CN109807935B - 一种工业机器人臂应变检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种工业机器人臂应变检测装置及方法，机器人臂和驱动电机均安装在机器人本体上，机器人臂设定部位设有散斑，驱动电机控制机器人臂运动，应变检测装置包括：相机、驱动电机、相机滑道系统、支架及处理器；相机滑道系统包括：圆弧形齿条及与齿条啮合的齿轮；齿条以齿痕面朝上的方向固定在支架的顶端；驱动电机的输出轴与齿轮固定连接；相机与驱动电机固定连接，用于：采集机器人臂的散斑图像；处理器，用于：根据机器人臂的运动情况，控制驱动电机运动，使散斑始终位于相机成像幅面的中心。本申请的有益效果是：在不接触工业机器人的情况下测量出工业机器人臂的应变情况。

Description

一种工业机器人臂应变检测装置及方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种工业机器人臂应变检测装置及方法。

背景技术

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。由此工业机器技术涉及的学科相当广泛，归纳起来是机械学和微电子学的结合-机电一体化技术。

机器人各关节在运动时候微小的形变都能反映出工业机器人在运动时候应力变化情况。很多检测方法通过在工业机器人臂张贴应变片来解决此类问题，但是应变片的张贴会影响到工业机器人的正常运转。同样其他很多接触式的方法都是在影响到工业机器人正常运转下的测量。

发明内容

本发明的目的是针对以上问题，提供一种工业机器人臂应变检测装置及方法。

第一方面，本申请提供一种工业机器人臂应变检测装置，所述机器人臂上设有散斑，包括支架和固定在支架顶端的弧形板；所述弧形板的上表面由圆心向外依次设有内滑道、齿条和外滑道；

所述齿条上啮合连接有齿轮；所述齿轮的两端分别固定连接有驱动电机和相机固定座；所述驱动电机和相机固定座分别可滑动地卡接在所述内滑道和外滑道内；

机器人臂位于所述弧形板的圆心方向的一侧，所述散斑面向所述相机固定座；

所述相机固定座上安装有相机，配置用于采集所述机器人臂的图像；

所述支架上还安装有与所述相机和驱动电机信号连接的控制模块；

所述控制模块配置用于：接收所述相机的图像、确定所述散斑位于所述图像的实时位置信息、根据所述实时位置信息和图像的中心位置的差值确定调控参数、根据所述调控参数控制所述驱动电机运动，使得所述散斑落在图像的中心位置。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述机器人臂与所述支架之间的水平距离为所述机器人臂臂长至所述机器人臂臂长1.2倍范围内的任意值。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述弧形板的圆心角角度为180°至220°范围内的任意值。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述齿轮与所述相机固定座通过轴承相连接。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述内滑道、齿条和外滑道分别为三个同心圆上具有相同圆心角的弧形。

第二方面，本申请提供一种工业机器人臂应变检测方法，包括以下步骤：

接收所述相机采集的机器人臂的图像；

确定散斑在所述图像的实时位置信息；

确定所述实时位置信息与图像的中心位置的差值；

确定所述驱动电机的调控参数；

控制所述驱动电机按照所述调控参数进行运动。

获取所述散斑位于图像中心位置时的图像；

根据所述图像中心位置时的散斑图像，计算机器人臂的应变测试结果。

本发明的有益效果：机器人臂上设有散斑，通过在距离机器人臂一定距离的位置设置支架，并将弧形板设置在支架顶端，所述弧形板的上表面由圆心向外依次设有内滑道、齿条和外滑道；所述齿条上啮合连接有齿轮；所述齿轮的两端分别固定连接有驱动电机和相机固定座；所述驱动电机和相机固定座分别可滑动地卡接在所述内滑道和外滑道内。相机通过驱动电机可沿弧形滑道移动，实现对散斑的跟随与采集。将相机运动的滑道设置成圆弧形，实现相机能在空间范围内采集散斑的图像，而超越直线型滑道时的只能在一个平面内采集散斑图像的局限性。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述机器人臂与所述支架之间的水平距离为所述机器人臂臂长至所述机器人臂臂长1.2倍范围内的任意值，将支架与机器人臂之间的距离设置成机器人臂臂长至机器人臂臂长1.2倍范围内的数值，是为了保证机器人臂向支架方向伸长时，不至于使机器人臂打到支架或支架上的相机，保证了相机的稳定性。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述弧形板的圆心角角度为180°至220°范围内的任意值。将弧形板的圆心角设置在此范围内的数值，是为了使得相机能够在大于180°的空间范围内采集散斑的图像。

附图说明

图1为本申请第一种实施例的结构示意图；

图2为本申请第一种实施例中相机、相机滑道系统及支架配合的结构示意图；

图3为本申请第二种实施例的流程原理示意图；

图中所述文字标注表示为：110、机器人臂；210、相机固定座；211、相机；220、驱动电机；231、内滑道；232、齿条；233、外滑道；240、支架；250、齿轮。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

如图1所示，为本申请第一种实施例的结构示意图，所述机器人臂110上设有散斑，在本实施例中，在机器人臂110的设定部位先均匀涂抹一层白色颜料，在白色颜料的表面均匀点涂黑色颜料即可形成均匀图样的散斑。在本实施例中，机器人臂110按照设定程序进行运动，机器人臂110设定部位会随着运动角度、运动时间及机器人臂负载情况而发生应力变化，通过采集设定部位的散斑图像，可以有效对比机器人臂110设定部位运动前后的应力变化情况。

本实施例包括：支架240和固定在支架顶端的弧形板；所述弧形板的上表面分别设置三道滑道，由弧形板的圆心向外方向依次设为内滑道231、齿条232和外滑道233。在本实施例中，内滑道231、齿条232和外滑道233是同心弧形结构，也即内滑道231、齿条232和外滑道233具有相同的圆心角。

在一优选实施例，所述支架240与机器人臂110之间的水平距离为所述机器人臂110臂长至所述机器人臂110臂长1.2倍范围内的任意值。在本实施例中，机器人具有一个机器人臂，在其他实施例中，机器人还可以具有多个机器人臂。当机器人具有多个机器人臂时，支架240距离机器人臂的水平距离最小为所有机器人臂臂长的总和，最大为所有机器人臂臂长总和的1.2倍。设置此范围的支架240与机器人臂110之间的水平距离，是为了保证机器人臂110在运动过程中有足够的运动空间，不至于与支架240及支架240上的其他装置。

所述齿条232上啮合连接有齿轮250，齿轮250通过与齿条232啮合而实现在齿条232上运动。

所述齿轮250的两端分别固定连接有驱动电机220和相机固定座210；所述驱动电机220和相机固定座210分别可滑动地卡接在所述内滑道231和外滑道233内。

在本实施例中，所述驱动电机220的输出轴与所述齿轮250的一端固定连接，驱动电机220工作过程中其输出轴会按照设定频率转动，由于输出轴与齿轮250固定连接，带动齿轮250不断转动，转动的齿轮250会在啮合的齿条232上移动，齿轮250在齿条232上移动的同时会带动与齿轮250固定连接的驱动电机220在其所在的内滑道231内移动。由于驱动电机220所在的内滑道231与齿轮250所在的齿条232为两个同心圆上具有相同圆心角的弧形，所以驱动电机220与齿轮250在相同时间内具有相同的角位移。将驱动电机220设置在内滑道231上是为了保证驱动电机220在移动过程中具有较好地稳定性与平衡性。

相机固定座210与齿轮250的另一端固定连接，在一优选实施例中，相机固定座210与齿轮250通过轴承进行连接。

由于齿轮250在齿条232上移动进而带动与与齿轮250连接的相机固定座210在其卡接的外滑道233上运动。由于相机固定座210所在的外滑道233与齿轮250所在的齿条232为两个同心圆上具有相同圆心角的弧形，所以相机固定座210与齿轮250在相同时间内具有相同的角位移。将相机固定座210设置在外滑道233上是为了保证相机固定座210在移动过程中具有较好地稳定性与平衡性。

机器人臂110位于所述弧形板的圆心方向的一侧，初始设置位置时，所述散斑面向所述相机固定座210。

在本实施例中，所述相机固定座210上安装有相机211，配置用于采集所述机器人臂110的图像。

将相机固定座210的运动轨道设计为在圆弧形的外滑道233上运动，相较于直线的滑道具有更大的拍摄范围与拍摄角度，相机固定座210内的相机211的拍摄范围由平面扩展为空间，能够有效防止由于机器人臂110运动而散斑无法被拍摄的情形发生。

在一优选实施例，所述弧形板的圆心角角度为180°至220°范围内的任意值，也即相机固定座210所在的外滑道233的圆心角也是在180°至220°范围内的任意值。将齿条232的弧长为以机器人臂臂长或臂长的1.2倍为半径，以机器人本体中心为中心的圆心上，圆心角为180°至220°范围内的一段弧线。在此角度内可以使得位于外滑道233上的相机固定座210能够在空间内跟随机器人臂110的运动。

所述支架240上还安装有与所述相机211和驱动电机220信号连接的控制模块。

所述控制模块配置用于：接收所述相机211的图像、确定所述散斑位于所述图像的实时位置信息、根据所述实时位置信息和图像的中心位置的差值确定调控参数、根据所述调控参数控制所述驱动电机220运动，使得所述散斑落在图像的中心位置。

在本实施例中，本申请检测装置在初始布置阶段，将机器人臂110的散斑正对相机成像幅面的中心位置，接下来机器人臂110在运动过程中，相机211应采集散斑位于成像幅面中心时的图像，因而需要随着机器人臂110的运动不断调整相机211的位置，使得散斑图像能够显示在相机成像幅面的中心。在本实施例中，相机211通过驱动电机220驱动其在外滑道233上移动。

在本实施例中，在机器人臂110不断运动的过程中，如果相机211不动，一方面当机器人臂110运动到一定范围时，相机211采集不到散斑图像；另一方面，当机器人臂110运动到偏离相机211较远位置时，相机211采集的散斑图像位于成像幅面的边缘位置，成像幅面边缘位置的图像相较于中心位置的图像会存在较大畸变，采集的散斑图像不准确真实，对接下来进一步地，散斑应变计算会存在较大偏差，因此将相机211设计为可随机器人臂110的运动而运动的结构，能够有效保证相机211对机器人臂110散斑的跟随，进而使得相机211拍摄到的散斑图像能够始终位于成像幅面的中心位置。

在控制模块控制驱动电机220运动之前，需要先对相机211进行外参标定，外参标定过程得到的调控参数表示，散斑图像从成像幅面边缘位置移到中心位置时的驱动电机220需要移动的步数，也就是说，最终得到的是：散斑图像在成像幅面的水平方向位移对应驱动电机220的步数的关系。在本实施例中，相机211的采集频率为30ms，机器人臂110在30ms内运动水平位移一般不会超过相机211的视野采集范围，因此在相机211的可移动范围内默认都是可以采集到机器人臂110的散斑图像的。

当相机211的成像幅面中采集的散斑图像位于成像幅面边缘位置时，通过外参标定确定的调控参数就可计算出驱动电机220需要向哪个方向移动多少步可以使得边缘位置的散斑图像移动为成像幅面的中心位置。由于外参标定过程为图像处理行业常规技术，这里不再赘述。

控制模块根据相机211发送的散斑图像信息，计算机器人臂110设定部位的应变测试结果。在本实施例中，控制模块通过设定软件可以实现对图像的分析、计算及应变结果的存储，并将结果以数据、图表及云图形式表示出来。

如图3所示，为本申请第二种实施例的流程原理示意图，包括以下步骤：

S10、接收所述相机采集的机器人臂的图像。相机以设定的频率采集视野范围内的图像，并将图像信息发送到控制模块。

S20、确定散斑在所述图像的实时位置信息。在图像信息中只提取散斑的图像信息，并且确定散斑在相机成像幅面中的位置。在本步骤中，散斑在图像中的实时位置即为散斑在相机成像幅面中的位置。

S30、确定所述实时位置信息与图像的中心位置的差值。在本步骤中，图像的中心位置即为相机成像幅面的中心位置。

S40、确定所述驱动电机的调控参数。在本步骤计算驱动电机的调控参数之前，需要先对相机进行外参标定，散斑图像在相机成像幅面中的水平位移与驱动电机工作方向及步数的对应关系即为调控参数。由于散斑图像位于成像幅面的中心位置时的图像才为真实有效图像，所以随着机器人臂的运动，控制相机的运动，使得机器人臂散斑的图像始终位于成像幅面的中心位置。

S50、控制所述驱动电机按照所述调控参数进行运动。

S60、获取所述散斑位于图像中心位置时的图像。在S50步骤中，驱动电机带动相机运动到调控参数所规定的位置，在该位置时相机所采集的散斑图像位于相机成像幅面的中心位置，位于相机成像幅面中心位置的散斑图像为散斑真实状态下的图像。

S70、根据所述图像中心位置时的散斑图像，计算机器人臂的应变测试结果。在一优选实施例中，通过DIC3D系统的处理软件，计算出机器人臂的应变测试结果。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种工业机器人臂应变检测方法，其特征在于，包括：工业机器人臂应变检测装置，所述机器人臂上设有散斑，包括支架和固定在支架顶端的弧形板；所述弧形板的上表面由圆心向外依次设有内滑道、齿条和外滑道；

所述齿条上啮合连接有齿轮；所述齿轮的两端分别固定连接有驱动电机和相机固定座；所述驱动电机和相机固定座分别可滑动地卡接在所述内滑道和外滑道内；

机器人臂位于所述弧形板的圆心方向的一侧，所述散斑面向所述相机固定座；

所述相机固定座上安装有相机，配置用于采集所述机器人臂的图像；

所述支架上还安装有与所述相机和驱动电机信号连接的控制模块；

所述控制模块配置用于：接收所述相机的图像、确定所述散斑位于所述图像的实时位置信息、根据所述实时位置信息和图像的中心位置的差值确定调控参数、根据所述调控参数控制所述驱动电机运动，使得所述散斑落在图像的中心位置；所述检测方法包括以下步骤：

接收所述相机采集的机器人臂的图像；

确定散斑在所述图像的实时位置信息；

确定所述实时位置信息与图像的中心位置的差值；

确定所述驱动电机的调控参数；

控制所述驱动电机按照所述调控参数进行运动；

获取所述散斑位于图像中心位置时的图像；

根据所述图像中心位置时的散斑图像，计算机器人臂的应变测试结果。

2.根据权利要求1所述的工业机器人臂应变检测方法，其特征在于，所述机器人臂与所述支架之间的水平距离为所述机器人臂臂长至所述机器人臂臂长1.2倍范围内的任意值。

3.根据权利要求1所述的工业机器人臂应变检测方法，其特征在于，所述弧形板的圆心角角度为180°至220°范围内的任意值。

4.根据权利要求1所述的工业机器人臂应变检测方法，其特征在于，所述齿轮与所述相机固定座通过轴承相连接。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的工业机器人臂应变检测方法，其特征在于，所述内滑道、齿条和外滑道分别为三个同心圆上具有相同圆心角的弧形。