CN110977962B - 一种基于3d视觉的机器人打磨路径自动纠偏方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于3D视觉的机器人打磨路径自动纠偏方法，包括如下步骤：(1)建立坐标系并校正机器人工具坐标系；(2)安装相机并完成手眼标定；(3)机器人末端安装夹具；(4)机器人示教打磨点；(5)机器人示教工件的扫描位置；(6)工件的采图和定位；(7)计算机器人示教打磨点时的工件的姿态；(8)根据示教工件的姿态进行打磨路径的自动纠偏。本发明的技术方案作为整个铸件打磨工作站中的一环，能够实现工件的底面平面磨，且工件底面打磨能达到较好的精度和较好的稳定性，同时整个工件平面磨环节并不占用整个打磨工作站的生产节拍；本发明可应用于不同工件类型的机器人打磨路径自动纠正方法，适用性强，安全系数高，稳定性好。

Description

一种基于3D视觉的机器人打磨路径自动纠偏方法
技术领域
本发明属于机加工技术领域，具体涉及一种基于3D视觉的机器人打磨路径自动纠偏方法。
背景技术
随着机器人打磨在锻造行业应用的不断深入，大尺寸的铸铁件工件全尺寸的自动打磨需求越来越多，是未来的一个应用趋势，而目前全尺寸的自动打磨的覆盖率比较低。针对目前人工上料或输送线来料具有位置偏差大，工件型号种类不一致，且生产车间环境复杂，粉尘、光线等的影响，自动打磨的时候要么底面打磨精度不够；要么工件底面直接不进行打磨，后期再由人工进行打磨；要么存在设备撞击的风险，从而损坏生产设备，更严重的是具有威胁工作人员的人身安全。
目前铸铁件的自动打磨工作站的底面平面磨多采用机械结构定位的方式，工件经过粗定位后机器人去抓取，通过抓手的机械倒正结构使工件每次都被抓在差不多的位置从而保证机器人的抓取精度，即通过机械结构去纠偏；或使用点激光进行工件的位置测量，机器人根据测量结果去纠偏打磨路径；或者通过机器人上下料然后通过专门的磨床进行机械定位，从而实现工件的底面平面磨。但是这几种方式要么存在精度不够，要么存在不稳定性和不可靠性，要么存在打磨机构柔性不够的问题，难以适应当前工业化的精度。
现有技术中，采用的方法常包括以下三种方式，通过点激光去检测工件的位置偏移量，机器人根据偏移量去给打磨位置加偏移。用机器人上抓手的机械结构固定夹紧工件再根据机器人的打磨示教点直接去打磨，通过抓手的机械结构来做纠偏。采用机器人给磨床上下料，然后用磨床的机械机构进行工件的定位和夹紧再进行工件的平面磨。上述方法缺点如下：通过用点激光去测量工件底面位置变动前后的偏移量去给机器人打磨路径纠偏的方式存在点激光测量结果不准确的风险，工件底面的工况、以及工件本身的一致性对测量结果影响很大，可能会输出错误的结果；测量精度可靠性低，只有x、y、z三个方向的值，如果工件存在角度变化的话直接结果就是降低打磨精度。采用机器人上安装的工装夹具的机械机构定位工件、不对机器人打磨路径做纠偏的打磨时，打磨精度直接跟工装精度挂钩，如果工装结构设计不合理可能还会存在工件夹紧的过程中工件位置会存在少许的偏移，以及长时间使用后工装磨损的情况，这些最终都会影响打磨的精度。使用磨床进行工件平面磨时，工件外形的一致性，表面是否有毛刺等会影响工件的夹紧效果，磨床不具有机器人的柔性，对工件底面的打毛刺打磨来说具有较大的难度，同时磨床价格相对来讲较昂贵。
综上所述，亟需提供一种可应用于不同工件类型，同时适用性强，安全系数高，稳定性好的基于3D视觉的机器人打磨路径自动纠偏方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种可应用于不同工件类型，同时适用性强，安全系数高，稳定性好的基于3D视觉的机器人打磨路径自动纠偏方法。
上述目的是通过如下技术方案实现：一种基于3D视觉的机器人打磨路径自动纠偏方法，包括如下步骤：
(1)建立坐标系并校正机器人工具坐标系：建立的坐标系包括机器人基坐标系、机器人工具坐标系、机器人末端坐标系、相机坐标系以及工件坐标系；
(2)安装相机并完成手眼标定；
(3)机器人末端安装夹具；
(4)机器人示教打磨点；
(5)机器人示教工件的扫描位置；
(6)工件的采图和定位；
(7)计算机器人示教打磨点时的工件的姿态；
(8)根据示教工件的姿态进行打磨路径的自动纠偏。
进一步的技术方案是，所述步骤(4)中机器人抓取工件并携带工件进入打磨区域，调整好机器人姿态，并示教工件的打磨起始姿态，将示教工件相对机器人基坐标系的打磨起始姿态的用矩阵表示为Tool0toBMat，然后移动机器人示教每个打磨点同时保存打磨点数据。
进一步的技术方案是，所述步骤(5)中机器人携带工件在激光相机视野范围内运动，保存机器人运动的起始点的工具坐标在机器人基坐标系中的坐标，并将其用矩阵表示为Tool1toBMat。
进一步的技术方案是，所述步骤(6)中工件的采图和定位得到工件在相机视野中时工件在机器人基坐标系中的坐标，并将其转换为矩阵表示为I0toBMat。
进一步的技术方案是，所述步骤(7)中包括计算工件到机器人工具坐标系的旋转偏移量，机器人工具坐标系的旋转偏移量用矩阵形式表示为ItoToolMat，计算公式如下:ItoToolMat＝BtoTool1Mat·I0toBMat，其中，BtoTool1Mat表示Tool1toBMat的逆矩阵。
进一步的技术方案是，所述步骤(7)中还包括计算机器人打磨示教起始姿态时的工件姿态，计算机器人打磨示教起始姿态时的工件姿态用矩阵表示为I1toBMat，并保存该计算结果数据，计算公式如下:I1toBMat＝Tool0toBMat·ItoToolMat
进一步的技术方案是，所述步骤(8)中包括计算机器人的打磨起始姿态的步骤，机器人的打磨起始姿态用矩阵表示为Tool2toBMat，计算公式如下：Tool2toBMat＝I1toBMat·TooltoIMat，其中，TooltoIMat表示ItoToolMat的逆矩阵，机器人根据计算的Tool2toBMat自动变换姿态从而实现机器人工件平面磨路径的自动纠偏。
进一步的技术方案是，所述步骤(4)中，工件在输送线上运输，工件到达预定位置后使用2D视觉进行2维定位，当工件位置发生变化后，对工件进行三维视觉的定位，计算工件位置变换前后的位姿，根据工件新位姿重复步骤(5)、步骤(7)和步骤(8)得到工件的打磨姿态，从而实现工件的打磨路径自动纠偏。
工件在输送线的位置发生变化后，二维视觉定位是先定位后抓取，工装夹具每次抓取工件后，工件相对夹具的位置会存在少量的偏移，经过对工件进行三维视觉的定位，计算工件位置变换前后的位姿，根据工件新位姿重复重复步骤(7)和步骤(8)得到工件的打磨姿态，从而实现工件的打磨路径自动纠偏。
进一步的技术方案是，平面磨的砂轮固定在平面磨房的立柱上，机器人抓取的工件经过3D视觉系统定位后抓取工件去靠近砂轮进行工件的打磨。
进一步的技术方案是，所述相机为3D线激光相机，3D线激光相机安装在平面磨房上并接好线缆。
本发明的技术方案作为整个铸件打磨工作站中的一环，能够实现工件的底面平面磨，且工件底面打磨能达到较好的精度和较好的稳定性，同时整个工件平面磨环节并不占用整个打磨工作站的生产节拍；本发明可应用于不同工件类型的机器人打磨路径自动纠正方法，适用性强，安全系数高，稳定性好。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明一种实施方式所涉及的机器人打磨路径自动纠偏方法的流程示意图；
具体实施方式
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。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。
本发明实施例如下，参照图1，一种基于3D视觉的机器人打磨路径自动纠偏方法，包括如下步骤：
(1)建立坐标系并校正机器人工具坐标系：建立的坐标系包括机器人基坐标系、机器人工具坐标系、机器人末端坐标系、相机坐标系以及工件坐标系；
(2)安装相机并完成手眼标定；
(3)机器人末端安装夹具；
(4)机器人示教打磨点；
(5)机器人示教工件的扫描位置；
(6)工件的采图和定位；
(7)计算机器人示教打磨点时的工件的姿态；
(8)根据示教工件的姿态进行打磨路径的自动纠偏。
本发明系统包括安装在机器人法兰盘末端的用来夹紧工件的工装夹具、使用时散射在工件表面上线激光相机发出的光平面，以及铸件工件本身、工件平面磨时防尘防铁屑飞溅的安全房以及打磨工件时适用各个工件类型使用的标准刀具砂轮和安装砂轮的立柱。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，如图1，所述步骤(4)中机器人抓取工件并携带工件进入打磨区域，调整好机器人姿态，并示教工件的打磨起始姿态，将示教工件相对机器人基坐标系的打磨起始姿态的用矩阵表示为Tool0toBMat，然后移动机器人示教每个打磨点同时保存打磨点数据。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，如图1，所述步骤(5)中机器人携带工件在激光相机视野范围内运动，保存机器人运动的起始点的工具坐标在机器人基坐标系中的坐标，并将其用矩阵表示为Tool1toBMat。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，如图1，所述步骤(6)中工件的采图和定位得到工件在相机视野中时工件在机器人基坐标系中的坐标，并将其转换为矩阵表示为I0toBMat。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，如图1，所述步骤(7)中包括计算工件到机器人工具坐标系的旋转偏移量，机器人工具坐标系的旋转偏移量用矩阵形式表示为I t o T，计算公式如下:ItoToolMat＝BtoTool1Mat·I0toBMat，其中，BtoTool1Mat表示Tool1toBMat的逆矩阵。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，如图1，所述步骤(7)中还包括计算机器人打磨示教起始姿态时的工件姿态，计算机器人打磨示教起始姿态时的工件姿态用矩阵表示为I1toBMat，并保存该计算结果数据，计算公式如下:I1toBMat＝Tool0toBMat·ItoToolMat
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，如图1，所述步骤(8)中包括计算机器人的打磨起始姿态的步骤，机器人的打磨起始姿态用矩阵表示为Tool2toBMat，计算公式如下：Tool2toBMat＝I1toBMat·TooltoIMat，其中，TooltoIMat表示ItoToolMat的逆矩阵，机器人根据计算的Tool2toBMat自动变换姿态从而实现机器人工件平面磨路径的自动纠偏。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述步骤(4)中，工件在输送线上运输，工件到达预定位置后使用2D视觉进行2维定位，当工件位置发生变化后，对工件进行三维视觉的定位，计算工件位置变换前后的位姿，根据工件新位姿重复步骤(5)、步骤(7)和步骤(8)得到工件的打磨姿态，从而实现工件的打磨路径自动纠偏。
工件在输送线的位置发生变化后，二维视觉定位是先定位后抓取，工装夹具每次抓取工件后，工件相对夹具的位置会存在少量的偏移，经过对工件进行三维视觉的定位，计算工件位置变换前后的位姿，根据工件新位姿重复重复步骤(7)和步骤(8)得到工件的打磨姿态，从而实现工件的打磨路径自动纠偏。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，平面磨的砂轮固定在平面磨房的立柱上，机器人抓取的工件经过3D视觉系统定位后抓取工件去靠近砂轮进行工件的打磨。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述相机为3D线激光相机，3D线激光相机安装在平面磨房上并接好线缆。
本发明的技术方案作为整个铸件打磨工作站中的一环，能够实现工件的底面平面磨，且工件底面打磨能达到较好的精度和较好的稳定性，同时整个工件平面磨环节并不占用整个打磨工作站的生产节拍；本发明可可应用于不同工件类型的机器人打磨路径自动纠正方法，适用性强，安全系数高，稳定性好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于3D视觉的机器人打磨路径自动纠偏方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)建立坐标系并校正机器人工具坐标系：建立的坐标系包括机器人基坐标系、机器人工具坐标系、机器人末端坐标系、相机坐标系以及工件坐标系；
(2)安装相机并完成手眼标定；
(3)机器人末端安装夹具；
(4)机器人示教打磨点：机器人抓取工件并携带工件进入打磨区域，调整好机器人姿态，并示教工件的打磨起始姿态，将示教工件相对机器人基坐标系的打磨起始姿态的用矩阵表示为Tool0toBMat，然后移动机器人示教每个打磨点同时保存打磨点数据；
(5)机器人示教工件的扫描位置：机器人携带工件在激光相机视野范围内运动，保存机器人运动的起始点的工具坐标在机器人基坐标系中的坐标，并将其用矩阵表示为Tool1toBMat；
(6)工件的采图和定位：得到工件在相机视野中时工件在机器人基坐标系中的坐标，并将其转换为矩阵表示为I0toBMat；
(7)计算机器人示教打磨点时的工件的姿态：计算工件到机器人工具坐标系的旋转偏移量，机器人工具坐标系的旋转偏移量用矩阵形式表示为ItoToolMat，计算公式如下:ItoToolMat＝BtoTool1Mat·I0toBMat，其中，BtoTool1Mat表示Tool1toBMat的逆矩阵；计算机器人打磨示教起始姿态时的工件姿态，计算机器人打磨示教起始姿态时的工件姿态用矩阵表示为I1toBMat，并保存该计算结果数据，计算公式如下:I1toBMat＝Tool0toBMat·ItoToolMat；(8)根据示教工件的姿态进行打磨路径的自动纠偏：至少包括计算机器人的打磨起始姿态的步骤，机器人的打磨起始姿态用矩阵表示为Tool2toBMat，计算公式如下：Tool2toBMat＝I1toBMat·TooltoIMat，其中，TooltoIMat表示ItoToolMat的逆矩阵，机器人根据计算的Tool2toBMat自动变换姿态从而实现机器人工件平面磨路径的自动纠偏。
2.根据权利要求1所述的基于3D视觉的机器人打磨路径自动纠偏方法，其特征在于，所述步骤(4)中，工件在输送线上运输，工件到达预定位置后使用2D视觉进行2维定位，当工件位置发生变化后，对工件进行三维视觉的定位，计算工件位置变换前后的位姿，根据工件新位姿重复步骤(5)、步骤(7)和步骤(8)得到工件的打磨姿态，从而实现工件的打磨路径自动纠偏。
3.根据权利要求2所述的基于3D视觉的机器人打磨路径自动纠偏方法，其特征在于，平面磨的砂轮固定在平面磨房的立柱上，机器人抓取的工件经过3D视觉系统定位后抓取工件去靠近砂轮进行工件的打磨。
4.根据权利要求3所述的基于3D视觉的机器人打磨路径自动纠偏方法，其特征在于，所述相机为3D线激光相机，3D线激光相机安装在平面磨房上并接好线缆。
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