CN113375559A - 基于多源传感的在线测量定心装置、系统及方法 - Google Patents

基于多源传感的在线测量定心装置、系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于多源传感的在线测量定心装置、系统及方法，在线测量定心装置，包括测量机构，包括上测量组件和下测量组件；所述上测量组件包括三组相机和四组激光传感器，分别用于获取上零件的位置和姿态信息；在上下位置的投影方向上，三组相机的投影相互独立，四组激光传感器的投影相互独立；所述下测量组件包括三组相机和四组激光传感器，分别用于获取下零件的位置和姿态信息；在上下位置的投影方向上，三组相机的投影相互独立，四组激光传感器的投影相互独立。本发明可实现上下零件精密对准、装配，提高装配效率，尤其适用于大视场范围(大于500mm)的物体进行稳定视觉定位的测量。

Description

基于多源传感的在线测量定心装置、系统及方法
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域，具体涉及一种基于多源传感的在线测量定心装置、系统及方法。
背景技术
现有技术中，常采用机器人夹持零件装配，实现上下零件对准作业；为了提高上下零件对准精度，提高装配质量、缩短装配周期，有必要研究开发一种新的在线测量定心技术，以实现上下零件精密装配。
发明内容
基于上述技术背景，本发明提供一种基于多源传感的在线测量定心装置、系统及方法，可实现上下零件精准对准、装配，提高装配效率，尤其适用于大视场范围(大于500mm)的物体进行稳定视觉定位的测量。
本发明通过下述技术方案实现：
基于多源传感的在线测量定心装置，包括测量机构，包括上测量组件和下测量组件；所述上测量组件包括三组相机和四组激光传感器，分别用于获取上零件的位置和姿态信息；在上下位置的投影方向上，三组相机的投影相互独立，四组激光传感器的投影相互独立；所述下测量组件包括三组相机和四组激光传感器，分别用于获取下零件的位置和姿态信息；在上下位置的投影方向上，三组相机的投影相互独立，四组激光传感器的投影相互独立。
本发明通过将相机和激光传感器固定在机器人之外。将其向上和向下分为两组，每组包括三个相机和四个点激光传感器。通过标定后的相机拍摄上零件和下零件的圆弧局部，用圆弧上的三个点进行拟合获取圆弧的圆心位置，反应上零件和下零件之间的实时位置变化。通过激光传感器打在零件同表面上的四个点，拟合平面，反应零件的实时姿态变化。最终实现机器人调整上零件的位置和姿态，使得上下零件精准对准，装置实现上下零件的对准装配，实现装配精度误差在0mm～0.08mm，装配时力小于30N。
进一步优选，所述上测量组件中，在俯视方向上，相机与激光传感器呈环状间隔排布；所述下测量组件中，在仰视方向上，相机与激光传感器呈环状间隔排布。
进一步优选，在俯视或仰视方向上，所述上测量组件的相机与下测量组的相机相互错位排布，上测量组件的激光传感器与下测量组件的激光传感器相互错位排布。
进一步优选，所述相机采用带光源的相机。
进一步优选，还包括安装支架，所述上测量组件和下测量组件呈上下位置安装在安装支架上；或者还包括第一支架和第二支架，所述上测量组件安装在第一支架上，所述下测量组件安装在第二支架上，第一支架和第二支架相互连接，实现上测量组件和下测量组件呈上下位置布置。
无论是一体化的安装支架还是组装的支架，主要用于实现保持相机和激光传感器之间的相对位置关系。
进一步优选，还包括旋转臂、底座、支撑柱和旋转台；所述支撑柱的底端固定在底座上；所述旋转台的固定端安装在支撑柱的顶端，旋转台的活动端与旋转臂的一端连接，旋转臂的另一端安装测量机构；所述旋转台带动旋转臂和测量机构以旋转台的轴线为转轴旋转。
底座是用于整个测量定心装置的安装，支撑柱是起着支撑整个机构的作用，旋转台用于带着测量机构同步旋转，旋转臂是用于连接测量机构，并将测量机构延伸至上零件和下零件之间，保证测量机构每次检测位置相同，测量机构的作用是进行测量上零件和下零件的位置和姿态信息。
基于多源传感的在线测量定心系统，包括机器人、夹持工装和上述的基于多源传感的在线测量定心装置，所述机器人与在线测量定心装置通信连接；在线测量定心装置用于通过相机获取上零件和下零件的位置信息、通过激光传感器获取上零件和下零件的姿态信息，并反馈至机器人；所述夹持工装用于夹持下零件；所述机器人用于夹持上零件，并基于在线测量定心装置的反馈信息对上零件做出姿态以及位置调整。
基于多源传感的在线测量定心方法，通过多组相机拍照做视觉引导，使用激光传感器打点做姿态探测，从而实现夹具抓取工件后调整位移和姿态，引导机器人实现上零件和下零件的对准组装。
进一步优选，通过相机拍摄上零件和下零件的圆弧局部，用圆弧上的三个点进行拟合获取圆弧的圆心位置，向机器人反馈零件的实时位置变化。
进一步优选，通过获取激光传感器打在零件同表面上的四个点，拟合平面，向机器人反馈零件的实时姿态变化。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明基于多源传感的在线测量定心装置是通过多组相机拍照做视觉引导，以及使用激光传感器打点做姿态探测，从而实现夹具抓取大重量、大直径工件后调整位移和姿态，引导机器人较为精准地实现上下工件的对准组装。
本发明测量定心装置主要是为了实现上零件与下零件的精准对接，其中下零件由工装夹持，而上零件由机器人夹持，测量定心装置的作用是上下零件装配时，反馈上零件与下零件的位置信息，使机器人获取上零件的实时位置，从而便于机器人对上零件做出姿态以及位置调整。
本发明测量定心装置采用的技术方案，将极大减少在机器人在大尺寸、高精度配合物体之间的装配难度，确定大尺寸物体的空间姿态以及空间位置，该方法为空间姿态修正技术与视觉定位技术的融合使用。通过试验实现上零件与下零件的精准装配，装配精度误差控制在在0～0.08mm，上零件和下零件装配时对装力小于30N。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的在线测量定心系统结构示意图；图中A表示在线测量定心装置；
图2为本发明的在线测量定心装置结构示意图；
图3为本发明的在线测量定心装置结构示意图，俯视图；
图4为本发明的测量机构结构示意图；
图5为eye to hand示意图；
图6为四点平面拟合图。
附图中标记及对应的零部件名称：1-测量机构，2-旋转臂，3-底座，4-支撑柱，5-旋转台，6-上零件，7-下零件，8-夹持工装。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供了一种基于多源传感的在线测量定心装置，包括测量机构1，包括上测量组件和下测量组件；上测量组件和下测量组件存在上下位置关系。
上测量组件采用三组相机11和四组激光传感器12，分别用于获取上零件的位置和姿态信息；在上下位置的投影方向上，三组相机11的投影相互独立，四组激光传感器12的投影相互独立；下测量组件采用三组相机11和四组激光传感器12，分别用于获取下零件的位置和姿态信息；在上下位置的投影方向上，三组相机11的投影相互独立，四组激光传感器12的投影相互独立。所有相机11均采用相机11采用带光源13的相机。
作为优选方案，上测量组件中，在俯视方向上，相机11与激光传感器12呈环状间隔排布；下测量组件中，在仰视方向上，相机11与激光传感器12呈环状间隔排布；且上测量组件的相机11与下测量组的相机11相互错位排布，上测量组件的激光传感器12与下测量组件的激光传感器12相互错位排布。
通过将相机和激光传感器固定在机器人之外。将其向上和向下分为两组，每组包括三个相机和四个点激光传感器。通过标定后的相机拍摄上零件和下零件的圆弧局部，用圆弧上的三个点进行拟合获取圆弧的圆心位置，反应上零件和下零件之间的实时位置变化。通过激光传感器打在零件同表面上的四个点，拟合平面，反应零件的实时姿态变化。最终实现机器人调整上零件的位置和姿态，使得上下零件精准对准，装置实现上下零件的对准装配，实现装配精度误差在0mm～0.08mm，装配时力小于30N。
此外，还设置刚性安装支架，上测量组件和下测量组件呈上下位置安装在安装支架上，通过该刚性安装支架保持相机和激光传感器之间的相对位置关系。或者设置刚性第一支架和刚性第二支架，上测量组件安装在第一支架上，所述下测量组件安装在第二支架上，第一支架和第二支架相互连接，实现上测量组件和下测量组件呈上下位置布置。
实施例2
在实施例1的基础上进一步改进，还包括旋转臂2、底座3、支撑柱4和旋转台5，旋转台5采用带伺服电机的自动旋转台；底座3是用于整个测量定心装置的安装，支撑柱4是起着支撑整个机构的作用，旋转台5是通过控制信号的输入使其自动旋转，带着测量机构1同步旋转，旋转臂2是用于连接测量机构1，并将测量机构1延伸至上零件6和下零件7之间，保证测量机构1每次检测位置相同，测量机构1的作用是进行测量上零件和下零件的位置和姿态信息。具体结构位置关系如下所示：
支撑柱4的底端固定在底座3上；旋转台5的固定端安装在支撑柱4的顶端，旋转台5的活动端与旋转臂2的一端固定连接，旋转臂2的另一端安装测量机构1；旋转台5带动旋转臂2和测量机构1以旋转台5的轴线为转轴同步旋转。
实施例3
本实施例提供了一种基于多源传感的在线测量定心系统，包括机器人、夹持工装和实施例2提供的基于多源传感的在线测量定心装置，机器人与在线测量定心装置通信连接；在线测量定心装置用于通过相机获取上零件和下零件的位置信息、通过激光传感器获取上零件和下零件的姿态信息，并反馈至机器人；夹持工装用于夹持下零件；机器人用于夹持上零件，并基于在线测量定心装置的反馈信息对上零件做出姿态以及位置调整。
实施例4
本实施例提供了一种基于多源传感的在线测量定心方法，通过多组相机拍照做视觉引导，使用激光传感器打点做姿态探测，从而实现夹具抓取工件后调整位移和姿态，引导机器人实现上零件和下零件的对准组装。具体地，采用实施例2提供的线测量定心装置进行测定。
通过上测量组件的三组相机拍摄上零件的圆弧局部，用圆弧上的三个点进行拟合获取圆弧的圆心位置，向机器人反馈上零件的实时位置变化；同理，通过下测量组件的三组相机拍摄下零件的圆弧局部，用圆弧上的三个点进行拟合获取圆弧的圆心位置，向机器人反馈下零件的实时位置变化。对于获取相机与机器人的坐标关系：测量定心装置属于单独的一个检测装置，与机器人之间无接触连接。测量定心装置测量示意图，如下图5所示。测量定心装置需要测量的结果是得到base与cam的空间位置关系，即一个4×4的变换矩阵。通过移动tool带着标定板移动到相机下方16个不同位置角度，记录机器人笛卡尔坐标数据，由相机拍摄的16张标定板图像来计算到。从而建立各个相机与机器人坐标系建立联系以达到相机间统一的效果。
通过上测量组件的激光传感器获取其打在上零件同表面上的四个点，拟合平面，向机器人反馈上零件的实时姿态变化；同理，通过下测量组件的激光传感器获取其打在下零件同表面上的四个点，拟合平面，向机器人反馈下零件的实时姿态变化。具体地，该方法是在大尺寸物体上获取四个同朝向的点激光数据，通过建立的空间坐标系获得此四个激光点的空间坐标信息。采用最小二乘的方法，在四个激光点上拟合寻找出一个平面，使得四个激光点到该平面的距离最小，从而拟合出该平面与基准面的空间角度，四点平面拟合示意图如下图6所示。
基于上述位置变化和姿态变化，最终实现机器人调整上零件的位置和姿态，使得上零件与下零件的精密对准。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于多源传感的在线测量定心装置，包括测量机构(1)，其特征在于，包括上测量组件和下测量组件；
所述上测量组件包括三组相机(11)和四组激光传感器(12)，分别用于获取上零件的位置和姿态信息；在上下位置的投影方向上，三组相机(11)的投影相互独立，四组激光传感器(12)的投影相互独立；
所述下测量组件包括三组相机(11)和四组激光传感器(12)，分别用于获取下零件的位置和姿态信息；在上下位置的投影方向上，三组相机(11)的投影相互独立，四组激光传感器(12)的投影相互独立。
2.根据权利要求1所述的基于多源传感的在线测量定心装置，其特征在于，所述上测量组件中，在俯视方向上，相机(11)与激光传感器(12)呈环状间隔排布；所述下测量组件中，在仰视方向上，相机(11)与激光传感器(12)呈环状间隔排布。
3.根据权利要求2所述的基于多源传感的在线测量定心装置，其特征在于，在俯视或仰视方向上，所述上测量组件的相机(11)与下测量组的相机(11)相互错位排布，上测量组件的激光传感器(12)与下测量组件的激光传感器(12)相互错位排布。
4.根据权利要求1所述的基于多源传感的在线测量定心装置，其特征在于，所述相机(11)采用带光源(13)的相机。
5.根据权利要求1所述的基于多源传感的在线测量定心装置，其特征在于，还包括安装支架，所述上测量组件和下测量组件呈上下位置安装在安装支架上；或者还包括第一支架和第二支架，所述上测量组件安装在第一支架上，所述下测量组件安装在第二支架上，第一支架和第二支架相互连接，实现上测量组件和下测量组件呈上下位置布置。
6.根据权利要求1至5任一项所述的基于多源传感的在线测量定心装置，其特征在于还包括旋转臂(2)、底座(3)、支撑柱(4)和旋转台(5)；所述支撑柱(4)的底端固定在底座(3)上；所述旋转台(5)的固定端安装在支撑柱(4)的顶端，旋转台(5)的活动端与旋转臂(2)的一端连接，旋转臂(2)的另一端安装测量机构(1)；所述旋转台(5)带动旋转臂(2)和测量机构(1)以旋转台(5)的轴线为转轴旋转。
7.基于多源传感的在线测量定心系统，其特征在于，包括机器人、夹持工装和权利要求1-6任一项所述的基于多源传感的在线测量定心装置，所述机器人与在线测量定心装置通信连接；在线测量定心装置用于通过相机获取上零件和下零件的位置信息、通过激光传感器获取上零件和下零件的姿态信息，并反馈至机器人；所述夹持工装用于夹持下零件；所述机器人用于夹持上零件，并基于在线测量定心装置的反馈信息对上零件做出姿态以及位置调整。
8.基于多源传感的在线测量定心方法，其特征在于，通过多组相机拍照做视觉引导，使用多组激光传感器打点做姿态探测，从而实现夹具抓取工件后调整位移和姿态，引导机器人实现上零件和下零件的对准组装。
9.根据权利要求8所述的基于多源传感的在线测量定心方法，其特征在于，通过相机拍摄上零件和下零件的圆弧局部，用圆弧上的三个点进行拟合获取圆弧的圆心位置，向机器人反馈零件的实时位置变化。
10.根据权利要求8所述的基于多源传感的在线测量定心方法，其特征在于，通过获取激光传感器打在零件同表面上的四个点，拟合平面，向机器人反馈零件的实时姿态变化。
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