CN110228068A - 一种机器人平面作业点快速定位系统及其快速定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人平面作业点快速定位系统及其快速定位方法，属于机器人技术领域。所述定位系统包括工作台、摄像头、机器人本体、控制装置以及上位机；摄像头通过支架安装于工作台顶面，所述摄像头位于工件放置部的上方且其镜头朝向所述工件放置部；所述基座固定设于所述工作台顶面，所述第一关节臂的下端水平转动安装于所述基座的上端面；所述的第二关节臂的下端竖直转动安装于所述第一关节臂的上端，所述第四关节臂的头端安装于所述第三关节臂尾端的转轴上；所述第五关节臂的头端转动安装于第四关节臂的尾端。本发明不需手动示教，适用于工艺要求简单，工件结构简单、作业轨迹简单以及作业点位分布简单的工况，定位准确和效率高。

Description

一种机器人平面作业点快速定位系统及其快速定位方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其是一种机器人平面作业点快速定位系统及其快速定位方法。

背景技术

工业机器人在自动化生产线中的应用，其中最重要的一项工作就是针对具体工位的工艺需求设计工业机器人作业逻辑、末端工具的轨迹规划，以及末端工具TCP的作业点位的测量等。怎样高效地测量工业机器人工具的作业点位也成为了工业机器人应用中非常重要的一项技术。从目前制造业中工业机器人末端工具的作业点位测量技术的应用来分析，常见以下三种技术手段：

1.现场示教，记录作业点位数据。这种方法不需要额外的设备，但一般需要能熟练操作机器人的技术员，利用工业机器人配备的示教器进行现场人工不断地调试，且对工件的固定设备要求较高，是一种繁琐且耗时的方法，其效率及准确度很大程度上取决于技术员，在微调产品工艺情况下，需停机重新示教，缺乏一定的灵捷性。

2.利用3D建模进行机器人生产仿真，最后在建设现场调试、校准末端工具的作业点位。这种方法前期需要做大量的3D建模工作，在仿真软件中开发机器人程序、仿真动画等，在完成仿真后，仍然需要技术员进行现场调试、校正，比起第一种方法，其调试、校正时间大大减少。多应用于工件结构较为复杂，作业点位较多，作业轨迹要求较高等环境，其对环境建模的准确度要求较高，否则第二阶段的现场调试、校正更耗时。该方法周期相对长，成本较高，更多用于整个生产线的建设，或者制作单元升级等，不适合工艺要求简单，工件结构简单、作业轨迹简单，作业点位分布简单的情况。

3.利用视觉系统进行定位，直接生产点位数据。这种方法利用图像特征识别、视觉定位等技术对工件或工件孔位等进行识别、定位，该方法具有较高的灵捷性，能很好地支持同种产品不同规格混合生产的环境，但其作业点位计算的精准度取决识别算法的优化程度及环境情况。由于实时识别，易受影响，比如工件表面情况，环境的明亮度等。目前更多用于对工件的定位。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种机器人平面作业点快速定位系统及其快速定位方法，该系统及其定位方法不需手动示教，适用于工艺要求简单，工件结构简单、作业轨迹简单以及作业点位分布简单的工况，定位准确和效率高。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种机器人平面作业点快速定位系统，包括

工作台，其顶面设有工件放置部；

摄像头，其通过支架安装于工作台顶面，所述摄像头位于工件放置部的上方且其镜头朝向所述工件放置部；

机器人本体,其设于工作台顶面并位于工件放置部的一侧，所述机器人本体包括基座、第一关节臂、第二关节臂、第三关节臂、第四关节臂和第五关节臂；所述基座固定设于所述工作台顶面，所述第一关节臂的下端水平转动安装于所述基座的上端面；所述的第二关节臂的下端竖直转动安装于所述第一关节臂的上端；所述的第三关节臂的一端竖直转动安装于所述第二关节臂的上端，所述第三关节臂的另一端转动安装有转轴；所述第四关节臂的一端安装于所述转轴上；所述第五关节臂的一端转动安装于第四关节臂远离转轴的一端，且第五关节臂能够于第四关节臂所在的平面相对于第四关节臂摆动，所述第五关节的尾部设有定位部，用于在工件表面标记出定位点；

控制装置，其包括控制器和驱动机构，所述控制器与驱动机构连接，所述控制器设于工作台顶面，所述驱动机构用于驱动第一关节臂、第二关节臂、第三关节臂、第四关节臂和第五关节臂转动；

上位机，所述控制器和摄像头分别与上位机连接。

进一步的，所述驱动机构包括第一电机、第二电机、第三电机、第四电机和第五电机；所述第一电机安装于所述基座内，用于驱动所述第一关节臂水平旋转；所述第二电机设于所述的第一关节臂和第二关节臂的关节连接处，用于驱动所述第二关节臂竖直摆动；所述第三电机设于所述第二关节臂和第三关节臂的关节连接处，用于驱动所述第三关节臂竖直摆动；所述第四电机设于所述第三关节臂的内部尾端，用于驱动所述第四关节臂旋转；所述第五电机设于所述第四关节臂和第五关节臂的关节连接处，用于驱动所述第五关节臂摆动。

进一步的，所述第一电机、第二电机、第三电机、第四电机和第五电机分别为伺服电机。

进一步的，所述上位机为PC或平板电脑。

进一步的，所述工件放置部包括长方形的放置槽、两个固定块和两个弹簧，两个所述固定块均设于凹槽内，两个所述固定块分别通过一根弹簧与放置槽的其中两个相邻的侧壁相连。

一种机器人平面作业点快速定位系统的快速定位方法，包括以下步骤：

(1)将板状的工件固定放置于工作台上，使其顶面对准摄像头镜头；

(2)摄像头获取工件图像，并发送至上位机；

(3)上位机以工件的实际尺寸的2-4倍显示二维工件图像，并以工件图像的其中一边角建立坐标系；

(4)通过上位机在坐标系中对工件图像进行锚点，之后将数据发送至控制器，控制器控制机器人本体进行快速定位。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1.本发明通过摄像头获取工件的二维图像，再发送至上位机建立坐标系，工作人员通过坐标系对控制器发送定位指令，控制器控制多关节机器人本体对工件进行标记定位点，完成对工件表面作业点的快速定位。本发明不需手动示教，适用于工艺要求简单，工件结构简单、作业轨迹简单，作业点位分布简单的工况，定位准确和效率高，本发明中的机器人本体由多个关节臂组成，自由度高，能够快速地在工件表面进行快速准确定位。

2.本发明中的机器人本体每个活动关节均采用伺服电机控制，从而使每个关节的动作相应快和动作精度高。

3.本发明中的放置槽两边固定，可将工件的两边与放置槽的两边固定，从而方便上位机对工件图样建立坐标系，提高工作效率，而且固定块还能够防止工件在定位时发生偏移，造成定位不准确，该固定装置在取放工件时也较为方便。

附图说明

图1是本发明机器人平面作业点快速定位系统较佳实施例的结构示意图；

图2是图1中机器人本体的结构示意图；

图3是图1中工件放置部的俯视图；

图4是本发明中各电子元件的连接框图。

附图中，1-工作台，2-机器人本体，2.1-第一关节臂，2.2-第二关节臂，2.3-第三关节臂，2.4-第四关节臂，2.5-第五关节臂，2.6-基座，3-摄像头，4-支架，5-工件放置部，5.1-弹簧，5.2-固定块，6-工件。

具体实施方式

以下结合附图对发明的具体实施进一步说明。

如图1所示一种机器人平面作业点快速定位系统，包括工作台1、摄像头3、机器人本体2、控制装置以及上位机。

工作台1顶面设有工件放置部5；摄像头3通过支架4安装于工作台1顶面，本实施例中的支架4为万向支架，所述摄像头3位于工件放置部5的上方且其镜头朝向所述工件放置部5。工件放置部5包括长方形的放置槽、两个固定块5.2和两个弹簧5.1，两个所述固定块5.2设于放置槽内，两个所述固定块5.2分别通过一根弹簧5.1与放置槽的其中两个相邻的侧壁相连，工件放置部5内放置有板状的工件6且工件6的两边紧贴工件放置部5的其中两边，两个固定块5.2分别对工件6的另外两边进行固定，从而方便上位机对工件6图样建立坐标系，提高工作效率，而且还能够防止工件6在定位时发生偏移，造成定位不准确。

机器人本体2设于工作台1顶面并位于工件放置部5的一侧，所述机器人本体2包括基座2.6、第一关节臂2.1、第二关节臂2.2、第三关节臂2.3、第四关节臂2.4和第五关节臂2.5；所述基座2.6固定设于所述工作台1顶面，所述第一关节臂2.1的下端水平转动安装于所述基座2.6的上端面；所述的第二关节臂2.2的下端竖直转动安装于所述第一关节臂2.1的上端；所述的第三关节臂2.3的一端竖直转动安装于所述第二关节臂2.2的上端，所述第三关节臂2.3的另一端转动安装有转轴；所述第四关节臂2.4的一端安装于所述转轴上；所述第五关节臂2.5的一端转动安装于第四关节臂2.4远离转轴的一端，且第五关节臂2.5能够于第四关节臂2.4所在的平面相对于第四关节臂2.4摆动，所述第五关节臂2.5的另一端设有定位部，定位部用于在工件6表面标记定位点。本发明的机器人由多个关节臂组成，自由度高，方便于进行快速准确定位。

控制装置包括控制器和驱动机构，所述控制器与驱动机构连接，所述控制器设于工作台1顶面，所述驱动机构用于驱动第一关节臂2.1、第二关节臂2.2、第三关节臂2.3、第四关节臂2.4和第五关节臂2.5转动。控制器和摄像头3分别与上位机连接，本实施例采用无线连接的方式连接，所述上位机为PC或平板电脑。

所述驱动机构包括第一电机、第二电机、第三电机、第四电机和第五电机；所述第一电机安装于所述基座2.6内，用于驱动所述第一关节臂2.1水平旋转；所述第二电机设于所述的第一关节臂2.1和第二关节臂2.2的关节连接处，用于驱动所述第二关节臂2.2竖直摆动；所述第三电机设于所述第二关节臂2.2和第三关节臂2.3的关节连接处，用于驱动所述第三关节臂2.3竖直摆动；所述第四电机设于所述第三关节臂2.3的内部尾端，用于驱动所述第四关节臂2.4旋转；所述第五电机设于所述第四关节臂2.4和第五关节臂2.5的关节连接处，用于驱动所述第五关节臂2.5摆动。所述第一电机、第二电机、第三电机、第四电机和第五电机分别为伺服电机。

一种机器人平面作业点快速定位系统的快速定位方法，包括以下步骤：

(1)将板状的工件6固定放置于工作台1上，使其顶面对准摄像头3镜头；

(2)摄像头3获取工件图像，并发送至上位机；

(3)上位机以一定的比例显示二维工件图像，并以工件图像的其中一边角建立坐标系；

(4)通过上位机对工件图像进行锚点，之后将数据发送至控制器，控制器控制机器人本体2进行快速定位。

本实施例中，首先测量出工件6的尺寸(长*宽：A*B)，利用标准工件尺寸数据，生成与之成比例(k)的应用程序定位画板界面尺寸(长*宽：C*D)，k的大小根据工件尺寸数据的大小，应用程序界面调整。由于单位不同，定位画板为像素，一般远远大于以毫米为单位工件尺寸。k取1，定位画板与工件在长宽尺寸数据上一致，在计算机或平板中定位画板就过小，导致鼠标锚点困难；但如果取值过大，由于图像拉伸，则可能导致误差数值也会增大，一般k的取值范围2-4。本发明中K取2，C＝A*k；D＝B*k。

在确定了k值后，画板的工件图像即可通过一定比例以平铺的方式(长、宽同样比例变形)加载至应用程序的定位画板，通过对画板中的工件图像孔位锚点等到一组定位画板位置数据PanelData(x,y)，为得到孔位在工件坐标系下的X、Y轴位置，需进行除k处理，即Pos(X,Y)＝PanelData(x,y)/k。

机器人Pos数据还包括Z轴的位置数据Z，不同的工件孔位在同一平面，其值是一个固定值，因此在参考坐标为工件坐标系下，Z的数值可默认为0，即Pos(Z)＝d。

因此上位机通过以上计算即可得到一组相对于工件坐标系原点在3个坐标方向的偏移值，即Pos(X,Y,Z)＝(x/k,y/k,d)，要建立的机器人关键数据主要有3个：工具坐标数据(Tooldata)、工件坐标数据(Wobjdata)，目标位置数据(Robtarget)。

工具坐标数据的计算可通过操作示教器进行“6点法”定义获得，一种工具只需进行一次定义操作获得。工件坐标数据的定义即建立工件坐标系数据，确定坐标原点及X-Y-Z三个坐标轴方向，通过“3点法”定义获得，在本实施例中，为避免工件孔位坐标位置数据太小，影响在应用程序中的数值误差，工件坐标数据其原点设定在工件其中一个边角。

目标位置数据由目标点的位置值(Pos数据)、坐标系旋转变量值(orient)和轴配置数据(confdata)组成，本实施例中，Pos数据可通过上位机应用程序计算并发送获得。orient数据用以描述工具TCP点在目标点时的坐标系姿态，以一组四元数(q1,q2,q3,q4)表示，其值可通过工件坐标系在参考坐标系下的单位方向向量进行计算获得。设三个单位方向向量的值分别为：z＝(z1,z2,z3)(1)用矩阵方式表示其在参考坐标系下的旋转矩阵R为：

则四元数即可求：

符号取y3-z2

符号取z1-x2

符号取x2-y1

轴配置数据用来确定机器人TCP点在目标点时，各关节臂转动的配置情况，由(cf1，cf4，cf6，cfx)确定。本实施例中，工件位置固定，定位点为平面分布，机器人本体2的运行轨迹范围小，机器人本体2作业过程其定位部姿态保持一致，因此不同目标位置数据(Robtarget)中的orient和confdata值可设置同一个参考值，参考值可通过ABB公司的机器人仿真软件Robotstudio进行位置仿真获得，或者通过现场示教一个目标点来获取，两种方法同样方便快捷。

本发明不需手动示教，适用于工艺要求简单，工件结构简单、作业轨迹简单，作业点位分布简单的工况，为在工业机器人应用比较繁琐耗时的位置示教提供了一个快速确定位置数据的方法，尤其是机器人工作点位平面分布，对机器人作业点位精准度要求一般的机器人应用中，比如在一些工艺品粘合中的涂胶线、点胶机和对工件的加工孔位进行快速定位等领域中。

上述说明是针对本发明较佳实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (6)

1.一种机器人平面作业点快速定位系统，其特征在于，包括

工作台，其顶面设有工件放置部；

摄像头，其通过支架安装于工作台顶面，所述摄像头位于工件放置部的上方且其镜头朝向所述工件放置部；

机器人本体,其设于工作台顶面并位于工件放置部的一侧，所述机器人本体包括基座、第一关节臂、第二关节臂、第三关节臂、第四关节臂和第五关节臂；所述基座固定设于所述工作台顶面，所述第一关节臂的下端水平转动安装于所述基座的上端面；所述的第二关节臂的下端竖直转动安装于所述第一关节臂的上端；所述的第三关节臂的一端竖直转动安装于所述第二关节臂的上端，所述第三关节臂的另一端转动安装有转轴；所述第四关节臂的一端安装于所述转轴上；所述第五关节臂的一端转动安装于第四关节臂远离转轴的一端，且第五关节臂能够于第四关节臂所在的平面相对于第四关节臂摆动，所述第五关节的尾部设有定位部，用于在工件表面标记出定位点；

控制装置，其包括控制器和驱动机构，所述控制器与驱动机构连接，所述控制器设于工作台顶面，所述驱动机构用于驱动第一关节臂、第二关节臂、第三关节臂、第四关节臂和第五关节臂转动；

上位机，所述控制器和摄像头分别与上位机连接。

2.如权利要求1所述的机器人平面作业点快速定位系统，其特征在于，所述驱动机构包括第一电机、第二电机、第三电机、第四电机和第五电机；所述第一电机安装于所述基座内，用于驱动所述第一关节臂水平旋转；所述第二电机设于所述的第一关节臂和第二关节臂的关节连接处，用于驱动所述第二关节臂竖直摆动；所述第三电机设于所述第二关节臂和第三关节臂的关节连接处，用于驱动所述第三关节臂竖直摆动；所述第四电机设于所述第三关节臂的内部尾端，用于驱动所述第四关节臂旋转；所述第五电机设于所述第四关节臂和第五关节臂的关节连接处，用于驱动所述第五关节臂摆动。

3.如权利要求2所述的机器人平面作业点快速定位系统，其特征在于，所述第一电机、第二电机、第三电机、第四电机和第五电机分别为伺服电机。

4.如权利要求1所述的一种机器人平面作业点快速定位系统，其特征在于，所述上位机为PC或平板电脑。

5.如权利要求1所述的机器人平面作业点快速定位系统，其特征在于，所述工件放置部包括长方形的放置槽、两个固定块和两个弹簧，两个所述固定块均设于凹槽内，两个所述固定块分别通过一根弹簧与放置槽的其中两个相邻的侧壁相连。

6.一种如权利要求1-5任意一项所述的机器人平面作业点快速定位系统的快速定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将板状的工件固定放置于工作台上，使其顶面对准摄像头镜头；

(2)摄像头获取工件图像，并发送至上位机；

(3)上位机以工件的实际尺寸的2-4倍显示二维工件图像，并以工件图像的其中一边角建立坐标系；

(4)通过上位机在坐标系中对工件图像进行锚点，之后将数据发送至控制器，控制器控制机器人本体进行快速定位。