CN109129492A - 一种动态捕捉的工业机器人平台 - Google Patents

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    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1656—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators
    • B25J9/1671—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators characterised by simulation, either to verify existing program or to create and verify new program, CAD/CAM oriented, graphic oriented programming systems

Abstract

一种动态捕捉的工业机器人平台，包括工业机器人控制系统、传感器系统、操控系统、网络集成控制系统、视觉跟踪系统以及执行机构，传感器系统与工业机器人控制系统连接，工业机器人控制系统包括示教器、运动控制器，操控系统包括工控机，视觉跟踪系统包括RGB摄像机、激光扫描仪、跟踪摄像机，射频收发射装置，传感器系统包括多个六轴传感器、光学传感器、运动传感器、霍尔电流传感器，执行机构包括机械部分和电力部分，红外摄像机、六轴传感器与红外光源、数据采集器、多路同步控制器、L形靶标、十字靶标、球形靶标及标定装置组成工业机器人末端执行器的动态捕捉系统，实现对工业机器人动作精度的测量。

Description

一种动态捕捉的工业机器人平台
技术领域
本发明属于工业机器人领域，特别涉及一种动态捕捉的工业机器人平台。
背景技术
随着当前工业自动化水平越来越高,在各行各业占有越来越重要的地位,它们能够娴熟、精准地执行多种复杂任务,这些任务由于环境或者其他因素的限制可能是人根本无法完成的。工业机器人的应用场景主要有汽车零部件制造和装配、机械自动化制造、有毒化工产品生产、标准流水线作业、高危环境设备安装、核辐射场地作业、极限环境作业等。
但是现有技术中缺少对工业机器人的动作进行捕捉校准的系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何对工业机器人进行捕捉校准，对此本发明提供一种动态捕捉的工业机器人平台，
本发明的技术方案为：一种动态捕捉的工业机器人平台，包括工业机器人控制系统、传感器系统、操控系统、网络集成控制系统、视觉跟踪系统以及执行机构，传感器系统与工业机器人控制系统连接，
操控系统通过网络集成控制系统接收传感器系统和视觉跟踪系统的数据并向工业机器人控制系统发送控制指令，工业机器人控制系统控制执行机构，传感器系统安装在执行机构上，实时监控执行机构的位姿状态，传感器系统、视觉跟踪系统还与工业机器人控制系统连接用于实时反馈执行机构的工作状态以及监控周围环境，
其中，工业机器人控制系统包括示教器、运动控制器，
其中，操控系统包括工控机，
其中，视觉跟踪系统包括RGB摄像机、激光扫描仪、跟踪摄像机，射频收发射装置，
其中，传感器系统包括多个六轴传感器、光学传感器、运动传感器、霍尔电流传感器，
其中，执行机构包括机械部分和电力部分，
网络集成控制系统搜索局域网内存在的工业机器人并连接到相应的运动控制器，运行运动传感器并清零六轴传感器，运动传感器采集执行机构的末端执行器位姿信息来引导工业机器人的运动，并实时显示在示教器的屏幕上。
工业机器人通信分为两级：第一级通信是操控系统与工业机器人控制系统的通信，采用串行通信技术或者网络通讯技术；第二级通信是工业机器人控制系统与传感器系统、视觉跟踪系统之间的通信，采用工业现场总线通信技术。
其中，红外摄像机、六轴传感器与红外光源、数据采集器、多路同步控制器、L形靶标、十字靶标、球形靶标及标定装置组成工业机器人末端执行器的动态捕捉系统，实现对工业机器人动作精度的测量。
四个红外摄像机固定在平台上，六轴传感器安装在工业机器人末端执行器，红外摄像机均布在测量空间上方，末端执行器的特征点被红外摄像机捕捉，测量无盲点；六轴传感器作为系统终端测量设备，实时获取工业机器人末端空间姿态，工业机器人末端固定球形靶标，建立加工系统与测量系统间关联，从而构建在视觉坐标系下工业机器人内外参数误差模型，十字靶标实现视觉空间自标定，L形靶标辅助建立视觉坐标系。
本发明的有益效果：
(1)通过动态捕捉系统对机器人动作进行捕捉实现对工业机器人动作精度的测量和校准；
(2)使用光耦隔离电路极大提高了硬件的可靠性；
(3)使用二级通信,实现了对工业机器人的灵活控制；
(4)执行机构使用平行四边形，增加了整个结构刚度,增加系统稳定性；
(5)使用三点定位法，有效的减少了外部环境对定位精度的影响，并且运算量很少，非常适合实时定位工件；
附图说明
图1为本发明的工业机器人系统框图；
图2为本发明的执行机构的机械结构图；
图3为本发明的动态捕捉系统数据的处理流程图；
图4为本发明的三点定位原理图；
图5为本发明的三点定位流程图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
一种动态捕捉的工业机器人平台，包括工业机器人控制系统、传感器系统、操控系统、网络集成控制系统、视觉跟踪系统以及执行机构，传感器系统与工业机器人控制系统连接，
操控系统通过网络集成控制系统接收传感器系统和视觉跟踪系统的数据并向工业机器人控制系统发送控制指令，工业机器人控制系统控制执行机构，传感器系统安装在执行机构上，实时监控执行机构的位姿状态，传感器系统、视觉跟踪系统还与工业机器人控制系统连接用于实时反馈执行机构的工作状态以及监控周围环境，
其中，工业机器人控制系统包括示教器、运动控制器，
其中，操控系统包括工控机，
其中，视觉跟踪系统包括RGB摄像机、激光扫描仪、跟踪摄像机，射频收发射装置，
其中，传感器系统包括多个六轴传感器、光学传感器、运动传感器、霍尔电流传感器，
其中，执行机构包括机械部分和电力部分，
网络集成控制系统搜索局域网内存在的工业机器人并连接到相应的运动控制器，运行运动传感器并清零六轴传感器，运动传感器采集执行机构的末端执行器位姿信息来引导工业机器人的运动，并实时显示在示教器的屏幕上。
工业机器人通信分为两级：第一级通信是操控系统与工业机器人控制系统的通信，采用串行通信技术或者网络通讯技术；第二级通信是工业机器人控制系统与传感器系统、视觉跟踪系统之间的通信，采用工业现场总线通信技术。
其中，机械部分包括底座、连接件、大臂、小臂、腕部、末端执行器以及旋转关节，旋转关节分别位于底座与连接件之间、连接件与大臂之间、大臂与小臂之间以及腕部与末端执行器之间，底座是承重基础部件，固定在地面或支架上，连接件是大臂的支撑部件，实现机器人的回转功能，连接件在底座上进行旋转，大臂是小臂的支撑部件，大臂的摆动改变末端执行器在水平方向上的行程，小臂的俯仰实现末端执行器在垂直方向上的位置变换，腕部的末端执行器旋转关节调整承载目标的旋转角度和位置。
底座的关节座与轴线垂直于地面的旋转关节联接，关节座安装在底座上，为大臂提供支撑，其上安装有大臂、小臂和保持腕部水平的连杆，大臂、小臂与连杆相互构成平行四边形，增加了整个臂部的刚度，通过串联平行四边形机构的叠加效应,满足腕部的易控性，腕部是法兰盘，根据用户的不同需要，在法兰盘上联接真空吸盘。
该结构增加整个臂部的刚度，平行四边形的相互作用,增加了整个机器人传动系统的刚度,减小了启动与急停情况下造成的机器人颤动，行程放大，减小系统惯量，节约成本，同时增加了系统的稳定性，搬运机器人利用“平行四边形”原理简化了机器人位姿的控制,降低了过程控制的难度,可以缩短机器人的工作周期和研发设计成本。
其中，电力部分包括编码器、解码电路、光耦隔离电路、永磁同步伺服电机(PMSM)、减速器以及智能功率控制模块(IPM)，霍尔电流传感器采集永磁同步伺服电机的U相和V相电流，反馈给运动控制器，编码器通过解码电路实时向运动控制器反馈永磁同步伺服电机实际位置，运动控制器通过串行总线接收目标位置信息，目标位置、实际位置和实际电流在运动控制器内做单轴逻辑控制，通过矢量控制的时序调度输出脉宽调制通过光耦隔离电路提供给智能功率控制模块并转换为功率控制信号，光耦隔离电路实现控制部分电路和功率部分电路完全隔离，极大提高了硬件的可靠性，智能功率控制模块驱动永磁同步伺服电机运转，永磁同步伺服电机输出轴与减速器，减速器与机械部分的旋转关节连接，减速器受运动控制器的控制，实现动作的精细化调整。
其中，红外摄像机、六轴传感器与红外光源、数据采集器、多路同步控制器、L形靶标、十字靶标、球形靶标及标定装置组成工业机器人末端执行器的动态捕捉系统，实现对工业机器人动作精度的测量。
四个红外摄像机固定在平台上，六轴传感器安装在工业机器人末端执行器，红外摄像机均布在测量空间上方，末端执行器的特征点被红外摄像机捕捉，测量无盲点；六轴传感器作为系统终端测量设备，实时获取工业机器人末端空间姿态，工业机器人末端固定球形靶标，建立加工系统与测量系统间关联，从而构建在视觉坐标系下工业机器人内外参数误差模型，十字靶标实现视觉空间自标定，L形靶标辅助建立视觉坐标系，动态捕捉系统数据的处理可分为4个主要步骤：
步骤1，利用十字靶标完成自标定，增强红外摄像机的视觉空间与工作空间的匹配性，提高测量系统的精度；
步骤2，利用L形靶标建立视觉坐标系，完成测量系统自身坐标系的构建；
步骤3，将球形靶标固定在工业机器人末端，红外摄像机通过角度交汇捕捉解算出球形靶标空间坐标，根据末端执行器的位置与球形靶标的几何关系，解算末端坐标系，根据工业机器人本体坐标系与各关节坐标系的转换矩阵，得到测量坐标系与工业机器人本体坐标系的转换关系，实现量坐标系与工业机器人本体坐标系的坐标系统一；
步骤4，六轴传感器安装在末端执行器的定位支架，获得末端执行器相对地球坐标系的姿态，红外摄像机和六轴传感器的数据分别通过高速以太网口和串口通讯传入工控机，通过冗余数据处理模块，获得工业机器人当前实时补偿量，生成运动指令控制工业机器人调整运行轨迹；
其中，球形靶标是由5个高精度反射靶球组成的立体星型结构，表面喷涂高红外反射率涂层，球形标记自身具有旋转不变性，不受红外摄像机光轴和标记点平面法矢量夹角的限制，任何角度下红外摄像机捕捉到的均是完整的圆形特征，在表面喷涂高红外反射率涂层，红外摄像机前端同轴配置红外LED环形灯，红外摄像机对红外反射涂层的敏感性，红外摄像机在较少遮挡的情况下实现靶球图像有效信息的获取，有利于特征边缘和特征点正确提取，避免了红外摄像机在相似情况下无法有效提取目标的几何特征。
利用射频手法装置对带有FR标签的工件中心进行定位，将3个射频收发装置设置在底座的三个角上，工件安装有FRI D标签，利用三点定位法，获取工件的位置，从而使执行机构顺利抓取工件，
射频收发装置包括射频发射装置和射频接收装置，射频发射装置包括发射天线、射频产生模块、微处理器、存储器和电池，3个射频发射装置构成网络，存储器存储射频发射装置的身份识别数据，微处理器将身份识别数据调制到由射频产生模块产生的频率为正弦波的载波信号中，产生调制信号并通过发射天线发射出去；
射频接收装置包括接收天线、射频信号处理装置，通过接收天线接收来自射频发射装置发射的调制信号，射频信号处理装置解调调制信号获取射频发射装置的身份数据，并获取信号幅值；
工控机接收来自射频接收装置提供的身份数据和信号幅值，根据身份数据和信号幅值使用三点定位法计算出工件的位置；
三点定位法具体包括如下步骤：
步骤1，对接收的信号幅值进行排序，获取对应的射频发射装置身份,各个射频发射装置的位置按照由强到弱的顺序依次为O1(x1,y1)、O2(x2,y2)、O3(x3,y3)；
步骤2，各个射频发射装置距离工件T(xT,yT)的距离r1、r2、r3可以根据以下关系式计算得出，
其中，S(r0)表示半径r的射频接收装置接收强度，S(r)表示在射频发射装置和射频接收装置的距离r0上的射频接收装置接收强度，n表示路径损耗系数；
步骤3，建立方程组，
解出上述方程组，得到两组解T1(xT,yT)和T2(xT,yT)；
步骤,4，确定最小线段的坐标点，建立方程组，
解出上述方程组，得到两组解T3(xT,yT)和T4(xT,yT)；
解出上述方程组，得到两组解T5(xT,yT)和T6(xT,yT)；
分别计算线段T3T5、T3T6、T4T5、T4T6的长度，取其中的最小值线段所对应的两个点T3、4min(xT,yT)和T5、6min(xT,yT)；
步骤5，将两个点T3、4min(xT,yT)和T5、6min(xT,yT)分别与T1(xT,yT)和T2(xT,yT)进行长度计算，得到T1T3、4min，T2T3、4min，T1T5、6min，T2T5、6min，比较T1T3、4min+T1T5、6min与T2T3、4min+T2T5、6min之间的大小，取最小值对应的到解T1(xT,yT)或T2(xT,yT)，为工件的真正位置。
在使用射频定位中，环境的变化是难以预知，很难准确设定损耗系数，而损耗系数与路径成指数影响，在距离越大，损耗系数的影响越大，因此尽可能使用少量的距离目标设备近的射频发射器能够减少损耗系数的影响，提高定位精度。
以上所述实施方式仅表达了本发明的一种实施方式，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出，对于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。

Claims (10)

1.一种动态捕捉的工业机器人平台，包括工业机器人控制系统、传感器系统、操控系统、网络集成控制系统、视觉跟踪系统以及执行机构，传感器系统与工业机器人控制系统连接，
其中，工业机器人控制系统包括示教器、运动控制器，
其中，操控系统包括工控机，
其中，视觉跟踪系统包括RGB摄像机、激光扫描仪、跟踪摄像机，射频收发射装置，
其中，传感器系统包括多个六轴传感器、光学传感器、运动传感器、霍尔电流传感器，
其中，执行机构包括机械部分和电力部分，
其中，红外摄像机、六轴传感器与红外光源、数据采集器、多路同步控制器、L形靶标、十字靶标、球形靶标及标定装置组成工业机器人末端执行器的动态捕捉系统，实现对工业机器人动作精度的测量。
2.根据权利要求1所述的一种动态捕捉的工业机器人平台，其特征在于：
四个红外摄像机固定在平台上，六轴传感器安装在工业机器人末端执行器，红外摄像机均布在测量空间上方，末端执行器的特征点被红外摄像机捕捉，测量无盲点；六轴传感器作为系统终端测量设备，实时获取工业机器人末端空间姿态，工业机器人末端固定球形靶标，建立加工系统与测量系统间关联，从而构建在视觉坐标系下工业机器人内外参数误差模型，十字靶标实现视觉空间自标定，L形靶标辅助建立视觉坐标系。
3.根据权利要求2所述的一种动态捕捉的工业机器人平台，其特征在于动态捕捉系统数据的处理可分为4个主要步骤：
步骤1，利用十字靶标完成自标定，增强红外摄像机的视觉空间与工作空间的匹配性，提高测量系统的精度；
步骤2，利用L形靶标建立视觉坐标系，完成测量系统自身坐标系的构建；
步骤3，将球形靶标固定在工业机器人末端，红外摄像机通过角度交汇捕捉解算出球形靶标空间坐标，根据末端执行器的位置与球形靶标的几何关系，解算末端坐标系，根据工业机器人本体坐标系与各关节坐标系的转换矩阵，得到测量坐标系与工业机器人本体坐标系的转换关系，实现量坐标系与工业机器人本体坐标系的坐标系统一；
步骤4，六轴传感器安装在末端执行器的定位支架，获得末端执行器相对地球坐标系的姿态，红外摄像机和六轴传感器的数据分别通过高速以太网口和串口通讯传入工控机，通过冗余数据处理模块，获得工业机器人当前实时补偿量，生成运动指令控制工业机器人调整运行轨迹。
4.根据权利要求3所述的一种动态捕捉的工业机器人平台，其特征在于：球形靶标是由5个高精度反射靶球组成的立体星型结构，表面喷涂高红外反射率涂层，球形标记自身具有旋转不变性，不受红外摄像机光轴和标记点平面法矢量夹角的限制，任何角度下红外摄像机捕捉到的均是完整的圆形特征，在表面喷涂高红外反射率涂层，红外摄像机前端同轴配置红外LED环形灯，红外摄像机对红外反射涂层的敏感性，红外摄像机在较少遮挡的情况下实现靶球图像有效信息的获取，有利于特征边缘和特征点正确提取，避免了红外摄像机在相似情况下无法有效提取目标的几何特征。
5.根据权利要求1所述的一种动态捕捉的工业机器人平台，其特征在于：
利用射频手法装置对带有FR标签的工件中心进行定位，将3个射频收发装置设置在底座的三个角上，工件安装有FRID标签，利用三点定位法，获取工件的位置，从而使执行机构顺利抓取工件，
射频收发装置包括射频发射装置和射频接收装置，射频发射装置包括发射天线、射频产生模块、微处理器、存储器和电池，3个射频发射装置构成网络，存储器存储射频发射装置的身份识别数据，微处理器将身份识别数据调制到由射频产生模块产生的频率为正弦波的载波信号中，产生调制信号并通过发射天线发射出去；
射频接收装置包括接收天线、射频信号处理装置，通过接收天线接收来自射频发射装置发射的调制信号，射频信号处理装置解调调制信号获取射频发射装置的身份数据，并获取信号幅值；
工控机接收来自射频接收装置提供的身份数据和信号幅值，根据身份数据和信号幅值使用三点定位法计算出工件的位置。
6.根据权利要求5所述的一种动态捕捉的工业机器人平台，其特征在于：
三点定位法具体包括如下步骤：
步骤1，对接收的信号幅值进行排序，获取对应的射频发射装置身份,各个射频发射装置的位置按照由强到弱的顺序依次为O1(x1,y1)、O2(x2,y2)、O3(x3,y3)；
步骤2，各个射频发射装置距离工件T(xT,yT)的距离r1、r2、r3可以根据以下关系式计算得出，
其中，S(r0)表示半径r的射频接收装置接收强度，S(r)表示在射频发射装置和射频接收装置的距离r0上的射频接收装置接收强度，n表示路径损耗系数；
步骤3，建立方程组，
解出上述方程组，得到两组解T1(xT,yT)和T2(xT,yT)；
步骤,4，确定最小线段的坐标点，建立方程组，
解出上述方程组，得到两组解T3(xT,yT)和T4(xT,yT)；
解出上述方程组，得到两组解T5(xT,yT)和T6(xT,yT)；
分别计算线段T3T5、T3T6、T4T5、T4T6的长度，取其中的最小值线段所对应的两个点T3、4min(xT,yT)和T5、6min(xT,yT)；
步骤5，将两个点T3、4min(xT,yT)和T5、6min(xT,yT)分别与T1(xT,yT)和T2(xT,yT)进行长度计算，得到T1T3、4min，T2T3、4min，T1T5、6min，T2T5、6min，比较T1T3、4min+T1T5、6min与T2T3、4min+T2T5、6min之间的大小，取最小值对应的到解T1(xT,yT)或T2(xT,yT)，为工件的真正位置。
7.根据权利要求1所述的一种动态捕捉的工业机器人平台，其特征在于：机械部分包括底座、连接件、大臂、小臂、腕部、末端执行器以及旋转关节，旋转关节分别位于底座与连接件之间、连接件与大臂之间、大臂与小臂之间以及腕部与末端执行器之间，底座是承重基础部件，固定在地面或支架上，连接件是大臂的支撑部件，实现机器人的回转功能，连接件在底座上进行旋转，大臂是小臂的支撑部件，大臂的摆动改变末端执行器在水平方向上的行程，小臂的俯仰实现末端执行器在垂直方向上的位置变换，腕部的末端执行器旋转关节调整承载目标的旋转角度和位置。
底座的关节座与轴线垂直于地面的旋转关节联接，关节座安装在底座上，为大臂提供支撑，其上安装有大臂、小臂和保持腕部水平的连杆，大臂、小臂与连杆相互构成平行四边形，增加了整个臂部的刚度，通过串联平行四边形机构的叠加效应,满足腕部的易控性，腕部是法兰盘，根据用户的不同需要，在法兰盘上联接真空吸盘。
8.根据权利要求1所述的一种动态捕捉的工业机器人平台，其特征在于：电力部分包括编码器、解码电路、光耦隔离电路、永磁同步伺服电机、减速器以及智能功率控制模块，霍尔电流传感器采集永磁同步伺服电机的U相和V相电流，反馈给运动控制器，编码器通过解码电路实时向运动控制器反馈永磁同步伺服电机实际位置，运动控制器通过串行总线接收目标位置信息，目标位置、实际位置和实际电流在运动控制器内做单轴逻辑控制，通过矢量控制的时序调度输出脉宽调制通过光耦隔离电路提供给智能功率控制模块并转换为功率控制信号。
9.根据权利要求1所述的一种动态捕捉的工业机器人平台，其特征在于：操控系统通过网络集成控制系统接收传感器系统和视觉跟踪系统的数据并向工业机器人控制系统发送控制指令，工业机器人控制系统控制执行机构，传感器系统安装在执行机构上，实时监控执行机构的位姿状态，传感器系统、视觉跟踪系统还与工业机器人控制系统连接用于实时反馈执行机构的工作状态以及监控周围环境。
10.根据权利要求1所述的一种动态捕捉的工业机器人平台，其特征在于：
网络集成控制系统搜索局域网内存在的工业机器人并连接到相应的运动控制器，运行运动传感器并清零六轴传感器，运动传感器采集执行机构的末端执行器位姿信息来引导工业机器人的运动，并实时显示在示教器的屏幕上；
工业机器人通信分为两级：第一级通信是操控系统与工业机器人控制系统的通信，采用串行通信技术或者网络通讯技术；第二级通信是工业机器人控制系统与传感器系统、视觉跟踪系统之间的通信，采用工业现场总线通信技术。
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