CN110207619A - 基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量系统及方法，包括激光测量头(1)、协作机械臂(2)、双目跟踪头(3)、第一全方位移动平台(4)、可升降旋转支撑杆(5)、第二全方位移动平台(6)、多角度定位杆(7)、大型运载AGV(9)、系统控制工作站(10)，通过两个全方位移动平台搭载激光测量头(1)和双目跟踪头(3)测量并利用协作机械臂(2)、可升降旋转支撑杆(5)协同控制，同时利用新的定位杆设置方式完成大尺寸异形结构被测物的全外形测量。

Description

基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量系统及方法

技术领域

本发明涉及基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量系统及方法，属于测量系统领域。

背景技术

测量机器人作为工业机器人应用的一个重要分支，它的研究贯穿了光学测量学、机械学、机械力学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域，已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。目前，测量机器人已经广泛地应用到逆向工程、文物扫描、精密配套装配等方面，这不仅促进了测量学的发展，也带动了相关领域的新技术和新理论的发展。

复合型机器人是一种集成移动机器人和通用工业机器人两项功能为一身的新型机器人。这种复合机器人不但集成了AGV、机械臂等工作单元，可使机器人工作有条不紊，配合默契，已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。目前，复合机器人已广泛的应用于搬运、上下料，实现物料的智能分拣，在现有技术中，多为利用被测物上定位点测量，由于机械臂工作空间有限，这种测量方式难以应对大尺寸被测物的测量；其次，需要在被测物上进行定位点贴附，测量效率低，无法针对大尺寸异形结构被测物进行测量。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，现有测量系统无法针对大尺寸异形结构被测物进行测量的问题，提出了基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量系统及方法。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量系统，包括激光测量头、协作机械臂、双目跟踪头、第一全方位移动平台、可升降旋转支撑杆、第二全方位移动平台、多角度定位杆、大型运载AGV，被测物固定安装于大型运载AGV 上，用于对被测物进行激光扫描的激光测量头及对被测物进行动态跟踪的双目跟踪头分别安装于协作机械臂端头、可升降旋转支撑杆端头上，其中所述协作机械臂、可升降旋转支撑杆分别安装于可绕被测物进行移动的第一全方位移动平台、第二全方位移动平台上，所述多角度定位杆均安装于被测物两侧对被测物进行定位。

还包括系统控制工作站，所述系统控制工作站根据用户需求控制第一全方位移动平台、第二全方位移动平台绕被测物进行移动，并控制协作机械臂姿态及可升降旋转支撑杆升降高度，通过激光测量头、双目跟踪头进行激光扫描及动态追踪。

所述第一全方位移动平台根据系统控制工作站的控制指令移动至待测区域，调整协作机械臂姿态并通过激光测量头对被测物进行激光扫描，获取被测物激光扫描数据及激光距离，所述第二全方位移动平台根据系统控制工作站的控制指令移动至所述待测区域后方特定距离处，调整升降旋转支撑杆高度并通过双目跟踪头进行动态追踪，获取动态追踪扫描数据及激光测量头位置信息。

所述第二全方位移动平台移动的特定距离为1.8m-3.8m。

所述多角度定位杆上设置有定位点，被测物上不贴附定位点，在动态追踪过程中，所述双目跟踪头的扫描视野包含激光测量头的扫描视野，且双目跟踪头的扫描视野范围内还需包括至少20个定位点。

所述多角度定位杆包括螺纹杆、六角螺母、顶丝、定位点，所述六角螺母均套装于螺纹杆上，每个六角螺母套装角度均相差20-35度，且每个六角螺母朝向被测物一面均打孔并安装顶丝，背对被测物三面贴附定位点，被测物上不贴附定位点。

所述双目跟踪头与协作机械臂端头连接处安装有六维力传感器，对测量过程中机械臂受力进行测量，当机械臂受力超过碰撞限定阈值时，第一全方位移动平台停止移动并停止测量。

所述碰撞限定阈值范围为2N-15N。

所述第一全方位移动平台、第二全方位移动平台通过WIFI进行通信。

所述第一全方位移动平台、第二全方位移动平台采用二维码导航，激光避障实现记录位姿之间的移动。

所述第一全方位移动平台、第二全方位移动平台分别由两套独立的嵌入式系统通过CAN bus进行控制，所述系统控制工作站发送执行指令至两套嵌入式系统，所述嵌入式系统分别向对应的第一全方位移动平台或第二全方位移动平台发送移动指令，第一全方位移动平台或第二全方位移动平台移动至指定位置后将实际位置信息回传至嵌入式系统，嵌入式系统将实际位置信息返送至系统控制工作站。

所述激光测量头、双目跟踪头工作模式均包括示教模式及自动测量模式，在同次测量过程中，激光测量头、双目跟踪头工作模式相同。

所述示教模式为：通过手工拖动方式带动协作机械臂，利用协作机械臂自带的示教器记录测量过程中的协作机械臂姿态及拖动力大小，同时记录协作机械臂的测量轨迹，将所得测量数据发送至系统控制工作站，系统控制工作站将第一全方位移动平台的移动路径及示教器记录的测量数据汇总生成自动测量路径。

基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量方法，步骤如下：

(a)被测物到达指定位置后，利用系统控制工作站向第一全方位移动平台发送X、Y向方向及姿态命令起/停指令，控制第一全方位移动平台移动至合适测量位姿，记录第一全方位移动平台移动位置及姿态数据；

(b)在人工拖动示教方式下，对协作机械臂进行拖动，利用协作机械臂自带的示教器记录测量过程中协作机械臂姿态及拖动力大小，同时记录协作机械臂的测量轨迹；

(c)利用系统控制工作站向第二全方位移动平台发送X、Y向方向及姿态命令起/停指令，控制第二全方位移动平台移动至第一全方位移动平台后方，调整双目跟踪头位姿及可升降旋转支撑杆高度，直至双目跟踪头的扫描视野包含激光测量头扫描视野；

(d)将步骤(b)、步骤(c)所得数据进行保存，改变第一全方位移动平台、第二全方位移动平台的测量位置及激光测量头、双目跟踪头的扫描视野范围，重复步骤(b)并获取完整的自动测量路径，转换为自动测量模式进行测量，直至获取被测物全部轮廓扫描数据。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量系统及方法，通过全方位移动平台携载安装有激光扫描头的协作机械臂，以及全方位移动平台上可伸缩旋转竖杆安装动态跟踪头，协同控制双全方位移动平台以及协作机械臂等，实现大型被测物的全外形自动化测量，同时被测物周围均匀布置多角度定位杆，无须被测物表面贴点；

(2)本发明通过系统防碰撞策略防止机器人及全方位移动平台对外界的碰撞。通过采用协作机械臂及在机器人末端加装六维力传感器实现机械臂及末端的碰撞检测，通过设置碰撞阈值可以有效减少意外碰撞产生的损害。通过在全方位移动平台四周加装激光测距传感器以及阈值的设置，可以保证全方位移动平台与外界的安全距离，防止发生碰撞；

(3)本发明提供的基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量系统及方法，较之常见的三自由度测量机类系统，免于安装，易于搬运。

附图说明

图1为发明提供的测量系统结构示意图；

图2为发明提供的定位杆机构示意图；

具体实施方式

基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量系统，包括激光测量头1、协作机械臂2、双目跟踪头3、第一全方位移动平台4、可升降旋转支撑杆5、第二全方位移动平台6、多角度定位杆7、大型运载AGV9、系统控制工作站10，如图1所示，第一全方位移动平台4上安装协作机械臂2，并通过协作机械臂2安装激光测量头1，第二全方位移动平台6上安装可升降旋转支撑杆5，可升降旋转支撑杆5端头安装双目跟踪头3，协作机械臂的控制箱放置于第一全方位移动平台4内部，可升降旋转支撑杆5的控制箱放置于第二全方位移动平台 6内部，开始测试时，通过系统控制柜10根据用户需求控制第一全方位移动平台4、第二全方位移动平台6移动调整位置，绕被测物进行移动，同时根据任务需要控制协作机械臂2、可升降旋转支撑杆5移动和伸缩，再通过激光测量头1、双目跟踪头3对被测物进行激光扫描及动态追踪。

其中，第一全方位移动平台4根据系统控制工作站10的控制指令移动至待测区域，调整协作机械臂2姿态并通过激光测量头1对被测物进行激光扫描，获取被测物激光扫描数据及激光距离，所述第二全方位移动平台6根据系统控制工作站10的控制指令移动至所述待测区域后方特定距离处，距离范围为 1.8m-3.8m，调整升降旋转支撑杆5高度并通过双目跟踪头3进行动态追踪，保证双目跟踪头视野覆盖到激光测量头覆盖范围及至少20个以上的定位点，获取动态追踪扫描数据及激光测量头位置信息。

如图2所示，所述被测物被固定在大型运载AGV9上的矩形框内，同时在两侧布置多根多角度定位杆7，其中所述多角度定位杆7为六面体叠层结构，包括螺纹杆纹杆13、六角螺母14、顶丝12、定位点11，所述六角螺母14均套装于螺纹杆13上，每个六角螺母14套装角度均相差30度，且每个六角螺母14朝向被测物一面均打孔并安装顶丝12，背对被测物三面贴附定位点11。

同时，在被测物上不贴附定位点，双目跟踪头3与协作机械臂2端头连接处安装有六维力传感器，对测量过程中机械臂受力进行测量，当机械臂受力超过碰撞限定阈值时，第一全方位移动平台4停止移动并停止测量，以此作为防碰撞策略。

限定碰撞限定阈值范围为2N-15N，具体数值根据被测物体积确定。

六自由度协作机械臂2安装在第一全方位移动平台4上，六自由度协作机械臂2末端安装creaform的激光测量头1，第一全方位移动平台4的内部装载机械臂控制箱和电池，电池同时给机械臂和移动平台供电。

双目跟踪头3固连于一根可升降旋转支撑杆5端头，支撑杆安装在第二全方位移动平台6上，第二全方位移动平台6的内部装载电池供电。

同时，2台全方位移动平台的路径规划、六自由度协作机械臂2的轨迹规划、可升降旋转支撑杆5的高度和角度控制、激光测量头1的开关均由工控机控制。

其中，激光测量头1具有八个自由度，可以应对大尺寸异形结构的灵活姿态扫描，且通过可升降旋转支撑杆5支撑，双目跟踪头3具有四个自由度，能够保证移动跟踪头和足够的定位点包含在双目跟踪头的视野内。

第一全方位移动平台4、第二全方位移动平台6分别由两套独立的嵌入式系统通过CAN bus进行控制，所述系统控制工作站10发送执行指令至两套嵌入式系统，所述嵌入式系统分别向对应的第一全方位移动平台4或第二全方位移动平台6发送移动指令，第一全方位移动平台4或第二全方位移动平台6移动至指定位置后将实际位置信息回传至嵌入式系统，嵌入式系统将实际位置信息返送至系统控制工作站10。

所述两种工作模式，包含示教模式和自动测量模式。示教模式下，由人工根据测量需要操作工控机控制激光测量头1运动平台和双目跟踪头3运动平台协同测量，记录测量轨迹并生成测量路径，两个全方位移动平台及可升降旋转支撑杆通过人工控制驱动电机示教，协作机械臂通过六维力传感器拖动示教。自动测量模式下，工控机根据已记录的测量轨迹程序自动控制激光测量头1运动平台和双目跟踪头3运动平台协同测量。

具体流程如下：

通过手工拖动方式带动协作机械臂2，通过协作机械臂2的示教器记录测量过程中的协作机械臂2姿态及拖动力大小，同时记录协作机械臂2的测量轨迹及姿态，并配合第一全方位移动平台4的移动路径，共同生成自动测量路径。

基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量方法，步骤如下：

(a)被测物到达指定位置后，利用系统控制工作站10向第一全方位移动平台4发送X、Y向方向及姿态命令起/停指令，控制第一全方位移动平台4移动至合适测量位姿，记录第一全方位移动平台4移动位置及姿态数据；

(b)在人工拖动示教方式下，对协作机械臂(2)进行拖动，利用协作机械臂(2)自带的示教器记录测量过程中协作机械臂(2)姿态及拖动力大小，同时记录协作机械臂(2)的测量轨迹；

(c)利用系统控制工作站10向第二全方位移动平台6发送X、Y向方向及姿态命令起/停指令，控制第二全方位移动平台6移动至第一全方位移动平台 4后方一定位置处，调整双目跟踪头3位姿及可升降旋转支撑杆5高度，直至双目跟踪头3的扫描视野包含激光测量头1扫描视野及至少20个定位点；

(d)将步骤(b)、步骤(c)所得数据进行保存，改变第一全方位移动平台4、第二全方位移动平台6的测量位置及激光测量头1、双目跟踪头3的扫描视野范围，直至获取被测物全部轮廓扫描数据，结束示教模式，进入自动测量模式再进行自动测量。

被测物到达指定位置后，由人工在上位机上根据被测物型号选择相应测量程序，实现自动测量。其中2个全方位移动平台采用二维码导航，激光避障实现记录位姿之间的移动。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量系统及方法，包括激光测量头1、协作机械臂2、双目跟踪头3、第一全方位移动平台4、可升降旋转支撑杆5、第二全方位移动平台6、多角度定位杆7、大型运载AGV9、系统控制柜10，被测物固定安装于大型运载AGV9平台上，用于对被测物进行激光扫描的激光测量头1及对被测物进行动态跟踪的双目跟踪头3分别安装于协作机械臂2端头、可升降旋转支撑杆5端头上，其中所述协作机械臂2、可升降旋转支撑杆 5分别安装于可绕被测物进行移动的第一全方位移动平台4、第二全方位移动平台6上，所述多角度定位杆7安装于被测物两侧对被测物进行定位，开始测试后通过系统控制柜10控制第一全方位移动平台4、第二全方位移动平台6进行移动，同时驱动协作机械臂2、可升降旋转支撑杆5分别控制激光测量头1、双目跟踪头3进行扫描及动态追踪。

此时，测量同一片区域的被测物数据时，第二全方位移动平台6移动至第一全方位移动平台4后2m处，同时扫描范围除包括激光测量头1扫描范围外还包括两根定位杆，两根定位杆上至少贴附20个定位点。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (14)

1.基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量系统，其特征在于：包括激光测量头(1)、协作机械臂(2)、双目跟踪头(3)、第一全方位移动平台(4)、可升降旋转支撑杆(5)、第二全方位移动平台(6)、多角度定位杆(7)、大型运载AGV(9)，被测物固定安装于大型运载AGV(9)上，用于对被测物进行激光扫描的激光测量头(1)及对被测物进行动态跟踪的双目跟踪头(3)分别安装于协作机械臂(2)端头、可升降旋转支撑杆(5)端头上，其中所述协作机械臂(2)、可升降旋转支撑杆(5)分别安装于可绕被测物进行移动的第一全方位移动平台(4)、第二全方位移动平台(6)上，所述多角度定位杆(7)均安装于被测物两侧对被测物进行定位。

2.根据权利要求1所述的基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量系统，其特征在于：还包括系统控制工作站(10)，所述系统控制工作站(10)根据用户需求控制第一全方位移动平台(4)、第二全方位移动平台(6)绕被测物进行移动，并控制协作机械臂(2)姿态及可升降旋转支撑杆(5)升降高度，通过激光测量头(1)、双目跟踪头(3)进行激光扫描及动态追踪。

3.根据权利要求2所述的基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量系统，其特征在于：所述第一全方位移动平台(4)根据系统控制工作站(10)的控制指令移动至待测区域，调整协作机械臂(2)姿态并通过激光测量头(1)对被测物进行激光扫描，获取被测物激光扫描数据及激光距离，所述第二全方位移动平台(6)根据系统控制工作站(10)的控制指令移动至所述待测区域后方特定距离处，调整升降旋转支撑杆(5)高度并通过双目跟踪头(3)进行动态追踪，获取动态追踪扫描数据及激光测量头位置信息。

4.根据权利要求3所述的基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量系统，其特征在于：所述第二全方位移动平台(6)移动的特定距离为1.8m-3.8m。

5.根据权利要求1所述的基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量系统，其特征在于：所述多角度定位杆(7)上设置有定位点，被测物上不贴附定位点，在动态追踪过程中，所述双目跟踪头(3)的扫描视野包含激光测量头(1)的扫描视野，且双目跟踪头(3)的扫描视野范围内还需包括至少20个定位点。

6.根据权利要求1或5所述的基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量系统，其特征在于：所述多角度定位杆(7)包括螺纹杆(13)、六角螺母(14)、顶丝(12)、定位点(11)，所述六角螺母(14)均套装于螺纹杆(13)上，每个六角螺母(14)套装角度均相差20-35度，且每个六角螺母(14)朝向被测物一面均打孔并安装顶丝(12)，背对被测物三面贴附定位点(11)，被测物上不贴附定位点。

7.根据权利要求1所述的基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量系统，其特征在于：所述双目跟踪头(3)与协作机械臂(2)端头连接处安装有六维力传感器，对测量过程中机械臂受力进行测量，当机械臂受力超过碰撞限定阈值时，第一全方位移动平台(4)停止移动并停止测量。

8.根据权利要求7所述的基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量系统，其特征在于：所述碰撞限定阈值范围为2N-15N。

9.根据权利要求1所述的基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量系统，其特征在于：所述第一全方位移动平台(4)、第二全方位移动平台(6)通过WIFI进行通信。

10.根据权利要求9所述的基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量系统，其特征在于：所述第一全方位移动平台(4)、第二全方位移动平台(6)采用二维码导航，激光避障实现记录位姿之间的移动。

11.根据权利要求1所述的基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量系统，其特征在于：所述第一全方位移动平台(4)、第二全方位移动平台(6)分别由两套独立的嵌入式系统通过CAN bus进行控制，所述系统控制工作站(10)发送执行指令至两套嵌入式系统，所述嵌入式系统分别向对应的第一全方位移动平台(4)或第二全方位移动平台(6)发送移动指令，第一全方位移动平台(4)或第二全方位移动平台(6)移动至指定位置后将实际位置信息回传至嵌入式系统，嵌入式系统将实际位置信息返送至系统控制工作站(10)。

12.根据权利要求1或2所述的基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量系统，其特征在于：所述激光测量头(1)、双目跟踪头(3)工作模式均包括示教模式及自动测量模式，在同次测量过程中，激光测量头(1)、双目跟踪头(3)工作模式相同。

13.根据权利要求12所述的基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量系统，其特征在于：所述示教模式为：通过手工拖动方式带动协作机械臂(2)，利用协作机械臂(2)自带的示教器记录测量过程中的协作机械臂(2)姿态及拖动力大小，同时记录协作机械臂(2)的测量轨迹，将所得测量数据发送至系统控制工作站(10)，系统控制工作站(10)将第一全方位移动平台(4)的移动路径及示教器记录的测量数据汇总生成自动测量路径。

14.基于全方位移动平台搭载协作机械臂的测量方法，其特征在于步骤如下：

(a)被测物到达指定位置后，利用系统控制工作站(10)向第一全方位移动平台(4)发送X、Y向方向及姿态命令起/停指令，控制第一全方位移动平台(4)移动至合适测量位姿，记录第一全方位移动平台(4)移动位置及姿态数据

(b)在人工拖动示教方式下，对协作机械臂(2)进行拖动，利用协作机械臂(2)自带的示教器记录测量过程中协作机械臂(2)姿态及拖动力大小，同时记录协作机械臂(2)的测量轨迹；

(c)利用系统控制工作站(10)向第二全方位移动平台(6)发送X、Y向方向及姿态命令起/停指令，控制第二全方位移动平台(6)移动至第一全方位移动平台(4)后方，调整双目跟踪头(3)位姿及可升降旋转支撑杆(5)高度，直至双目跟踪头(3)的扫描视野包含激光测量头(1)扫描视野；

(d)将步骤(b)、步骤(c)所得数据进行保存，改变第一全方位移动平台(4)、第二全方位移动平台(6)的测量位置及激光测量头(1)、双目跟踪头(3)的扫描视野范围，重复步骤(b)并获取完整的自动测量路径，转换为自动测量模式进行测量，直至获取被测物全部轮廓扫描数据。