CN113093356B - 一种基于机械臂的大型分块光学组件装配方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于机械臂的大型分块光学组件装配方法，属于大型分块光学组件装配技术领域。本发明采用基于标记点的双目视觉系统对机械臂进行引导。提出了“分步走”逐点逼近的装配方法，通过视觉引导修正误差，提高最终的装配精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于机械臂的大型分块光学组件装配方法，属于大型分块光学组件装配技术领域。
背景技术
目前，大型分块光学组件仍然采用人工手动装配的方式完成，这种方式对于规格小、重量轻及分块镜数量少的光学组件尚可以适用。但是，随着分块光学组件中单个分块镜尺寸、重量越来越大，数量越来越多，单纯依靠人工手动方式进行装配，无法保证产品安全性、可靠性及装配精度一致性。
随着工业机器人及智能制造技术的不断进步，工业机器人开始广泛应用到越来越多的领域。但是由于工业机器人绝对定位精度差，尤其是应用于范围大，行程远的场景时，往往无法满足装配的要求。因此装配领域通常引入基于特征识别的工业相机或者激光跟踪仪等精密仪器设备来引导机器人进行装配。(1)激光跟踪仪虽然具有测量范围大、精度高和良好的动态测量特性等优点，但是必须搭配靶球使用。对于大型分块光学组件这种结构复杂及空间紧凑的产品，有时存在无法布置靶球的现象。(2)激光跟踪仪在空间场内通常无法移动，当进行大行程装配时，机械臂通常需要抓取工件进行复杂的位姿调整，此时容易造成靶球遮挡，出现跟踪丢失的问题。(3)激光跟踪仪虽然可以进行动态跟踪但是跟踪速度有限，当机械臂带动工件进行快速移动时容易超出激光跟踪仪的跟踪速度造成丢失。(4)基于特征识别的工业相机，不仅对于光线环境有严格的要求，而且当对大量同样特征的产品装配时，容易造成无法识别或者识别错误，造成装配终止或者出错的问题。(5)目前对于视觉相机的应用，大都将工业相机固定在某个位置，设置视场。此种情况不仅视觉识别范围小，装配前需要特意将工件挪动到视场内进行识别，不适用于大空间、大行程、工件放置分散的装配模式。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于机械臂的大型分块光学组件装配方法，采用基于标记点的双目视觉系统对机械臂进行引导。提出了“分步走”逐点逼近的装配方法，通过视觉引导修正误差，提高最终的装配精度。
本发明的技术解决方案是：一种基于机械臂的大型分块光学组件装配方法，包括如下步骤：
步骤1，搭建装配系统；所述装配系统包括双机械臂、单目相机、双目相机、末端执行器、用于控制双机械臂、双目相机进行协同工作的中央控制系统、快换小车和货架；
步骤2，粘贴标记点，用于表征装配场景三维空间、工件抓取及装配位姿关系；
步骤3，建立装配场景三维空间、工件抓取及装配关系；
步骤4，进行双机械臂位置标定；
步骤5，确定分块镜装配顺序；
步骤6，规划机械臂路径；
步骤7，将分块镜放置到货架上；
步骤8，快换小车移动到机械臂I抓取末端执行器的位置，机械臂I抓取末端执行器；
步骤9，快换小车移动到机械臂II抓取双目相机的位置，机械臂II抓取双目相机；
步骤10，机械臂II带动双目相机移动到抓取工件位置，拍摄并识别工件当前位姿，进行解算，获取结果后发送给中央控制系统；
步骤11，中央控制系统将抓取位置发送给机械臂I，控制机械臂I移动到工件抓取位置，通过末端执行器完成工件抓取。
步骤12，机械臂II带动双目视觉系统移动到装配工件位置，拍摄当前工件状态，进行解算，获取装配位置后发送给中央控制系统；
步骤13，中央控制系统将接收到的装配位置发送给机械臂I，控制机械臂I移动工件进行装配；
步骤14，根据所述分块镜装配顺序，重复步骤8～13，完成所有分块镜的装配；
步骤15，装配完成后，双机械臂将各自抓取的末端执行器放回到快换小车上。
进一步地，所述步骤1中，根据双机械臂运行轨迹范围及分块光学组件外包络对装配场景进行布置，确定大型分块光学组件支撑主体位置、双机械臂位置、货架位置、快换小车位置以及末端执行器摆放的位置，使得双机械臂运行轨迹与快换小车、分块镜、货架、主体框架不干涉。
进一步地，所述粘贴标记点，包括如下步骤：
对待装配的每个分块镜粘贴视觉标记点；
在工件末端执行器上粘贴标记点；
对装配场景内的主体框架、货架及主体框架放置位置粘贴标记点。
进一步地，所述建立装配场景三维空间、抓取及装配关系包括如下步骤：
使用单目相机对装配场景内整个系统若干角度拍摄照片，相邻照片应有重叠标记点用于过渡；全部照片连接起来包括控制场系统360°范围；
控制机械臂，使末端执行器对每个分块镜进行抓取，使用单目相机拍摄此时工件与末端执行器之间的照片，处理后获得工件抓取位姿关系；
将每个分块镜装配到控制场最终装配位置，使用单目相机拍摄此时工件与控制场主框架之间的状态，处理后获得工件装配位姿关系。
进一步地，所述步骤4的双机械臂位置标定中，一台机械臂抓取双目相机，移动到标定位置，另一台机械臂抓取靶标球在双目相机视场及装配场景内沿着预设标定点移动；之后双机械臂交换双目相机及靶标球，同样抓取靶标球的机械臂在双目相机视场及装配场景内沿着预设标定点移动；对两次移动的结果进行处理，完成双机械臂位置标定。
进一步地，所述分块镜装配顺序为：先内后外，顺逆时针依次装配，中间穿插末端执行器的交换。
进一步地，所述规划机械臂路径中，将整个分块光学组件装配分为抓取和装配两个步骤；两个步骤以中间过渡点为分界线；其中抓取和装配过程中各存在一个预设起点和终点，抓取和装配预设起点和终点与中间过渡点之间的轨迹为人工预设路径；抓取和装配起点和终点之间的过程为视觉引导装配。
进一步地，所述步骤11工件抓取过程中，在抓取路径中设置四个中间点，距离目标位置依次为250mm、100mm、10mm、5mm；在中间点时视觉对机械臂位置进行实时识别，修正过程机械臂运动及位姿误差，指导机械臂最终完成抓取过程。
进一步地，所述步骤13工件装配过程中，在装配路径中设置五个中间点，距离目标位置依次为350mm、200mm、100mm、10mm、5mm；在中间点时视觉对机械臂及工件位姿状态进行实时识别，修正过程机械臂运动及位姿误差，指导机械臂最终完成工件装配过程。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提出一种基于机械臂的大型分块光学组件装配方法，提出了“分步走”逐点逼近视觉引导修正误差的装配方法，通过视觉引导修正误差，提高最终的装配精度。
(2)本发明采用了基于标记点的视觉识别方式，降低了传统视觉基于特征识别方式对于光线环境的依赖程度，解决了对于存在大量同种特征的产品时，容易造成无法识别或者识别错误，造成装配终止或者出错的问题。
附图说明
图1为本发明装配流程图；
图2为本发明分块镜装配顺序图；
图3为本发明抓取、装配过程逻辑图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种基于机械臂的大型分块光学组件装配方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1～3所示)：
步骤1，搭建装配系统；所述装配系统包括双机械臂、单目相机、双目相机、末端执行器、用于控制双机械臂、双目相机进行协同工作的中央控制系统、快换小车和货架；
步骤2，粘贴标记点，用于表征装配场景三维空间、工件抓取及装配位姿关系；
步骤3，建立控制场装配场景三维空间、工件抓取及装配关系；
步骤4，进行双机械臂位置标定；
步骤5，确定分块镜装配顺序；
步骤6，规划机械臂路径；
步骤7，将分块镜放置到货架上；
步骤8，快换小车移动到机械臂I抓取末端执行器的位置，机械臂I抓取末端执行器；
步骤9，快换小车移动到机械臂II抓取双目相机的位置，机械臂II抓取双目相机；
步骤10，机械臂II带动双目相机移动到抓取工件位置，拍摄并识别工件当前位姿，进行解算，获取结果后发送给中央控制系统；
步骤11，中央控制系统将抓取位置发送给机械臂I，控制机械臂I移动到工件抓取位置，通过末端执行器完成工件抓取。
步骤12，机械臂II带动双目视觉系统移动到装配工件位置，拍摄当前工件状态，进行解算，获取装配位置后发送给中央控制系统；
步骤13，中央控制系统将接收到的装配位置发送给机械臂I，控制机械臂I移动工件进行装配；
步骤14，根据所述分块镜装配顺序，重复步骤8～13，完成所有分块镜的装配；
步骤15，装配完成后，双机械臂将各自抓取的末端执行器放回到快换小车上。
作为进一步补充说明：
步骤1中，装配环镜包括双机械臂、单目相机、双目相机、末端执行器、中央控制系统，快换小车，货架。
根据双机械臂运行轨迹范围及分块光学组件外包络对装配环境进行布置，
规划大型分块光学组件支撑主体位置，双机械臂位置，货架位置，快换小车位置，末端执行器摆放的位置。保证双机械臂运行轨迹与快换小车、分块镜、货架、主体框架不干涉。
步骤2粘贴标记点，包括如下子步骤：
2.1对待装配的每个分块镜粘贴视觉标记点；
由于待装配分块镜数量多、外观相差无几、镜子支撑结构空间狭窄紧凑、且分块镜镜面禁止粘贴标记点的特点。因此，在分块镜上粘贴视觉标记点时，需认真考虑点位布局，尽量粘贴有显著的规律区别，提高视觉识别效率。
2.2在工件末端执行器上粘贴标记点
2.3对大型分块光学组件控制场内粘贴标记点
由于大型分块光学组件面积大，跨度远，因此粘贴标记点时应“布局均匀，重点突出”，对于整个完整的三维空间需均匀布置标记点，保证三维空间关系的完整性与过渡准确性。而对于分块镜装配位置重点粘贴保证满足装配关系精度要求。
步骤3建立控制场、抓取及装配关系，包括如下子步骤：
3.1拍摄控制场
使用单目相机对控制场整个系统各个角度拍摄照片，相邻照片应有重叠标记点用于过渡。
3.2拍摄工件抓取状态
控制机械臂，使末端执行器对每个分块镜进行抓取，使用单目相机拍摄此时工件与末端执行器之间的照片，处理后获得工件抓取位姿关系。
3.3拍摄工件装配状态
将每个分块镜装配到控制场最终装配位置，使用单目相机拍摄此时工件与控制场主框架之间的状态，处理后获得工件装配位姿关系。
在步骤4系统标定中，双机械臂采用交互模式，一台机械臂抓取双目视觉，移动到标定位置，另一台机械臂抓取靶标球在视觉及控制场内沿着预设标定点移动；之后双机械臂交换双目视觉及靶标球，抓取靶标球的机械臂在视觉及控制场内沿着预设标定点移动，系统处理，完成整个系统的标定。
在步骤5策划分块光学组件子分块镜装配顺序中根据工件支架、双机械臂空间布局及工件之间的位置关系进行装配顺序规划。采用先内后外，顺逆时针依次装配，中间穿插末端执行器的交换。
在步骤6规划机械臂路径中，将整个分块光学组件装配分为抓取和装配两个步骤。两个步骤以中间过渡点为分界线。其中抓取和装配过程中各存在1个预设起点和终点，抓取和装配预设起点和终点与中间过渡点之间的轨迹为人工预设路径，保证中途过程无干扰。抓取和装配起点和终点之间的过程为视觉引导自动装配。
在步骤11工件抓取过程中，采用“分步走”逐点逼近的策略，在抓取路径中设置4个中间点，距离目标位置依次为250mm、100mm、10mm、5mm。在中间点时视觉对机械臂位置进行实时识别，修正过程机械臂运动及位姿误差，指导机械臂最终完成抓取过程。
在步骤13工件装配过程中，采用“分步走”逐点逼近的策略进行装配。在装配路径中设置5个中间点，距离目标位置依次为350mm、200mm、100mm、10mm、5mm。在中间点时视觉对机械臂及工件位姿状态进行实时识别，修正装配过程中机械臂运动及位姿误差，指导机械臂最终完成工件装配过程。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.一种基于机械臂的大型分块光学组件装配方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，搭建装配系统；所述装配系统包括双机械臂、单目相机、双目相机、末端执行器、用于控制双机械臂、双目相机进行协同工作的中央控制系统、快换小车和货架；
步骤2，粘贴标记点，用于表征装配场景三维空间、工件抓取及装配位姿关系；
步骤3，建立装配场景三维空间、工件抓取及装配关系；
步骤4，进行双机械臂位置标定；
步骤5，确定分块镜装配顺序；
步骤6，规划机械臂路径；
步骤7，将分块镜放置到货架上；
步骤8，快换小车移动到机械臂I抓取末端执行器的位置，机械臂I抓取末端执行器；
步骤9，快换小车移动到机械臂II抓取双目相机的位置，机械臂II抓取双目相机；
步骤10，机械臂II带动双目相机移动到抓取工件位置，拍摄并识别工件当前位姿，进行解算，获取结果后发送给中央控制系统；
步骤11，中央控制系统将抓取位置发送给机械臂I，控制机械臂I移动到工件抓取位置，通过末端执行器完成工件抓取；
步骤12，机械臂II带动双目视觉系统移动到装配工件位置，拍摄当前工件状态，进行解算，获取装配位置后发送给中央控制系统；
步骤13，中央控制系统将接收到的装配位置发送给机械臂I，控制机械臂I移动工件进行装配；
步骤14，根据所述分块镜装配顺序，重复步骤8～13，完成所有分块镜的装配；
步骤15，装配完成后，双机械臂将各自抓取的末端执行器放回到快换小车上；
所述规划机械臂路径中，将整个分块光学组件装配分为抓取和装配两个步骤；两个步骤以中间过渡点为分界线；其中抓取和装配过程中各存在一个预设起点和终点，抓取和装配预设起点和终点与中间过渡点之间的轨迹为人工预设路径；抓取和装配起点和终点之间的过程为视觉引导装配；
所述步骤11工件抓取过程中，在抓取路径中设置四个中间点，距离目标位置依次为250mm、100mm、10mm、5mm；在中间点时视觉对机械臂位置进行实时识别，修正过程机械臂运动及位姿误差，指导机械臂最终完成抓取过程；
所述步骤13工件装配过程中，在装配路径中设置五个中间点，距离目标位置依次为350mm、200mm、100mm、10mm、5mm；在中间点时视觉对机械臂及工件位姿状态进行实时识别，修正过程机械臂运动及位姿误差，指导机械臂最终完成工件装配过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于机械臂的大型分块光学组件装配方法，其特征在于：所述步骤1中，根据双机械臂运行轨迹范围及分块光学组件外包络对装配场景进行布置，确定大型分块光学组件支撑主体位置、双机械臂位置、货架位置、快换小车位置以及末端执行器摆放的位置，使得双机械臂运行轨迹与快换小车、分块镜、货架、主体框架不干涉。
3.根据权利要求1所述的一种基于机械臂的大型分块光学组件装配方法，其特征在于，所述粘贴标记点，包括如下步骤：
对待装配的每个分块镜粘贴视觉标记点；
在工件末端执行器上粘贴标记点；
对装配场景内的主体框架、货架及主体框架放置位置粘贴标记点。
4.根据权利要求1所述的一种基于机械臂的大型分块光学组件装配方法，其特征在于，所述建立装配场景三维空间、抓取及装配关系包括如下步骤：
使用单目相机对装配场景内整个系统若干角度拍摄照片，相邻照片应有重叠标记点用于过渡；全部照片连接起来包括控制场系统360°范围；
控制机械臂，使末端执行器对每个分块镜进行抓取，使用单目相机拍摄此时工件与末端执行器之间的照片，处理后获得工件抓取位姿关系；
将每个分块镜装配到控制场最终装配位置，使用单目相机拍摄此时工件与控制场主框架之间的状态，处理后获得工件装配位姿关系。
5.根据权利要求1所述的一种基于机械臂的大型分块光学组件装配方法，其特征在于：所述步骤4的双机械臂位置标定中，一台机械臂抓取双目相机，移动到标定位置，另一台机械臂抓取靶标球在双目相机视场及装配场景内沿着预设标定点移动；之后双机械臂交换双目相机及靶标球，同样抓取靶标球的机械臂在双目相机视场及装配场景内沿着预设标定点移动；对两次移动的结果进行处理，完成双机械臂位置标定。
6.根据权利要求1所述的一种基于机械臂的大型分块光学组件装配方法，其特征在于，所述分块镜装配顺序为：先内后外，顺逆时针依次装配，中间穿插末端执行器的交换。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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