CN113352323B - 自动标定对位系统及方法 - Google Patents

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CN113352323B CN202110601327.4A CN202110601327A CN113352323B CN 113352323 B CN113352323 B CN 113352323B CN 202110601327 A CN202110601327 A CN 202110601327A CN 113352323 B CN113352323 B CN 113352323B
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Abstract

本发明提供了一种自动标定对位系统及方法，自动标定对位系统包括标定块、用于夹持所述标定块的至少两个标定夹爪以及能够相对所述标定块竖直移动的标定针，所述标定块的边缘处开设有供所述标定夹爪插入的夹槽，所述标定块的中心开设有供所述标定针竖直插入以校正所述标定块位置的中心孔。本发明提供的自动标定对位系统及方法，通过标定夹爪再次插入夹槽中以及将标顶针下降嵌入标定块的中心孔中，可以对标定块进行位置校对，可以使标定块的位置尽可能地放置准确，无需采用人工手动进行标定对位，进而提高标定对位的精度和效率。

Description

自动标定对位系统及方法
技术领域
本发明属于组装定位技术领域，更具体地说，是涉及一种自动标定对位系统及方法。
背景技术
近年来随着视觉技术的发展，视觉定位、引导和组装技术在自动化设备上得到了广发的应用。其中，视觉定位、引导与机械手自动组装结合的自动化设备在生产制造中起到了高效替代人工的作用。但是，设备调试的过程中视觉手眼标定和对位过程往往需要人工手动进行，效率低下且难以达到目标精度。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种自动标定对位系统及方法，以解决现有技术中存在的采用人工进行标定和对位导致效率低下且标定精度较低的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种自动标定对位装置，包括标定块、用于夹持所述标定块的至少两个标定夹爪以及能够相对所述标定块竖直移动的标定针，所述标定块的边缘处开设有供所述标定夹爪插入的夹槽，所述标定块的中心开设有供所述标定针竖直插入以校正所述标定块位置的中心孔。
在一个实施例中，所述夹槽的宽度自所述标定块的边缘至所述标定块的中心逐渐缩小。
在一个实施例中，所述夹槽具有两个相对设置的侧壁以及连接两个所述侧壁的底壁，两个所述侧壁的延长面相交于所述中心孔的中心轴处。
在一个实施例中，所述标定针包括依次连接的基准段、圆锥段以及圆柱段，所述圆锥段的顶角一端与所述圆柱段连接；所述中心孔包括用于与所述圆锥段配合的圆锥孔以及用于与所述圆柱段配合的圆柱孔。
本发明还提供一种自动标定对位系统，包括上述的自动标定对位装置，还包括机械手、用于对所述标定块拍照的拍照装置以及计算机，所述机械手和所述拍照装置均与所述计算机电性连接，所述标定夹爪和所述标定针均连接于所述机械手的末端。
本发明还提供一种自动标定对位方法，使用上述的自动标定对位系统，包括以下步骤：
机械手控制标定夹爪夹取标定块，设定第一个标定点的位置；
机械手将标定块移动并放置于第一个标定点，此时机械手的坐标为(XR1，YR1)；
机械手控制标定夹爪松开标定块，机械手上移使标定针与标定块脱离；
机械手回位至(XR1，YR1)，使标定针嵌入标定块的中心孔中，且标定夹爪夹紧标定块，对标定块的位置进行校正；
机械手控制标定夹爪松开标定块，并上向移动与标定块分离；
拍照装置对标定块拍照并计算标定块中心位置的坐标(XP1，YP1)；
机械手将标定块依次移动至剩余的标定点，重复上述标定步骤得出(XR2，YR2)至(XRn，YRn)和(XP2，YP2)至(XPn，YPn)(n≥3)，得到XR＝[XR1，XR2，…，XRn]，YR＝[YR1，YR2，…，YRn]，XP＝[XP1，XP2，…，XPn]，YP＝[YP1，YP2，…，YPn]。
在一个实施例中，在X方向的标定步长为dx，在Y方向上的标定步长为dy。
在一个实施例中，机械手的标定路径可呈矩阵设置、条形设置或者蛇形设置。
在一个实施例中，在机械手将标定块移动至下一标定点的步骤之前，判断当前的标定点是否为最后一个标定点，
若为最后一个标定点，则根据(XR，YR)＝(XP，YP)*T计算得出图像坐标系与机械手工作坐标系的转换矩阵T；
若不为最后一个标定点，则机械手将标定块移动至下一标定点。
本发明提供的自动标定对位系统及方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明自动标定对位系统通过设置标定夹爪和标定针，在标定块放置于标定位置时，可能会有位置偏移，通过标定夹爪再次插入夹槽中以及将标定针下降嵌入标定块的中心孔中，可以对标定块进行位置校对，可以使标定块的位置尽可能地放置准确，无需采用人工手动进行标定对位，进而提高标定对位的精度和效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的自动标定对位装置的立体结构图；
图2为本发明实施例提供的自动标定对位装置的爆炸结构图；
图3为本发明实施例提供的标定块的立体结构图；
图4为本发明实施例提供的标定块的俯视图；
图5为本发明实施例提供的自动标定对位系统的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的自动标定对位方法的流程图；
图7为本发明实施例提供的一种标定路径的示意图。
其中，图中各附图标记：
1-标定块；11-夹槽；111-侧壁；112-底壁；12-中心孔；121-圆锥孔；122-圆柱孔；2-标定夹爪；3-标定针；31-基准段；32-圆锥段；33-圆柱段；4-机械手；5-拍照装置；6-计算机。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
现对本发明实施例提供的自动标定对位装置进行说明。自动标定对位装置用于辅助引导机械手的设备调试，对机械手进行标定和对位，以提高加工装配时的精确度。
请一并参阅图1及图2，自动标定对位装置包括标定块1、标定夹爪2和标定针3，标定夹爪2的数量至少为两个，从而可以夹紧标定块1，标定块1的边缘处相应开设有夹槽11，标定夹爪2可以插入夹槽11中，以夹紧标定块1，而且在标定夹爪2伸入夹槽11中时，可以对标定块1进行定位，校正标定块1的位置。夹槽11的数量可与标定夹爪2的数量相同，标定夹爪2在夹紧标定块1时，对应的标定夹爪2伸入对应的夹槽11中。标定块1的中心开设有中心孔12，标定针3可以在竖直方向移动，标定针3向下移动时可嵌入标定块1的中心孔12中，在标定针3下移嵌入中心孔12的过程中，也会对标定块1有位置校正作用。因此，标定夹爪2在夹持标定块1的过程中，标定针3在嵌入中心孔12的过程中，均对标定块1的位置具有校正作用，使标定块1的放置位置更准确，后续捕捉到的标定块1的位置坐标也更准确。其中，标定块1夹爪和标定针3均连接在机械手4的基座上，标定夹爪2能够相对机械手4运动夹紧或者放松标定块1，标定针3能够在机械手4的作用下上下移动。对标定块1的位置进行校正的具体方法为：标定夹爪2夹持标定块1，并将标定块1移动至标定位置，松开标定夹爪2，在放置标定块1的过程中，标定块1可能会发生位置变化，然后标定夹爪2再次夹紧标定块1，且标定针3同时伸入中心孔12中，对标定块1的位置进行校正，然后松开标定夹爪2，最后上移标定针3，由于松开标定夹爪2时，标定针3仍然在对标定块1进行限位，标定块1移动的可能性较小，标定针3上移时也不会对标定块1的放置位置产生影响，因此可以尽可能使标定块1放置的位置准确。
上述实施例中的自动标定对位装置，通过设置标定夹爪2和标定针3，在标定块1放置于标定位置时，可能会有位置偏移，通过标定夹爪2再次插入夹槽11中以及将标定针3下降嵌入标定块1的中心孔12中，可以对标定块1进行位置校对，可以使标定块1的位置尽可能地放置准确，无需采用人工手动进行标定对位，进而提高标定对位的精度和效率。
其中，标定夹爪2可以进行开合运动，标定针3固定于基座上，在机械手4整体上移时，标定夹爪2和标定针3会同时上移。标定夹爪2可滑动连接于基座上，在需要夹紧标定块1时，各个标定夹爪2均朝向基座的中心滑动，在需要松开标定块1时，各个标定夹爪2则远离基座的中心滑动。标定夹爪2也可转动连接于基座上，在需要夹紧标定块1时，各个标定夹爪2均向内转动，在需要松开标定块1时，各个标定夹爪2均向外转动。
在本发明的其中一个实施例中，请参阅图3及图4，夹槽11的宽度自标定块1的边缘至标定块1的中心逐渐缩小，相应地，标定夹爪2的宽度自其中心至其边缘逐渐增大。这样，在标定夹爪2逐渐插入夹槽11的过程中，标定夹爪2不容易和夹槽11的内壁接触，只有在标定夹爪2完全插入夹槽11中时，标定夹爪2才会与夹槽11的内部接触，对标定块1进行定位；同样，在标定夹爪2逐渐脱离夹槽11的过程中，标定夹爪2也不容易和夹槽11的内壁接触，影响标定块1的放置位置。
可选地，夹槽11的形状为八字形，夹槽11的侧壁111呈平面状，这样在标定夹爪2插入夹槽11或者退出夹槽11时，标定夹爪2更不易与夹槽11的侧壁111相接触。
可选地，请参阅图3及图4，夹槽11具有两个相对设置的侧壁111，还具有底壁112，两个相对设置的侧壁111之间的距离自标定块1的边缘处至中心处逐渐减小，底壁112连接两个侧壁111，且底壁112靠近标定块1的中心处设置。在标定夹爪2插入夹槽11中时，标定夹爪2的侧壁与夹槽11的侧壁111相抵接，标定夹爪2的顶壁可以与夹槽11的底壁112相互抵接，也可以不与夹槽11的底壁112相互抵接。
可选地，夹槽11的两个侧壁111的延长面相交于中心孔12的中心轴处，这样，使得标定夹爪2在对标定块1夹持定位时，以及标定针3在对标定块1定位时，其定位参考点均为中心孔12的中心轴，使标定夹爪2的定位和标定针3的定位基准一致，避免出现定位基准不一致时，两个定位基准之间出现偏差的问题。需要说明的是，各个夹槽11的侧壁111延长面均相交于中心孔12的中心轴处，即各个标定夹爪2的定位基准均相同。
可选地，请参阅图3及图4，标定块1呈圆盘状，多个夹槽11周向间隔设置在标定块1的周圈处，中心孔12设置在标定块1的中心处。这样，标定块1以其中心为基准，其周向方向各个位置的质量相当，质量中心仍然在标定块1的中心，在标定夹爪2夹持标定块1时，不会出现标定块1的一侧较重，而导致标定块1倾斜的情况。
在本发明的其中一个实施例中，请参阅图2，标定针3包括基准段31、圆锥段32和圆柱段33，基准段31、圆锥段32和圆柱段33沿标定针3的轴向方向依次连接，圆锥段32的顶角一端和圆柱段33连接，圆锥段32和圆柱段33均用于伸入中心孔12中。中心孔12包括相互连接的圆锥孔121和圆柱孔122，圆锥孔121用于与圆锥段32配合，圆柱孔122用于与圆柱段33配合。在标定针3插入中心孔12中时，圆柱段33首先进入圆锥孔121中，不会与圆锥孔121的侧壁111接触，然后进入圆柱孔122中，才会对标定块1起到位置校正的作用。圆锥孔121和圆柱孔122设置的作用在于，使圆柱段33能够在圆锥孔121的导向下顺利进入圆柱孔122中，避免标定针3下移时无法对准插入圆柱孔122。
在其他实施例中，标定针3包括基准段31和圆锥段32，中心孔12至少包括圆锥孔121，圆锥孔121与圆锥段32配合，也能在标定针3下移的过程中，对标定块1进行校正定位。但上述圆柱段33和中心孔12的设置使得标定针3对标定块1的校正定位更加精准，标定块1的放置误差也会更小。
可选地，基准段31呈圆柱形，更便于标定针3的加工，使标定针3各段的中心轴更容易在加工过程中保持一致，因此能够减小加工误差。基准段31呈圆柱形设置时，基准段31的直径大于圆柱段33的直径。
本发明还提供一种自动标定对位系统，请参阅图5，自动标定对位系统包括上述任一实施例中的自动标定对位装置，还包括机械手4、拍照装置5和计算机6，拍照装置5和机械手4均与计算机6电性连接，计算机6可控制机械手4的运动，拍照装置5用于对标定块1进行拍照，获取标定块1的中心位置的坐标，然后上传至计算机6，由计算机6进行处理和计算。标定夹爪2和标定针3均连接在机械手4的末端，即连接在机械手4的基座上。
其中，在机械手4控制标定夹爪2把标定块1夹持移动并放置在标定位置上，然后松开标定夹爪2，机械手4上移，标定块1在标定夹爪2松开的过程中可能会移动位置，为了矫正标定块1的位置，机械手4再次下降，标定针3插入中心孔12中，标定夹爪2插入夹槽11中夹紧标定块1，对标定块1进行矫正定位，然后标定夹爪2张开，机械手4上移，标定针3与标定块1脱离，由于标定针3和标定块1在除了竖直方向的其他方向上都没有相互作用，因此能够保证标定针3的放置位置较为准确，不会发生变化。在机械手4移走后，拍照装置5对标定块1进行拍照，获取标定块1的坐标(如标定块1中心处的坐标)，将标定块1的坐标与机械手4放置标定块1时的坐标相对比，即可得出标定块1坐标和机械手4坐标的转换矩阵，便于后续的装配和加工。
上述实施例中的自动标定对位系统，通过设置标定夹爪2和标定针3，在标定块1放置于标定位置时，可能会有位置偏移，通过标定夹爪2再次插入夹槽11中以及将标定针3下降嵌入标定块1的中心孔12中，可以对标定块1进行位置校对，可以使标定块1的位置尽可能地放置准确，无需采用人工手动进行标定对位，进而提高标定对位的精度和效率。
本发明还提供一种自动标定对位方法，使用上述的自动标定对位系统对标定块1进行对位，请参阅图6，自动标定对位方法包括以下步骤：
S10：机械手4控制标定夹爪2夹取标定块1，设定第一个标定点的位置；
S20：机械手4将标定块1移动并放置于第一个标定点，此时机械手4的坐标为(XR1，YR1)；
S30：机械手4控制标定夹爪2松开标定块1，机械手4上移使标定针3与标定块1脱离；
S40：机械手4回位至(XR1，YR1)，使标定针3嵌入标定块1的中心孔12中，且标定夹爪2夹紧标定块1，对标定块1的位置进行校正；
S50：机械手4控制标定夹爪2松开标定块1，并上向移动与标定块1分离；
S60：拍照装置5对标定块1拍照并计算标定块1中心位置的坐标(XP1，YP1)；
S70：机械手4将标定块1依次移动至剩余的标定点，重复上述标定步骤得出(XR2，YR2)至(XRn，YRn)和(XP2，YP2)至(XPn，YPn)(n≥3)，得到XR＝[XR1，XR2，…，XRn]，YR＝[YR1，YR2，…，YRn]，XP＝[XP1，XP2，…，XPn]，YP＝[YP1，YP2，…，YPn]；
S80：根据(XR，YR)＝(XP，YP)*T计算得出图像坐标系与机械手工作坐标系的转换矩阵T。
其中，在步骤S10中，机械手4控制标定夹爪2夹取标定块1时，标定针3此时插在标定块1的中心孔12中，第一个标定点的位置可以根据具体情况选定，其具体位置此处不作限定；在步骤S40中，可先将标定针3嵌入标定块1的中心孔12中，然后标定夹爪2夹紧标定块1，通过标定针3对标定块1进行初步定位后，然后标定夹爪2夹紧标定块1进行再次定位，防止出现标定针3无法插入标定块1的情况出现。
在步骤S70中，重复上述标定步骤即为重复步骤S10至S60，机械手4将标定块1依次移动至剩余的标定点，各个标定点即组成了标定路径，在第n次标定过程中(n≥3)，机械手4坐标为(XRn，YRn)，计算机6根据在标定点采集的图像计算出标定块1中心位置的坐标(XPn，YPn)，得到XR＝[XR1，XR2，…，XRn]，YR＝[YR1，YR2，…，YRn]，XP＝[XP1，XP2，…，XPn]，YP＝[YP1，YP2，…，YPn]。
在步骤S80中，根据公式(XR，YR)＝(XP，YP)*T+A图像坐标系与机械手4工作坐标系的转换矩阵T，其中A是图像坐标系与机械手4工作坐标系的偏移向量，在现有的标定对位方法中A中的X轴偏移量和Y轴偏移量通常需要经过繁琐的人工对位获得，且难以保证精度。在本发明中，通过标定块1与标定针3的紧密配合保证了图像坐标系与机械手4工作坐标系偏移向量A中的X轴偏移量和Y轴偏移量，从而高效且准确的达成了对位工作，即可得出(XR，YR)＝(XP，YP)*T。
在步骤S80之前的任一步骤均可以设置标定步长，标定步长即为标定块1从其中一个标定点移动至下一个标定点所需移动的距离，标定块1在一次对位完成后可沿X方向移动，标定步长为dx，也可以沿Y方向移动，标定步长为dy。请参阅图7，标定块1在第一次对位完成后沿X方向移动，在第二次对位完成后沿X方向移动，在第三次对位完成后沿Y方向移动，在第四次对位完成后沿X方向移动。在X方向移动时的标定步长为dx，在Y方向移动时的标定步长为dy。由图7可以得出，标定块1的标定路径呈蛇形设置，使标定块1既会向X方向移动，也会向Y方向移动，因此可以同时消除X方向和Y方向上的误差。在其他实施例中，标定块1也可只在X方向移动，标定步长为dx，标定路径则呈条形设置，标定块1也可只在Y方向移动，标定步长为dy，标定路径也呈条形设置。标定路径还可呈回字形设置、矩阵设置等。
在步骤S80之前，即在每次机械手4即将使标定块1移动至下一个标定点之前，都需判断当前的标定点是否为最后一个标定点：若为最后一个标定点，则根据(XR，YR)＝(XP，YP)*T计算得出图像坐标系与机械手工作坐标系的转换矩阵T；若不为最后一个标定点，则机械手4将标定块1移动至下一标定点，继续进行标定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.自动标定对位系统，其特征在于，包括标定块、用于夹持所述标定块的至少两个标定夹爪以及能够相对所述标定块竖直移动的标定针，所述标定块的边缘处开设有供所述标定夹爪插入的夹槽，所述标定块的中心开设有供所述标定针竖直插入以校正所述标定块位置的中心孔，所述自动标定对位系统还包括机械手、用于对所述标定块拍照的拍照装置以及计算机，所述机械手和所述拍照装置均与所述计算机电性连接，所述标定夹爪和所述标定针均连接于所述机械手的末端。
2.如权利要求1所述的自动标定对位系统，其特征在于，所述夹槽的宽度自所述标定块的边缘至所述标定块的中心逐渐缩小。
3.如权利要求2所述的自动标定对位系统，其特征在于，所述夹槽具有两个相对设置的侧壁以及连接两个所述侧壁的底壁，两个所述侧壁的延长面相交于所述中心孔的中心轴处。
4.如权利要求1所述的自动标定对位系统，其特征在于，所述标定针包括依次连接的基准段、圆锥段以及圆柱段，所述圆锥段的顶角一端与所述圆柱段连接；所述中心孔包括用于与所述圆锥段配合的圆锥孔以及用于与所述圆柱段配合的圆柱孔。
5.自动标定对位方法，使用权利要求1-4任一项中的自动标定对位系统，其特征在于，包括以下步骤：
机械手控制标定夹爪夹取标定块，设定第一个标定点的位置；
机械手将标定块移动并放置于第一个标定点，此时机械手的坐标为(XR1，YR1)；
机械手控制标定夹爪松开标定块，机械手上移使标定针与标定块脱离；
机械手回位至(XR1，YR1)，使标定针嵌入标定块的中心孔中，且标定夹爪夹紧标定块，对标定块的位置进行校正；
机械手控制标定夹爪松开标定块，并上向移动与标定块分离；
拍照装置对标定块拍照并计算标定块中心位置的坐标(XP1，YP1)；
机械手将标定块依次移动至剩余的标定点，重复上述标定步骤得出(XR2，YR2)至(XRn，YRn)和(XP2，YP2)至(XPn，YPn)，得到XR＝[XR1，XR2，…，XRn]，YR＝[YR1，YR2，…，YRn]，XP＝[XP1，XP2，…，XPn]，YP＝[YP1，YP2，…，YPn]，其中，n≥3。
6.如权利要求5所述的自动标定对位方法，其特征在于，在X方向的标定步长为dx，在Y方向上的标定步长为dy。
7.如权利要求5所述的自动标定对位方法，其特征在于，机械手的标定路径可呈矩阵设置、条形设置或者蛇形设置。
8.如权利要求5所述的自动标定对位方法，其特征在于，在机械手将标定块移动至下一标定点的步骤之前，判断当前的标定点是否为最后一个标定点，
若为最后一个标定点，则根据(XR，YR)＝(XP，YP)*T计算得出图像坐标系与机械手工作坐标系的转换矩阵T；
若不为最后一个标定点，则机械手将标定块移动至下一标定点。
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