CN113042675A - 用于自动抓钉机器人的多功能末端执行器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于自动抓钉机器人的多功能末端执行器及其使用方法，包括法兰盘、铆钉识别相机、固定支架、铆钉检测相机、真空吸嘴、无杆气缸、背光源、弹簧、搅拌杆、搅拌杆套筒、端盖、激光位移传感器、直线轴承组成；多功能末端执行器通过法兰盘与工业机器人的末端相连接；固定支架用于固定元件和相互连接；搅拌杆用于相机无法继续识别铆钉时对铆钉进行搅拌；真空吸嘴通过无杆气缸上下运动；铆钉检测相机配合背光源检测抓取铆钉的长度和直径信息。本发明涉及机器人送钉技术领域，能够解决现有技术可靠性差、送钉效率低的问题。

Description

用于自动抓钉机器人的多功能末端执行器及其使用方法

技术领域

本发明涉及飞机装配中的机器人送钉领域，尤其涉及一种用于自动抓钉机器人的多功能末端执行器及其使用方法。

背景技术

在飞机自动化钻铆作业中，由于铆钉型号众多、数量巨大且自动钻铆效率较高，故能够准确高效地为自动钻铆系统输送铆钉是必须的。

目前的方案中，如公告号为CN101733355B的发明中,采用振动盘对铆钉进行排列再输送，存在振动盘体积大、故障率高，振动噪音大，整体送钉速度较慢，并且输送的铆钉种类和数量有限，无法满足需要飞机自动化钻铆作业的需要；公告号为CN109290506B的发明中，通过末端上的双目视觉来识别抓取多种型号铆钉。但该方案在实际应用中，需要将储料架中的铆钉预先送至抓取工位再执行视觉检验与抓取，且铆钉不能重叠，有时则需要抓取工位震动铆钉后才能再次进行视觉检测，无法应对实际加工过程中铆钉散堆的情况，整体工作效率也较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种用于自动抓钉机器人的多功能末端执行器及方法，该多功能末端执行器集成了铆钉识别抓取和检测功能，对于散堆铆钉无需预送和排列即可精准识别并抓取；抓取结束后，可以做到实时对抓取的铆钉直径和长度进行检测，与理论值进行对比，确保送钉的准确性，整体工作效率高。

为实现上述技术目的，本发明的实施例采取如下技术方案：

一种用于自动抓钉机器人的多功能末端执行器，通过法兰盘与工业机器人的末端相连接，法兰盘与固定支架相连接，多功能末端执行器还包括激光位移传感器、铆钉识别相机和真空吸嘴，真空吸嘴通过气管与外界的真空发生器相连接，激光位移传感器和铆钉识别相机分别固定在固定支架上，用于获取待抓取的铆钉空间位姿，其中：固定支架上安装有铆钉检测相机、背光源以及无杆气缸，无杆气缸通过真空吸嘴支架与真空吸嘴相连接，并且无杆气缸能带着真空吸嘴做上下往复运动，当真空吸嘴移动至其下限位时，能抓取铆钉，当真空吸嘴移动至其上限位时，真空吸嘴抓取的铆钉正好位于铆钉检测相机和背光源之间，铆钉检测相机能对铆钉进行拍照并识别。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的铆钉检测相机通过铆钉检测相机支架安装在固定支架上，铆钉识别相机通过铆钉识别相机支架安装在固定支架上，激光位移传感器通过激光位移传感器支架安装在固定支架上，激光位移传感器配合铆钉识别相机用于获得所要抓取铆钉的空间位姿。

上述的铆钉识别相机的相机镜头竖直向下方拍照，激光位移传感器的镜头激光竖直向下照射。

上述的固定支架上安装有搅拌杆，搅拌杆用于对散堆铆钉进行搅拌。

上述的搅拌杆末端通过弹簧与搅拌杆的主体部分连接，弹簧使得搅拌杆末端可弹性伸缩。

上述的搅拌杆通过搅拌杆套筒安装在固定支架上，搅拌杆套筒内腔中安装有直线轴承，搅拌杆从搅拌杆套筒内腔穿过，并同时穿过直线轴承，直线轴承通过安装在搅拌杆套筒内腔两侧的端盖限位于搅拌杆套筒内腔中，搅拌杆从搅拌杆套筒穿出的一端通过螺母固定，直线轴承用于保持搅拌杆与搅拌杆套筒的同轴度。

上述的铆钉检测相机支架水平面和竖直面上设有开孔，用于固定与真空吸嘴连接的气管，防止真空吸嘴上下往复运动时造成气管弯折。

一种用于自动抓钉机器人的多功能末端执行器的使用方法，包括以下步骤：

S1、构造所要识别目标铆钉的标准灰度值图像模板，并将该模板离线存储在铆钉识别相机的视觉处理程序中；构造所要检测目标铆钉的标准外轮廓图像模板，并将该模板离线存储在铆钉识别相机的视觉处理程序中；

S2、工业机器人携带着多功能末端执行器运动至所要识别的目标铆钉上方，调用铆钉识别相机构造的此铆钉的标准模板，基于绝对误差和的模板匹配方法来估算所要识别铆钉的X、Y位置和姿态；

S3、结合抓取铆钉的精度要求，使工业机器人携带铆钉识别相机进行重复定位拍照，即工业机器人到达上一次估算得到的位置后再次进行拍照估算，获得更为精确的X、Y位置和姿态，重复定位拍照两次可将估算的位置误差降低到1mm以下；

S4、确定所要识别铆钉的精确X、Y位置和位姿后，激光位移传感器将激光光束射向该位置即可获得所要抓取铆钉的Z位置，然后反馈给工业机器人，通过调整姿态使真空吸嘴到达能够抓取铆钉的位置上方；

S5、真空吸嘴通过无杆气缸运动至下限位，真空发生器开启，使真空吸嘴能够吸附起所要抓取的铆钉；

S6、真空吸嘴抓取到铆钉后又通过无杆气缸运动至上限位，处于铆钉检测相机可拍照检测范围内时，背光源开启后，铆钉检测相机对真空吸嘴抓取的铆钉进行检测，获取该铆钉的直径和长度信息,并与所构造的外轮廓模板进行匹配，与理论值进行对比；

S7、若铆钉检测出的直径和长度与理论值一致，则工业机器人调整姿态将抓取的铆钉投入送钉管中,从而完成抓取工作；若铆钉检测出的直径和长度与理论值不一致，则工业机器人调整姿态将抓取的铆钉舍弃，投入废料盒中，然后重复上述S1-S6步骤。

步骤S1中：当激光位移传感器配合铆钉识别相机在抓取一段时间后出现铆钉倾斜角度过大甚至竖直站立，无法继续识别的情况时，工业机器人可调整姿态使搅拌杆竖直向下，并对铆钉盒里面的铆钉进行搅拌，搅拌完成后继续进行铆钉的识别和抓取。

本发明具有以下有益效果：

1）本发明的多功能末端执行器结构配置简单，运动部件采用无杆气缸，不易出现故障，可靠性高。

2）本发明的铆钉检测相机和背光源组合可以在末端执行器上就对真空吸嘴所抓取的铆钉进行相应检测，无需工业机器人再运动至额外的检测位，然后把铆钉放置于检测盘上检测抓取的铆钉，减少抓送钉过程中所花费的时间，显著提高抓送钉效率。

3）本发明的搅拌杆套筒内安装有直线轴承，保证搅拌杆在搅拌时的与搅拌杆套筒的同轴度，避免搅拌杆在搅拌时的卡死。

4）本发明的铆钉检测相机支架上还设有开孔，用于固定真空吸嘴所接出的气管，避免真空吸嘴在上下限位转换时气管弯折，导致所抓取的铆钉掉落。

附图说明

图1为本发明一种用于自动抓钉机器人的多功能末端执行器轴测图；

图2为本发明的多功能末端执行器固定支架后侧连接示意图；

图3为本发明的搅拌杆套筒组件剖视图。

其中的附图标记为： 搅拌杆-1、弹簧-2、法兰盘-3、固定支架-4、激光位移传感器支架-5、铆钉识别相机支架-6、激光位移传感器-7、铆钉识别相机-8、背光源-9、真空吸嘴支架-10、真空吸嘴-11、无杆气缸-12、铆钉检测相机-13、铆钉检测相机支架-14、螺母-15、搅拌杆套筒-16、端盖-17、直线轴承-18。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

本发明实施例提供一种基于机器人视觉的自动送钉系统，如图1-3所示，包括：一种用于自动抓钉机器人的多功能末端执行器，多功能末端执行器由搅拌杆1、弹簧2、法兰盘3、固定支架4、激光位移传感器支架5、铆钉识别相机支架6、激光位移传感器7、铆钉识别相机8、背光源9、真空吸嘴支架10、真空吸嘴11、无杆气缸12、铆钉检测相机13、铆钉检测相机支架14、螺母15、搅拌杆套筒16、端盖17、直线轴承18组成；多功能末端执行器通过法兰盘3与工业机器人的末端相连接；固定支架4与法兰盘3相连接，用于固定末端执行器上的其余支架和工作元件；铆钉识别相机8通过铆钉识别相机支架6与固定支架4相连接；使相机镜头竖直向下方拍照；铆钉检测相机13通过铆钉检测相机支架14与固定支架4相连接；铆钉检测相机13对抓取的铆钉进行拍照；搅拌杆1通过搅拌杆套筒16与固定支架4相连接；激光位移传感器7通过激光位移传感器支架5与固定支架4相连接，安装于搅拌杆1的下侧，并保证镜头激光竖直向下照射；无杆气缸12和背光源9安装于固定支架4上；无杆气缸12竖直安装保证气缸运动方向为上下往返运动；背光源9保证安装于铆钉检测相机13视野中的位置；真空吸嘴11通过真空吸嘴支架10与无杆气缸12相连接；抓取铆钉时，真空吸嘴11通过无杆气缸12运动至下限位；检测铆钉时，真空吸嘴11又通过无杆气缸12运动至上限位，此时真空吸嘴11所抓取的铆钉位于背光源9的中心位置；真空吸嘴11通过气管接入真空发生器，保证真空吸嘴11能够吸附起所要抓取的铆钉；为避免真空吸嘴11在上下运动时，造成气管弯折导致抓取的铆钉掉落，气管通过铆钉检测相机支架14上的开孔固定；搅拌杆1上安装的弹簧2使得搅拌杆1可弹性滑动对铆钉进行搅拌，螺母15对搅拌杆1起到限位的作用；搅拌杆套筒16内安装有直线轴承18，左右安装的端盖17可避免直线轴承18的滑落；直线轴承18保证搅拌杆1在搅拌时的与搅拌杆套筒16的同轴度，防止搅拌杆1在搅拌时的卡死；铆钉检测相机13与背光源9组成铆钉检测模块，用于检出真空吸嘴11到达上限位时所抓取铆钉的直径和长度。

本发明还提供了上述用于自动抓钉机器人的多功能末端执行器的抓送钉方法，包括以下步骤：

S1、构造所要识别目标铆钉的标准灰度值图像模板，并将该模板离线存储在铆钉识别相机6的视觉处理程序中；构造所要检测目标铆钉的标准外轮廓图像模板，并将该模板离线存储在铆钉识别相机13的视觉处理程序中；

S2、工业机器人携带着多功能末端执行器运动至所要识别的目标铆钉上方，调用铆钉识别相机13构造的此铆钉的标准模板，基于绝对误差和的模板匹配方法来估算所要识别铆钉的X、Y位置和姿态；

S3、结合抓取铆钉的精度要求，使工业机器人携带铆钉识别相机13进行重复定位拍照，即工业机器人到达上一次估算得到的位置后再次进行拍照估算，获得更为精确的X、Y位置和姿态，重复定位拍照两次可将估算的位置误差降低到1mm以下；

S4、确定所要识别铆钉的精确X、Y位置和位姿后，激光位移传感器7将激光光束射向该位置即可获得所要抓取铆钉的Z位置，然后反馈给工业机器人，通过调整姿态使真空吸嘴11到达能够抓取铆钉的位置上方；

S5、真空吸嘴11通过无杆气缸12运动至下限位，真空发生器开启，使真空吸嘴11能够吸附起所要抓取的铆钉；

S6、真空吸嘴11抓取到铆钉后又通过无杆气缸12运动至上限位，处于铆钉检测相机13可拍照检测范围内时，背光源9开启后，铆钉检测相机13对真空吸嘴11抓取的铆钉进行检测，获取该铆钉的直径和长度信息,并与所构造的外轮廓模板进行匹配，与理论值进行对比；

S7、若铆钉检测出的直径和长度与理论值一致，则工业机器人调整姿态将抓取的铆钉投入送钉管中,从而完成抓取工作；若铆钉检测出的直径和长度与理论值不一致，则工业机器人调整姿态将抓取的铆钉舍弃，投入废料盒中，然后重复上述S1-S6步骤。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于自动抓钉机器人的多功能末端执行器，通过法兰盘（3）与工业机器人的末端相连接，法兰盘（3）与固定支架（4）相连接，多功能末端执行器还包括激光位移传感器(7)、铆钉识别相机（8）和真空吸嘴（11），真空吸嘴（11）通过气管与外界的真空发生器相连接，激光位移传感器(7)和铆钉识别相机（8）分别固定在固定支架（4）上，用于获取待抓取的铆钉空间位姿，其特征在于：所述的固定支架（4）上安装有铆钉检测相机（13）、背光源（9）以及无杆气缸（12），所述的无杆气缸（12）通过真空吸嘴支架（10）与真空吸嘴（11）相连接，并且无杆气缸（12）能带着真空吸嘴（11）做上下往复运动，当真空吸嘴（11）移动至其下限位时，能抓取铆钉，当真空吸嘴（11）移动至其上限位时，真空吸嘴（11）抓取的铆钉正好位于铆钉检测相机（13）和背光源（9）之间，所述的铆钉检测相机（13）能对铆钉进行拍照并识别。

2.根据权利要求1所述的一种用于自动抓钉机器人的多功能末端执行器,其特征在于:所述的铆钉检测相机（13）通过铆钉检测相机支架（14）安装在固定支架（4）上，所述的铆钉识别相机（8）通过铆钉识别相机支架（6）安装在固定支架（4）上，所述的激光位移传感器（7）通过激光位移传感器支架（5）安装在固定支架（4）上，激光位移传感器（7）配合铆钉识别相机（8）用于获得所要抓取铆钉的空间位姿。

3.根据权利要求2所述的一种用于自动抓钉机器人的多功能末端执行器,其特征在于:所述的铆钉识别相机（8）的相机镜头竖直向下方拍照，所述的激光位移传感器（7）的镜头激光竖直向下照射。

4.根据权利要求3所述的一种用于自动抓钉机器人的多功能末端执行器,其特征在于:所述的固定支架（4）上安装有搅拌杆（1），所述的搅拌杆（1）用于对散堆铆钉进行搅拌。

5.根据权利要求4所述的一种用于自动抓钉机器人的多功能末端执行器,其特征在于:所述的搅拌杆（1）末端通过弹簧（2）与搅拌杆（1）的主体部分连接，弹簧（2）使得搅拌杆（1）末端可弹性伸缩。

6.根据权利要求5所述的一种用于自动抓钉机器人的多功能末端执行器,其特征在于:所述的搅拌杆（1）通过搅拌杆套筒（16）安装在固定支架（4）上，搅拌杆套筒（16）内腔中安装有直线轴承（18），所述的搅拌杆（1）从搅拌杆套筒（16）内腔穿过，并同时穿过直线轴承（18），所述的直线轴承（18）通过安装在搅拌杆套筒（16）内腔两侧的端盖（17）限位于搅拌杆套筒（16）内腔中，所述的搅拌杆（1）从搅拌杆套筒（16）穿出的一端通过螺母（15）固定，所述的直线轴承（18）用于保持搅拌杆（1）与搅拌杆套筒（16）的同轴度。

7.根据权利要求6所述的一种用于自动抓钉机器人的多功能末端执行器,其特征在于:所述的铆钉检测相机支架（14）水平面和竖直面上设有开孔，用于固定与真空吸嘴（11）连接的气管，防止真空吸嘴（11）上下往复运动时造成气管弯折。

8.权利要求7所述的一种用于自动抓钉机器人的多功能末端执行器的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、构造所要识别目标铆钉的标准灰度值图像模板，并将该模板离线存储在铆钉识别相机（6）的视觉处理程序中；构造所要检测目标铆钉的标准外轮廓图像模板，并将该模板离线存储在铆钉识别相机（13）的视觉处理程序中；

S2、工业机器人携带着多功能末端执行器运动至所要识别的目标铆钉上方，调用铆钉识别相机（13）构造的此铆钉的标准模板，基于绝对误差和的模板匹配方法来估算所要识别铆钉的X、Y位置和姿态；

S3、结合抓取铆钉的精度要求，使工业机器人携带铆钉识别相机（13）进行重复定位拍照，即工业机器人到达上一次估算得到的位置后再次进行拍照估算，获得更为精确的X、Y位置和姿态，重复定位拍照两次可将估算的位置误差降低到1mm以下；

S4、确定所要识别铆钉的精确X、Y位置和位姿后，激光位移传感器（7）将激光光束射向该位置即可获得所要抓取铆钉的Z位置，然后反馈给工业机器人，通过调整姿态使真空吸嘴（11）到达能够抓取铆钉的位置上方；

S5、真空吸嘴（11）通过无杆气缸（12）运动至下限位，真空发生器开启，使真空吸嘴（11）能够吸附起所要抓取的铆钉；

S6、真空吸嘴（11）抓取到铆钉后又通过无杆气缸（12）运动至上限位，处于铆钉检测相机（13）可拍照检测范围内时，背光源（9）开启后，铆钉检测相机（13）对真空吸嘴（11）抓取的铆钉进行检测，获取该铆钉的直径和长度信息,并与所构造的外轮廓模板进行匹配，与理论值进行对比；

S7、若铆钉检测出的直径和长度与理论值一致，则工业机器人调整姿态将抓取的铆钉投入送钉管中,从而完成抓取工作；若铆钉检测出的直径和长度与理论值不一致，则工业机器人调整姿态将抓取的铆钉舍弃，投入废料盒中，然后重复上述S1-S6步骤。

9.根据权利要求8所述的一种用于自动抓钉机器人的多功能末端执行器的使用方法，其特征在于，步骤S1中：当激光位移传感器（7）配合铆钉识别相机（6）在抓取一段时间后出现铆钉倾斜角度过大甚至竖直站立，无法继续识别的情况时，工业机器人可调整姿态使搅拌杆（1）竖直向下，并对铆钉盒里面的铆钉进行搅拌，搅拌完成后继续进行铆钉的识别和抓取。

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