单显示模块，以实时显示功能菜单。由此，可以便于用户进行人机交互操作。

可选的，所述机器人的另一端装配于与其配套的可旋转平台上，该可旋转平台具有一驱动其水平转动的伺服电机；

所述程序控制系统还包括：与控制系统主模块逻辑连接的大理石测量平台旋转驱动模块，为可旋转平台的伺服电机提供程序驱动。

可选的，所述机器人的另一端装配于与其配套的可旋转平台上，该可旋转平台具有一驱动该平台水平转动的伺服电机；

所述程序控制系统还包括：与控制系统主模块逻辑连接的大理石测量平台旋转驱动模块，为可旋转平台的伺服电机提供程序驱动。

由于将被测零件置于可旋转平台上，则实现了机器人测量机的多维测量及其灵活性。

本发明还提供了一种基于上述任一所述系统的测量方法，包括步骤：

A、通过人机交互单元选择本次的测试需求；

B、根据所述测试需求调用对应该测试需求的测量数学模型进行测量轨迹规划；

C、控制机器人运行轨迹及位姿以到达各个被测量点，使得各个被测量点分别与红宝石测量头接触，红宝石测量头端部的压力传感器在各测量点触发产生脉冲信号；

D、依据各测量点触发所产生的脉冲信号，控制对该触发点的采样，分别依据采数据计算出各伺服电机的旋转角位移量；

E、依据所述各轴旋转的角位移量，累加计算出各伺服电机轴旋转的角位移总量，并依据所述测量数学模型计算出对应的测量结果。

由上，本发明通过装有红宝石测量头的机器人测量机实现测量，相比传统框架式数控测量机具有更多灵活性，可以实现多维及空间曲面、非规则类等传统框架式数控测量机无法完成的工件测量。

可选的，所述测量数学模型、各个被测量点和测量结果包括以下其一：

对测量两点直线距离的测量需求的数学模型，待测两测量点为输入值，输出值为两点直线距离；

对测量两条线段之间角度的测量需求的数学模型，待测三测量点为输入值，输出值为两条线段之间角度；

对空间圆弧曲线的曲率半径及空间圆弧曲线所在平面法向的测量需求的数学模型，待测三测量点为输入值，输出值为空间圆弧曲线的曲率半径及空间圆弧曲线所在平面法向；

对两平面之间角度的测量需求的数学模型，两平面中的每一面上的三测量为输入值，输出值为两平面之间角度；

对空间曲面的曲率半径的测量需求的数学模型，待测四测量点为输入值，输出值为空间曲面的曲率半径。

由上，通过本发明可以实现多种测量需求。

可选的，还包括：实时检测红宝石测量头的压力传感器感应到的压电信号大小，达到阈值时停止机器人动作。

由上，实现对红宝石测量头进行过载力保护和碰撞保护。

综上，本发明测量系统还可进一步结合网络等实现线下测量、在线测量、反求测量、避障测量、智能测量等传统框架式三坐标数控测量机所无法实现的测量功能。

附图说明

图1为本发明的全新数控机器人多坐标测量系统示意图；

图2为6轴机械臂示意图。

具体实施方式

如图1示出了本发明的全新数控机器人多坐标测量系统，包括：

具有拖拉示教功能的6轴机器人，可在水平面内旋转的大理石平台，平台上安放被测工件，机器人末端装配一红宝石测量头作为测量部件；该机器人包含机器人本体及与其连接的6轴伺服驱动器，各伺服驱动器可记录其转动的角度。该可旋转的测量平台也具有一驱动其水平旋转的伺服电机，该伺服电机可配合测量方法设置并记录其转动的角度。其中，采用红宝石测量头是基于其测量精度高及耐磨损的原因，在红宝石测量头的受力端设有压力传感器，当该红宝石测量头与被测对象接触或脱离时，压力传感器会输出对应的脉冲信号以使后述的程序控制系统知晓测量头的状态从而下达采集数据的命令。

人机交互单元，包括具有显示部和的操作部，显示部可以为显示屏，操作部可以为触摸输入或按键等，用户通过人机交互单元可以实时显示当前运行信息，以及可以便于用户根据其测量需求调用当前所要使用的数学模型。例如当本系统用于测量两点直线距离时，可以调取直线测量数学模型；当本系统用于测量弧线时，可以调取弧线测量数学模型；当本系统用于测量弧面时，可以调取弧面测量数学模型；不同的测量数学模型，规定了红宝石测量头的不同采样轨迹点。

摄像头，其可设置于机器人上、且朝向红宝石测量头设置，用于采集红宝石测量头的工作图像，便于用户通过远端显示设备接收摄像头的图像信息以对红宝石测量头工作状态进行监控。

程序控制系统，与上述硬件进行信息交互，控制对应硬件的动作，并根据测量需求获得的红宝石测量头在不同的位置时对应的机器人各伺服电机瞬间旋转角的状态信息，并据此来计算出测量需求对应的测量结果。后文将对程序控制系统进行详细介绍。

其中，如图1中示出了本发明程序控制系统，包括：控制系统主模块，与其逻辑连接的拖拉示教模块、红宝石测量头传感器信息分析模块、空间轨迹跟踪模块、神经网络测量数据处理模块、手持测量盒控制模块、视觉识别模块、电机力矩控制模块、滚动屏幕功能菜单显示模块，及大理石测量平台旋转驱动模块，以及实现各类测量的数学模型。下面对各个模块进一步详细描述。

控制系统主模块210，其与其他各个模块逻辑连接进行信息交互，根据所执行的处理程序按照一定逻辑调用各个模块，以及接收存储各个模块处理后的信息。其功能具体包括：a.有效组织协调各个模块并行或按一定逻辑处理数据，接收并存储各个模块处理后的信息，并且形成各类文件；b.管理各模块之间信息通道，建立浮动缓存地址链接，存储各模块生成的各类信息文件，形成数据共享信息平台；c.调用执行指令处理程序，处理各模块发来的实时信息文件，生成各伺服电机脉冲指令执行信息后，发给各执行器驱动程序执行。

神经网络运动测量数据处理模块220，其对应不同的测量需求具有不同的测量数学模型，例如具有测量两点直线距离的直线测量数学模型、测量弧线的弧线测量数学模型、测量弧面的弧面测量数学模型等，后文还将提到其他测量数学模型。所述测量数学模型是以笛卡尔坐标空间与机械臂关节旋转空间的线性映射关系为理论依据建立的。各个测量数学模型建立时，可以依据机械臂各轴在执行空间的旋转角位移量，采用神经网络运动学正解法求出在笛卡尔操作空间两点间的网络训练样本值，基于该原理，用于各类测量的数学模型的建立，可使用常规方式建立，且具体数学模型本身非本发明关注点，故本文不再赘述。

红宝石测量头传感器信息处理模块230，用于根据红宝石测量头端部的压力传感器的触发脉冲信号，识别为红宝石测量头采样的开始、连续及结束信号，该信号发给空间轨迹跟踪模块240及拖拉示教模块250。

空间轨迹跟踪模块240，用于在红宝石测量头运行过程中进行红宝石测量头的空间轨迹跟踪记录，该轨迹记录可以是连续数据也可以是离散数据。其中，该轨迹跟踪记录是跟踪记录机器人及测量旋转平台的各个伺服电机的角位移量，即将空间复合轨迹分类为各轴单独旋转的角位移量进行记录，记录结果提供给拖拉示教模块250进行处理。

拖拉示教模块250，用于根据测头运行的开始、连续、结束信号及信号之间对应的空间轨迹点数据，给跟踪模块240提供的各轴的角位移量，累加计算出各伺服电机轴旋转的角位移总量，再由主控程序模块210依据本次测量需求，调用神经网络运动测量数据处理模块220以相关的测量数据作为输入值，调用相关数学模型，将各轴旋转角位移量处理转换为对应相关的测量结果。

手持盒测量控制模块260，属于人机交互的一部分，提供手工操控的软件驱动支持，使用户可操作手持盒控制机器人以使得红宝石测量头到达待测点采样，以及为后述的测量平台旋转模块提供旋转操作界面。

视觉识别模块270，用于对所述摄像头的控制，包括控制采集摄像头扫描实测现场的信息，直至接收到测量结束指令。

电机力矩控制模块280，用于将红宝石测量头的压力传感器感应到的压电信号发送给电荷放大器处理为转矩信号，与力矩阈值进行比对，达到阈值时，发出“停止”触发脉冲信号，以对红宝石测量头进行过力保护和碰撞保护。

滚动屏幕功能菜单显示模块290，属于人机交互的一部分，提供显示的软件驱动支持，包括：通过屏幕主菜单菜单点击进入各功能子菜单，选择做各种工件测量时，先根据主菜单提示点击遍历相关子菜单，测量结束时又返回主菜单显示。

大理石测量平台旋转驱动模块295，用于执行发出驱动测量平台旋转的指令。

下面对本发明全新数控机器人多坐标测量系统的测量方法进行描述，即对测量原理进行描述。

测量方法的实施例一：对一工件的两点之间直线距离的测量，该实施例包括以下步骤：

S310：用户通过人机交互单元，从显示屏上的测量需求菜单中选择本次的测试为“测量两点直线距离”的测试需求，

S320：由主控程序模块210获取所述测试需求，并从神经网络运动测量数据处理模块220中调用对应的直线测量数学模型到内存以备用；

S330：用户通过手持盒控制拖动机械臂，将机械臂拖拉至该工件的选定的两测量点分别进行采样操作，使得在该两测量点处与红宝石测量头接触，红宝石测量头端部的压力传感器在该两测量点处分别感应到压力阈值信号后，向控制系统主模块发出脉冲信号；

S340：依据所述两脉冲信号，空间轨迹跟踪模块240(采样)获取两个脉冲信号瞬间各伺服电机的转角参数，并将各伺服电机的各轴旋转的角位移量数据上传给主控程序模块210。

S350：数据上传给主控程序模块210调用拖拉示教模块250，将空间轨迹跟踪模块240提供的各轴旋转的角位移量，累加计算出各伺服电机轴旋转的角位移总量，再由所调用的神经网络运动测量数据处理模块220中的直线测量数学模型，将各轴旋转角位移量处理转换为对应相关的测量结果，完成两点之间直线距离测量。

S360：机器人红宝石测量头返回测量零点位置，并进入待机状态。

上述整个过程可以通过摄像头进行包括红宝石测量头轨迹的实时图像的采集，以便于远程视频监控。并且上述整个过程电机力矩控制模块280实时检测红宝石测量头采样时压力传感器感应到的压电信号，以对红宝石测量头进行过力保护和碰撞保护。

测量方法的实施例二：对两条线段之间角度的测量，该实施例包括以下步骤：

S410：用户通过人机交互单元，从显示屏上的测量需求菜单中选择本次的测试为“测量两条线段之间角度”的测试需求，

S420：由主控程序模块210获取所述测试需求，并从神经网络运动测量数据处理模块220中调用对应的两条线段之间角度测量数学模型到内存以备用；

S430：用户通过手持盒控制拖动机器人，将机器人末端红宝石测头拖拉至该工件选定的三测量点分别进行操作，使得在该三测量点处与红宝石测量头接触，红宝石测量头端部的压力传感器在该三测量点处分别感应到压力阈值信号后发出脉冲信号；

S440：依据所述三脉冲信号，空间轨迹跟踪模块240采样获取三个脉冲信号时各伺服电机的各参数，包括各伺服电机的各轴瞬间旋转角位移量，将数据上传给主控程序模块210。

S450：数据上传后，主控程序模块210调用拖拉示教模块250，将空间轨迹跟踪模块240提供的各轴旋转的角位移量，累加计算出各伺服电机轴旋转的角位移总量，再由所调用的神经网络运动测量数据处理模块220依据两条线段之间角度测量数学模型，将各轴旋转角位移量，处理转换为对应相关的测量结果，完成两条线段之间角度测量。

S460：机器人红宝石测量头返回测量零点位置，并进入待机状态。

同样的原理，还可进行如下的测量，鉴于步骤与上类似，简述如下：

对空间圆弧曲线的曲率半径及空间圆弧曲线所在平面法向的测量:从神经网络运动测量数据处理模块220中调用对应该测量需求的数学模型，机器人拖拉红宝石测头至该工件的待测三测量点处，采样各伺服电机的各参数，据此采样值调用拖拉示教模块250和调用的神经网络运动测量数据处理模块220进行数学处理，计算出该空间圆弧曲线的曲率半径及空间圆弧曲线所在平面法向量值。

对两平面之间角度的测量：从神经网络运动测量数据处理模块220中调用对应该测量需求的数学模型，机器人拖拉红宝石测头至两平面中的每一面上的三测量处点采样各服电机的各参数，据此采样值调用拖拉示教模块250和调用的神经网络运动测量数据处理模块220进行数学处理，计算出该|两平面之间角度的测量值。

对空间曲面的曲率半径的测量：从神经网络运动测量数据处理模块220中调用对应该测量需求的数学模型，机器人拖拉红宝石测头至该工件的待测四测量点采样各服电机的各参数，据此采样值调用拖拉示教模块250和调用的神经网络运动测量数据处理模块220进行数学处理，计算出该空间曲面的曲率半径值。

以上所述仅为本发明的典型实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种全新数控机器人多坐标测量系统，其特征在于，包括：

具有拖拉示教功能的6轴机器人；该机器人的末端装配一红宝石测量头；其中，所述红宝石测量头的受力端设置一压力传感器；其中，该机器人包含：机器人本体及其上的6个伺服驱动器；

程序控制系统，用于根据测量需求获得的红宝石测量头在不同采样点对应的机器人各伺服电机的状态数据，并据此及测量需求获得对应的测量数学模型，测量并计算出最终结果；

人机交互单元，用于控制机器人的动作以控制红宝石测量头的采样，以及控制程序控制系统选取所述测量需求。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述程序控制系统包括：控制系统主模块，与其逻辑连接的神经网络运动测量数据处理模块、红宝石测量头传感器信息处理模块、空间轨迹跟踪模块、拖拉示教模块、及手持盒人机交互测量控制模块；

所述控制系统主模块用于根据所执行的处理程序按照一定逻辑调用其它各个模块进行处理，以及接收、存储各个模块处理后的信息；

所述神经网络运动测量数据处理模块，对应不同的测量需求存储有不同的测量数学模型；

所述红宝石测量头传感器信息处理模块，用于根据红宝石测量头端部的压力传感器的触发脉冲信号识别红宝石测量头采样的开始及结束信号；

所述空间轨迹跟踪模块，用于在红宝石测量头采样过程中对所述机器人的各个伺服电机的角位移量进行采集；

所述拖拉示教模块，用于根据空间轨迹跟踪模块提供的数据累加计算出各伺服电机轴旋转的角位移量，以由控制系统主模块依据测量需求调用神经网络运动测量数据处理模块对应的测量数学模型，将各轴旋转角位移量处理转换为对应相关的测量结果；

所述手持盒测量控制模块，用于为用户操作手持盒控制机器人提供程序驱动。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括于机器人上，朝向红宝石测量头设置的摄像头；

所述程序控制系统还包括：与控制系统主模块逻辑连接的视觉识别模块，为所述摄像头提供程序驱动。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述程序控制系统还包括：与控制系统主模块逻辑连接的电机力矩控制模块，用于将红宝石测量头的压力传感器感应到的压电信号大小进行判断以对红宝石测量头进行过劲保护和碰撞保护。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述程序控制系统还包括：与控制系统主模块逻辑连接的滚动屏幕功能菜单显示模块，以实时显示功能菜单。

6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述机器人的另一端装配于与其配套的可旋转平台上，该可旋转平台具有一驱动该平台水平转动的伺服电机；

所述程序控制系统还包括：与控制系统主模块逻辑连接的大理石测量平台旋转驱动模块，为所述可旋转平台的伺服电机提供程序驱动。

7.一种基于权利要求1至6任一所述系统的测量方法，其特征在于，包括步骤：

A、通过人机交互单元从选择本次的测试需求；

B、根据所述测试需求调用对应该测试需求的测量数学模型；

C、控制机器人到各个被测量点，使得各个被测量点分别与红宝石测量头接触，红宝石测量头端部的压力传感器在各测量点触发产生脉冲信号；

D、依据各所述冲信号，分别采用各伺服电机的各轴旋转的角位移量数据；

E、依据所述各轴旋转的角位移量，累加计算出各伺服电机轴旋转的角位移量，并依据所述测量数学模型计算出对应的测量结果。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述测量数学模型、各个被测量点和测量结果包括以下其一：

对测量两点直线距离的测量需求的数学模型，待测两测量点为输入值，输出值为两点直线距离；

对测量两条线段之间角度的测量需求的数学模型，待测三测量点为输入值，输出值为两条线段之间角度；

对空间圆弧曲线的曲率半径及空间圆弧曲线所在平面法向的测量需求的数学模型，待测三测量点为输入值，输出值为空间圆弧曲线的曲率半径及空间圆弧曲线所在平面法向；

对两平面之间角度的测量需求的数学模型，两平面中的每一面上的三测量点为输入值，输出值为两平面之间角度；

对空间曲面的曲率半径的测量需求的数学模型，待测四测量点为输入值，输出值为空间曲面的曲率半径。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

实时检测红宝石测量头的压力传感器感应到的压电信号大小，达到阈值时停止机器人动作。