CN111360832A - 提高破拆机器人末端工具远程对接精度的方法 - Google Patents

Abstract

提高破拆机器人远程对接精度的方法，基于破拆机器人远程对接系统。方法步骤如下：1、建立坐标系；2、引入补偿坐标系；3、获取{W}相对于{T}的齐次变换矩阵

本发明提供了一种破拆机器人末端工具远程换装的对接误差补偿方法，该方法通过引入设置在破拆机器人机械臂末端的第一装配体上的参考坐标系{R}，使基于齐次变换矩阵

得到的对接过程的实时相对位置更精确，对接过程中的位置误差大幅缩小，破拆机器人末端工具换装过程中的误差从cm级降至mm级，可充分满足远程换装精度需求。

Description

提高破拆机器人末端工具远程对接精度的方法

技术领域

本发明涉及机器人远程对接技术领域，特别是一种提高破拆机器人末端工具远程对接精度的方法。

背景技术

破拆机器人因其动作的灵活性、可靠性及高效性，已在很多场景中得到广泛应用。但在实际应用过程中，往往需要一台破拆机器人处理数种不同产品或不同工艺过程，则该破拆机器人需要相应的匹配数种不同的末端工具，常见的末端工具包括铲斗、液压锤、液压剪、液压钳、切割机等。在一些危险环境下(例如核辐射、高温、低温等)，破拆机器人可通过远程控制换装末端工具，无需操作人员直接进入破拆机器人的工作环境。

破拆机器人可通过快换装置实现末端工具的换装，所述快换装置包括连接在破拆机器人机械臂末端的第一装配体和用于连接末端工具的第二装配体，第一装配体与第二装配体可对接或分离，分离过程为对接过程的逆过程。

对接过程可分为四个阶段：

初始阶段：末端工具连接在第二装配体上，并摆放在换装区域内，破拆机器人移动至末端工具附近；

预备阶段：破拆机器人通过机械臂带动第一装配体移动至预备点位置，此时机械臂正对第二装配体；

对接阶段，破拆机器人通过机械臂带动第一装配体移动至对接点位置，此时机械臂对接坐标系的原点与末端工具对接坐标系的原点重合，或机械臂对接坐标系的任意两条坐标轴与末端工具对接坐标系的对应坐标轴重合；

对齐阶段，破拆机器人的机械臂进行旋转或平移，使机械臂对接坐标系与末端工具对接坐标系完全重合，即完成第一装配体与第二装配体的连接。

破拆机器人在换装过程中的坐标系建立如图3所示，{B}为机器人机身坐标系，{W}为第一装配体对接点坐标系，{T}为第二装配体对接点坐标系，{C}为固定安装在机器人机身上的相机坐标系。实现破拆机器人远程换装末端工具的关键问题是：获取第二装配体对接点坐标系{T}相对于第一装配体对接点坐标系{W}的齐次变换矩阵

并保证尽可能小的位置误差。

参看图4，破拆机器人在换装过程中的误差主要由两部分组成：1、第一装配体对接点真实值{W₁}与第一装配体对接点测量值{W₂}之间的误差e_W；2、第二装配体对接点真实值{T₁}与第二装配体对接点测量值{T₂}之间的误差e_T。

关于误差e_T的分析：

通过在第二装配体上粘贴AprilTag 36h11系列标签，再由BASLER avA1600-50gm型工业相继获取各标签的姿态，最后通过计算输出相机坐标系{C}相对于第二装配体对接点坐标系{T}的齐次变换矩阵

AprilTag 36h11系列标签的捆绑标定方法、识别算法及可视化采用apriltag_ros工具包实现。

关于误差e_W的分析：

对破拆机器人进行测绘，可获得破拆机器人的机械臂参数。如图3所示，关节{1}、{2}、{3}、{4}、{5}均为转动副，转动角度分别为θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅，关节之间的连杆长度分别为l₁、l₂、l₃、l₄、l₅、w_x、w_y。θ₁为破拆机器人底盘上的回转液压马达驱动所产生的关节转角，已调整为一个固定值不再变动。θ₂～θ₅为液压油缸驱动相应的连杆产生的关节转角，θ₂采用倾角数字传感器直接测量，θ₃～θ₅先采用直线位移传感器对对应油缸的长度进行测量，再将测量得到的模拟量用16位AD转换器转换为数字信号，接着采用倾角仪测量对应连杆的夹角，最终将油缸长度值与对应的连杆夹角值进行多项式拟合得出。结合以上参数，可获取机器人机身坐标系{B}至第一装配体对接点坐标系{W}的齐次变换矩阵

由于破拆机器人的机械臂是由多根连杆依次铰接而成，各节连杆的长度测量值和角度计算值存在误差累加的现象，导致误差e_W难以控制。

综上所述，由于存在难以控制的误差e_W，导致无法满足破拆机器人远程换装末端工具的精度要求。可见，将误差e_W控制在较低水平，是提高破拆机器人远程换装末端工具的精度的关键。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，而提供一种提高破拆机器人末端工具远程对接精度的方法，它解决了目前破拆机器人远程换装末端工具精度低的问题。

本发明的技术方案是：提高破拆机器人末端工具远程对接精度的方法，基于破拆机器人远程对接系统；破拆机器人远程对接系统包括破拆机器人、快换装置及末端工具；破拆机器人包括机身、安装在机身上的相机及连接在机身上的机械臂；快换装置包括连接在破拆机器人机械臂末端的第一装配体和用于连接末端工具的第二装配体，第一装配体与第二装配体可对接或分离；末端工具连接在快换装置的第二装配体上；

方法步骤如下：

S01，建立坐标系：

建立以下坐标系：机器人机身坐标系{B}，第一装配体对接点坐标系{W}，第二装配体对接点坐标系{T}，相机坐标系{C}，参考坐标系{R}；

本步骤中，参考坐标系{R}建立在第一装配体上，参考坐标系{R}的获取是先在第一装配体上粘贴AprilTag 36h11系列标签，再通过相机获取所述标签的姿态，最后通过计算输出参考坐标系{R}的姿态；

S02，引入补偿坐标系：

a、引入第二装配体补偿坐标系{T_adjust}，通过{T_adjust}使等式1成立，并通过等式1计算{T_adjust}，

等式1：

b、引入补偿相机坐标系{C_offset}，通过{C_offset}实现等式2和等式3的成立，并通过等式4计算{C_offset}，

等式2：

等式3：

等式4：

本步骤中，a、b分步骤不分先后次序；

本步骤中，R′和W′均为测算值，R和W均为实际值；

S03，获取{W}相对于{T}的齐次变换矩阵

在等式2、3成立的前提下，可推导出等式5，通过等式5获取{W}相对于{T}的齐次变换矩阵

等式5：

本步骤中，R′和W′均为测算值，R和W均为实际值。

本发明进一步的技术方案是：S01步骤中，参考坐标系{R}的获取是将3块AprilTag36h11系列标签进行捆绑标定，分别求取各标签与参考坐标系{R}的齐次变换矩阵，再由相机获取各标签姿态后，通过计算统一输出参考坐标系{R}的姿态。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

提供了一种破拆机器人末端工具(例如铲斗、液压锤、液压剪、液压钳、切割机等)远程换装的对接误差补偿方法，该方法通过引入设置在破拆机器人机械臂末端的第一装配体上的参考坐标系{R}，使基于齐次变换矩阵

得到的对接过程的实时相对位置更精确，对接过程中的位置误差大幅缩小，破拆机器人末端工具换装过程中的误差从cm级降至mm级，可充分满足远程换装精度需求。

以下结合图和实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明的破拆机器人换装过程中的坐标系建立位置示意图；

图2为本发明的破拆机器人换装过程中的坐标变换示意图；

图3为现有技术的破拆机器人换装过程中的坐标系建立位置示意图；

图4为现有技术的破拆机器人换装过程中的坐标变换示意图。

具体实施方式

实施例1：

如图1-2所示，提高破拆机器人末端工具远程对接精度的方法，基于破拆机器人远程对接系统。破拆机器人远程对接系统包括破拆机器人、快换装置及末端工具。

破拆机器人包括机身、安装在机身上的相机及连接在机身上的机械臂。快换装置包括连接在破拆机器人机械臂末端的第一装配体和用于连接末端工具的第二装配体，第一装配体与第二装配体可对接或分离；末端工具连接在快换装置的第二装配体上；

方法步骤如下：

S01，建立坐标系：

建立以下坐标系：机器人机身坐标系{B}，第一装配体对接点坐标系{W}，第二装配体对接点坐标系{T}，相机坐标系{C}，参考坐标系{R}；

本步骤中，参考坐标系{R}建立在第一装配体上，参考坐标系{R}的获取是先在第一装配体上粘贴AprilTag 36h11系列标签，再通过相机获取所述标签的姿态，最后通过计算输出参考坐标系{R}的姿态；

S02，引入补偿坐标系：

a、引入第二装配体补偿坐标系{T_adjust}，通过{T_adjust}使等式1成立，并通过等式1计算{T_adjust}，

等式1：

b、引入补偿相机坐标系{C_offset}，通过{C_offset}实现等式2和等式3的成立，并通过等式4计算{C_offset}，

等式2：

等式3：

等式4：

本步骤中，a、b分步骤不分先后次序；

本步骤中，R′和W′均为测算值，R和W均为实际值；

S03，获取{W}相对于{T}的齐次变换矩阵

在等式2、3成立的前提下，可推导出等式5，通过等式5获取{W}相对于{T}的齐次变换矩阵

等式5：

本步骤中，R′和W′均为测算值，R和W均为实际值。

优选，S01步骤中，参考坐标系{R}的获取是将3块AprilTag 36h11系列标签进行捆绑标定，分别求取各标签与参考坐标系{R}的齐次变换矩阵，再由相机获取各标签姿态后，通过计算统一输出参考坐标系{R}的姿态。

本发明将原先由第一装配体对接点坐标系{W}→机器人机身坐标系{B}→第二装配体对接点坐标系{T}来求解换装过程中的坐标变换，改进为由第一装配体对接点坐标系{W}→参考坐标系{R}→第二装配体对接点坐标系{T}来求解换装过程中的坐标变换。本发明通过实时补偿相机坐标系{C}，将末端工具换装过程中难以消除的绝对误差转换为容易控制的相对误差，可充分满足远程换装精度需求。

Claims (2)

1.提高破拆机器人末端工具远程对接精度的方法，基于破拆机器人远程对接系统；破拆机器人远程对接系统包括破拆机器人、快换装置及末端工具；破拆机器人包括机身、安装在机身上的相机及连接在机身上的机械臂；快换装置包括连接在破拆机器人机械臂末端的第一装配体和用于连接末端工具的第二装配体，第一装配体与第二装配体可对接或分离；末端工具连接在快换装置的第二装配体上；

其特征是，方法步骤如下：

S01，建立坐标系：

建立以下坐标系：机器人机身坐标系{B}，第一装配体对接点坐标系{W}，第二装配体对接点坐标系{T}，相机坐标系{C}，参考坐标系{R}；

本步骤中，参考坐标系{R}建立在第一装配体上，参考坐标系{R}的获取是先在第一装配体上粘贴AprilTag36h11系列标签，再通过相机获取所述标签的姿态，最后通过计算输出参考坐标系{R}的姿态；

S02，引入补偿坐标系：

a、引入第二装配体补偿坐标系{T_adjust}，通过{T_adjust}使等式1成立，并通过等式1计算{T_adjust}，

等式1：

b、引入补偿相机坐标系{C_offset}，通过{C_offset}实现等式2和等式3的成立，并通过等式4计算{C_offset}，

等式2：

等式3：

等式4：

本步骤中，a、b分步骤不分先后次序；

本步骤中，R′和W′均为测算值，R和W均为实际值；

S03，获取{W}相对于{T}的齐次变换矩阵

在等式2、3成立的前提下，可推导出等式5，通过等式5获取{W}相对于{T}的齐次变换矩阵

等式5：

本步骤中，R′和W′均为测算值，R和W均为实际值。

2.如权利要求1所述的提高破拆机器人末端工具远程对接精度的方法，其特征是：S01步骤中，参考坐标系{R}的获取是将3块AprilTag36h11系列标签进行捆绑标定，分别求取各标签与参考坐标系{R}的齐次变换矩阵，再由相机获取各标签姿态后，通过计算统一输出参考坐标系{R}的姿态。

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