CN111975788A - 一种scara机械手点胶系统的标定方法 - Google Patents

一种scara机械手点胶系统的标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SCARA机械手点胶系统的标定方法，所述点胶系统包括有SCARA型的机械手、相机和点胶阀，所述标定方法基于预设的标定程序实现，所述标定方法包括如下步骤：步骤S1，相机自身标定，用于标定出相机的内部参数以及矫正相机畸变；步骤S2，采用示教的方式标定出相机中心与机械手坐标系之间的关系；步骤S3，所述标定程序自动标定出相机坐标系与预设的坐标板坐标系之间的关系；步骤S4，所述标定程序自动标定出相机中心与机械手坐标系之间的关系；步骤S5，采用示教的方式标定出点胶阀中心与相机中心之间的关系；步骤S6，所述标定程序自动标定出点胶阀中心与相机中心之间的关系；步骤S7，标定完成。本发明操作方便、操作用时少、可提高生产效率。

Description

一种SCARA机械手点胶系统的标定方法
技术领域
本发明涉及SCARA机械手点胶系统，尤其涉及一种SCARA机械手点胶系统的标定方法。
背景技术
现有技术中，SCARA机械手具有体量小、速度快、精准度高等特点，目前正广泛用于3C行业中，可用于完成组装、搬运、点胶等工序。对于点胶工艺而言，目前带视觉的机械手系统，其点胶路径的规划主要依赖人眼观察点胶位置手动示教，而视觉只是做了初步的来料位置矫正动作，为了满足工艺和精度的要求，存在反复示教、操作不便、工作量大等问题，这种情况在复杂的路径规划中尤为突出。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种操作方便、操作用时少、可提高生产效率的SCARA机械手点胶系统的标定方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种SCARA机械手点胶系统的标定方法，所述点胶系统包括有SCARA型的机械手、相机和点胶阀，所述相机安装于所述机械手的支臂上，所述点胶阀安装于所述机械手的执行端，所述标定方法基于预设的标定程序实现，所述标定方法包括如下步骤：步骤S1，相机自身标定，用于标定出相机的内部参数以及矫正相机畸变；步骤S2，采用示教的方式标定出相机中心与机械手坐标系之间的关系；步骤S3，所述标定程序自动标定出相机坐标系与预设的坐标板坐标系之间的关系；步骤S4，所述标定程序自动标定出相机中心与机械手坐标系之间的关系；步骤S5，采用示教的方式标定出点胶阀中心与相机中心之间的关系；步骤S6，所述标定程序自动标定出点胶阀中心与相机中心之间的关系；步骤S7，标定完成。
优选地，所述步骤S1中，相机自身标定过程采用张正友标定法，用以提高后续图像处理过程中的像素精度。
优选地，所述步骤S4中，采用D-H法建立机械手的坐标系，当相机安装在机械手的第二臂时，相机中心的运动学方程表示为：
Figure BDA0002355115500000021
其中，θ1和θ2为机械手旋转角度的已知量，参数a、b、c、d、e和f分别为待求量；
所述处理器自动标定相机中心与机械手坐标系的过程包括：步骤S40，先在标定板上均匀选取10个圆；步骤S41，操作机械手移动，使相机中心移动至所选取的圆的中心，记录此时机械手的关节参数(θ1，θ2)和圆点对应的坐标(Xcc，Ycc)；步骤S42，重复执行步骤S41，记录10组数据，然后将记录的数据输入到预设的点胶软件中，点胶软件采用最小二乘法计算运动学方程中的未知量，初步得到相机中心的运动学方程；步骤S43，移动相机至标定板的中心位置，调整光源亮度，得到中间区域小标定板的高对比图像，先使用BLOB得到图中每个圆的粗略位置，再使用圆测量工具精确得到圆的位置；步骤S44，根据标定板上每个圆的间距，自动计算出每个圆的物理坐标，得到所有数据之后，即可标定相机坐标系和标定板坐标系的关系
Figure BDA0002355115500000031
并记录机械手的状态(θ1c，θ2c)值；步骤S45，移动相机到其他位置，结合此时的机械手的状态变化，计算Mark到相机中心的移动量；步骤S46，初步标定完成，采用阵列方式把标定板上所有大圆的坐标粗略示教出来，标定程序在每个位置精确计算出相机中心和大圆中心对应时的位置(θ1，θ2，Xcc，Ycc)；步骤S47，当所有点完成之后，采用LM算法，精确计算相机中心的运动学方程。
优选地，所述点胶系统中，点胶阀安装在第Z轴上，在运动过程中保持旋转轴不动，则相机为中心和点胶阀中心，存在如下关系：
Figure BDA0002355115500000032
其中，Xg和Yg是点胶阀中心的坐标，x和y是相机中心坐标，α、tx和ty为待求参数；
所述步骤S6中，标定点胶阀中心与相机中心之间关系的过程包括：步骤S60，先在标定板上选取10个大圆，移动点胶阀使点胶阀中心和圆的中心重合，读取机械手的关节参数，使用步骤S4中得到的运动学方程，计算出相机中心的坐标(Xc，Yc)，此时点胶阀的中心坐标即为圆心的坐标；步骤S61，得到10组对应的坐标之后，利用最小二乘法，运算得到
Figure BDA0002355115500000033
的粗解；步骤S62，采用阵列的方式，在Wcam坐标系中得到每个大圆的粗略位置，根据已得到的
Figure BDA0002355115500000034
计算出点胶阀移动至此位置时的坐标；步骤S63，点胶阀移动完成后执行点胶动作，待点胶完成后，再次移动相机，通过图像处理的方法得到点胶位置坐标；步骤S64，重复执行步骤S63，得到所有点胶位置，采用RANSAC+LM组合算法计算
Figure BDA0002355115500000035
的精确值。
本发明公开的SCARA机械手点胶系统的标定方法中，其通过视觉拍照来编辑点胶轨迹，编程人员只需在相机画面中操作就可完成任务，相机的路径到点胶阀的路径转换工作由程序自动完成。相比现有技术而言，本发明采用了新的标定方法来标定相机中心和机械手位置、胶阀位置的关系，待标定完成之后，不仅可以矫正来料的位置偏差，而且可以简单快捷地编辑复杂的点胶路径和通过导入dxf文件的方式直接生成路径，由此可见，本发明不仅操作方便、操作用时少，还可提高生产效率，较好地满足了生产要求。
附图说明
图1为本发明SCARA机械手点胶系统的标定方法的流程图；
图2为标定板的示意图；
图3为SCARA机械手的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
本发明公开了一种SCARA机械手点胶系统的标定方法，其在一个大标定板上建立起以相机中心为TCP点的坐标系Wcam，运动机构是SCARA机械手，需建立Wcam和机械手坐标WRobot的联系，执行机构是点胶阀，需要建立点胶阀和相机中心相对关系矩阵
Figure BDA0002355115500000041
结合图1至图3所示，所述点胶系统包括有SCARA型的机械手、相机和点胶阀，所述相机安装于所述机械手的支臂上，所述点胶阀安装于所述机械手的执行端，所述标定方法基于预设的标定程序实现，所述标定方法包括如下步骤：
步骤S1，相机自身标定，用于标定出相机的内部参数以及矫正相机畸变；
步骤S2，采用示教的方式标定出相机中心与机械手坐标系之间的关系；
步骤S3，所述标定程序自动标定出相机坐标系与预设的坐标板坐标系之间的关系；
步骤S4，所述标定程序自动标定出相机中心与机械手坐标系之间的关系；
步骤S5，采用示教的方式标定出点胶阀中心与相机中心之间的关系；
步骤S6，所述标定程序自动标定出点胶阀中心与相机中心之间的关系；
步骤S7，标定完成。
上述方法中，在一般情况下，将相机安装在SCARA机械手第二关节上，其姿态在各个位置不一样，而且相机位置相对于点胶阀位置也一直在变化，在此基础上，本发明通过视觉拍照来编辑点胶轨迹，编程人员只需在相机画面中操作就可完成任务，相机的路径到点胶阀的路径转换工作由程序自动完成。相比现有技术而言，本发明采用了新的标定方法来标定相机中心和机械手位置、胶阀位置的关系，待标定完成之后，不仅可以矫正来料的位置偏差，而且可以简单快捷地编辑复杂的点胶路径和通过导入dxf文件的方式直接生成路径，由此可见，本发明不仅操作方便、操作用时少，还可提高生产效率，较好地满足了生产要求。
进一步地，所述步骤S1中，相机自身标定过程采用张正友标定法，用以提高后续图像处理过程中的像素精度。
本实施例中，所述步骤S4中，采用D-H法建立机械手的坐标系，当相机安装在机械手的第二臂时，相机中心的运动学方程表示为：
Figure BDA0002355115500000051
其中，θ1和θ2为机械手旋转角度的已知量，参数a、b、c、d、e和f分别为待求量；
所述处理器自动标定相机中心与机械手坐标系的过程包括：
步骤S40，先在标定板上均匀选取10个圆；
步骤S41，操作机械手移动，使相机中心移动至所选取的圆的中心，记录此时机械手的关节参数(θ1，θ2)和圆点对应的坐标(Xcc，Ycc)；
步骤S42，重复执行步骤S41，记录10组数据，然后将记录的数据输入到预设的点胶软件中，点胶软件采用最小二乘法计算运动学方程中的未知量，初步得到相机中心的运动学方程；
步骤S43，移动相机至标定板的中心位置，调整光源亮度，得到中间区域小标定板的高对比图像，先使用BLOB得到图中每个圆的粗略位置，再使用圆测量工具精确得到圆的位置；
步骤S44，根据标定板上每个圆的间距，自动计算出每个圆的物理坐标，得到所有数据之后，即可标定相机坐标系和标定板坐标系的关系
Figure BDA0002355115500000061
并记录机械手的状态(θ1c，θ2c)值；
步骤S45，移动相机到其他位置，结合此时的机械手的状态变化，计算Mark到相机中心的移动量；
步骤S46，初步标定完成，采用阵列方式把标定板上所有大圆的坐标粗略示教出来，标定程序在每个位置精确计算出相机中心和大圆中心对应时的位置(θ1，θ2，Xcc，Ycc)；
步骤S47，当所有点完成之后，采用LM算法，精确计算相机中心的运动学方程。
作为一种优选方式，所述点胶系统中，点胶阀安装在第Z轴上，在运动过程中保持旋转轴不动，则相机为中心和点胶阀中心，存在如下关系：
Figure BDA0002355115500000071
其中，Xg和Yg是点胶阀中心的坐标，x和y是相机中心坐标，α、tx和ty为待求参数；
所述步骤S6中，标定点胶阀中心与相机中心之间关系的过程包括：
步骤S60，先在标定板上选取10个大圆，移动点胶阀使点胶阀中心和圆的中心重合，读取机械手的关节参数，使用步骤S4中得到的运动学方程，计算出相机中心的坐标(Xc，Yc)，此时点胶阀的中心坐标即为圆心的坐标；
步骤S61，得到10组对应的坐标之后，利用最小二乘法，运算得到
Figure BDA0002355115500000074
的粗解；
步骤S62，采用阵列的方式，在Wcam坐标系中得到每个大圆的粗略位置，根据已得到的
Figure BDA0002355115500000072
计算出点胶阀移动至此位置时的坐标；
步骤S63，点胶阀移动完成后执行点胶动作，待点胶完成后，再次移动相机，通过图像处理的方法得到点胶位置坐标；
步骤S64，重复执行步骤S63，得到所有点胶位置，采用RANSAC+LM组合算法计算
Figure BDA0002355115500000073
的精确值。
本发明公开的SCARA机械手点胶系统的标定方法，其相比现有技术而言的有益效果在于，本发明操作方便、快速，有助于提高生产效率。
以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (4)

1.一种SCARA机械手点胶系统的标定方法，其特征在于，所述点胶系统包括有SCARA型的机械手、相机和点胶阀，所述相机安装于所述机械手的支臂上，所述点胶阀安装于所述机械手的执行端，所述标定方法基于预设的标定程序实现，所述标定方法包括如下步骤：
步骤S1，相机自身标定，用于标定出相机的内部参数以及矫正相机畸变；
步骤S2，采用示教的方式标定出相机中心与机械手坐标系之间的关系；
步骤S3，所述标定程序自动标定出相机坐标系与预设的坐标板坐标系之间的关系；
步骤S4，所述标定程序自动标定出相机中心与机械手坐标系之间的关系；
步骤S5，采用示教的方式标定出点胶阀中心与相机中心之间的关系；
步骤S6，所述标定程序自动标定出点胶阀中心与相机中心之间的关系；
步骤S7，标定完成。
2.如权利要求1所述的SCARA机械手点胶系统的标定方法，其特征在于，所述步骤S1中，相机自身标定过程采用张正友标定法，用以提高后续图像处理过程中的像素精度。
3.如权利要求1所述的SCARA机械手点胶系统的标定方法，其特征在于，所述步骤S4中，采用D-H法建立机械手的坐标系，当相机安装在机械手的第二臂时，相机中心的运动学方程表示为：
Figure FDA0002355115490000011
其中，θ1和θ2为机械手旋转角度的已知量，参数a、b、c、d、e和f分别为待求量；
所述处理器自动标定相机中心与机械手坐标系的过程包括：
步骤S40，先在标定板上均匀选取10个圆；
步骤S41，操作机械手移动，使相机中心移动至所选取的圆的中心，记录此时机械手的关节参数(θ1，θ2)和圆点对应的坐标(Xcc，Ycc)；
步骤S42，重复执行步骤S41，记录10组数据，然后将记录的数据输入到预设的点胶软件中，点胶软件采用最小二乘法计算运动学方程中的未知量，初步得到相机中心的运动学方程；
步骤S43，移动相机至标定板的中心位置，调整光源亮度，得到中间区域小标定板的高对比图像，先使用BLOB得到图中每个圆的粗略位置，再使用圆测量工具精确得到圆的位置；
步骤S44，根据标定板上每个圆的间距，自动计算出每个圆的物理坐标，得到所有数据之后，即可标定相机坐标系和标定板坐标系的关系
Figure FDA0002355115490000021
并记录机械手的状态(θ1c，θ2c)值；
步骤S45，移动相机到其他位置，结合此时的机械手的状态变化，计算Mark到相机中心的移动量；
步骤S46，初步标定完成，采用阵列方式把标定板上所有大圆的坐标粗略示教出来，标定程序在每个位置精确计算出相机中心和大圆中心对应时的位置(θ1，θ2，Xcc，Ycc)；
步骤S47，当所有点完成之后，采用LM算法，精确计算相机中心的运动学方程。
4.如权利要求3所述的SCARA机械手点胶系统的标定方法，其特征在于，所述点胶系统中，点胶阀安装在第Z轴上，在运动过程中保持旋转轴不动，则相机为中心和点胶阀中心，存在如下关系：
Figure FDA0002355115490000031
其中，Xg和Yg是点胶阀中心的坐标，x和y是相机中心坐标，α、tx和ty为待求参数；
所述步骤S6中，标定点胶阀中心与相机中心之间关系的过程包括：
步骤S60，先在标定板上选取10个大圆，移动点胶阀使点胶阀中心和圆的中心重合，读取机械手的关节参数，使用步骤S4中得到的运动学方程，计算出相机中心的坐标(Xc，Yc)，此时点胶阀的中心坐标即为圆心的坐标；
步骤S61，得到10组对应的坐标之后，利用最小二乘法，运算得到
Figure FDA0002355115490000032
的粗解；
步骤S62，采用阵列的方式，在Wcam坐标系中得到每个大圆的粗略位置，根据已得到的
Figure FDA0002355115490000033
计算出点胶阀移动至此位置时的坐标；
步骤S63，点胶阀移动完成后执行点胶动作，待点胶完成后，再次移动相机，通过图像处理的方法得到点胶位置坐标；
步骤S64，重复执行步骤S63，得到所有点胶位置，采用RANSAC+LM组合算法计算
Figure FDA0002355115490000034
的精确值。
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