CN113400318B - 机器人用户坐标系补偿方法、汽车在线滚边系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机器人用户坐标系补偿方法、汽车在线滚边系统及方法，其中补偿方法包括：(1)确定偏移后的车身坐标系在理论车身坐标系的位置；(2)根据已知的理论车身坐标系在机器人坐标系的相对位置，将偏移后的车身坐标系转换成在机器人坐标系的位置。本发明通过采用自动补偿浮动算法研究，解决了机器人滚边程序因为被滚边的白车身的坐标系随时改变缠身偏移而导致滚边出现废品的问题，这个算法可以推广到其他类似的机器人和被工作物体随时变换的工作场景，数据采集的方式可以变更为激光或者摄像头，只要能够准确取得被工作对象的变化就可以，拓展机器人的应用场景。

Description

机器人用户坐标系补偿方法、汽车在线滚边系统及方法
技术领域
本发明属于汽车白车在线滚边技术领域，涉及一种机器人程序用户坐标系自动补偿方法及在线滚边方法。
背景技术
机器人程序的误差来源分为两类：夹具制造安装产生的外部误差和机器人本体制造时的内部误差。离线程序的误差主要是由外部误差造成的[4]。机器人与专业设备安装的相对位置误差的消除一直是行业内研究的重点，很多从事与机器人行业相关的专业人士一直在这个方向努力，从原理到机构以及方法方面作过了很多研究。蔡江等在《一种用于机器人离线编程的标定方法》中研究了工具坐标系拟合校准法，现场采集建立工具坐标系的3个点，分别测量出其在机器人坐标系和车身坐标系的值，使其重合，以此来校准机器人与夹具相对位置。激极光学科技有限公司的WcsCal软件采用三坐标专业测量设备采集15对机器人坐标系和车身坐标系2组数据可以直接计算出修正后的机器人工具坐标系。这些计算方法都是离线的方式对机器人工具坐标系进行修。机器人滚边程序的需要调试的点非常多，为了提高效率和质量，现在多是使用数字化工厂仿真软件进行精细化仿真作离线程序，将计算后的工具坐标使用对机器人离线程序进行校准后就可以提高机器人程序的可使用度。这种测量方法针对将工件使用专用夹具固定到胎膜上来使用的效果很好。
在汽车白车身焊接生产线的设计和规划过程中，有部分车型的设计结构规划为侧围内总拼和侧围外总拼结构，在侧围后轮罩外观A级面区域需要做包边工艺。由于制造工艺的积累误差，一般情况下，认为白车身在经过前面的焊接工序之后，车身由于各种原因导致实际车身数据与理论车身数据不匹配，这个偏移量过大后会对在机器人包边过程中对产品造成缺损报废。在滚边胎膜和包边工件以及机器人的相对位置都固定后，对机器人离线程序调校完成后，利用机器人高重复精度和柔性，可以实现对多种车型的包边规划。在汽车白车身生产线利用机器人滚边技术完成侧围后轮罩外板和内板包边工艺完成这个工序，目前基本有两种模式：模式一，采用机器人将胎膜更换到夹具上，夹具上设计胎膜定位装置，将胎膜夹紧，机器人滚边动作完成后，白车身输送到下一个工位；模式二，采用汽车白车身自定位，滚边胎膜上带有驱动机构。这两种方式都是为了将胎膜与车身好的进行贴合。
现有的汽车白车身通过滚床输送系统送至工作位后，由于设备精度、不同车身系统公差等因素造成机器人的工作目标产生一些系统偏差，这个时候由于机器人的工作精度要求，这些偏差值超出了工作要求；因此急需设计一种对工作目标和机器人的相对关系进行在线校准、将每一个工作目标的偏差值通过算法进行空间坐标变换、将机器人和工作目标的相对关系进行校准后才可以将系统误差进行补偿的算法，而且这个过程必须是在线的、实时的。
发明内容
本发明的目的为提供一种机器人用户坐标系补偿方法、汽车在线滚边系统及方法，可以对工作目标和机器人的相对关系进行在线校准，将每一个工作目标的偏差值通过算法进行空间坐标变换，将机器人和工作目标的相对关系进行校准后才可以将系统误差进行补偿。需确定偏移后的车身坐标系相对于机器人坐标系的位置和方向，即偏移后的车身坐标系的原点在机器人坐标系中的位置，以及偏移后的车身坐标系相对于机器人坐标系的三个旋转角。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种机器人程序用户坐标系自动补偿方法，包括如下步骤：
(1)确定偏移后的车身坐标系在理论车身坐标系的位置；
(2)根据已知的理论车身坐标系在机器人坐标系的相对位置，将偏移后的车身坐标系转换成在机器人坐标系的位置。
作为上述技术方案的进一步描述：所述步骤(1)具体为：偏移后的车身坐标系顺序发生的四个运动，即依次绕着偏移后的车身坐标系的x、y、z轴旋转角度w、p和r(依次达到中间位置W、P和R)，再平移至最终位置。
作为上述技术方案的进一步描述：所述步骤(1)包括如下子步骤：
(11)偏移后的车身坐标系绕着自身x轴旋转角度w，达到中间位置W；即坐标系YWOZW表示此时的偏移后的车身坐标系，设点M在坐标系YWOZW中的坐标为(xW,yW,zW)，其在理论车身坐标系中的坐标为(x0,y0,z0)，于是有：
Figure BDA0003167494050000021
(12)在中间位置W的偏移后的车身坐标系继续绕自身y轴旋转角度p，达到中间位置P；即坐标系ZPOXP表示此时的偏移后的车身坐标系，设点M在坐标系ZPOXP中的坐标为(xP,yP,zP)，其在坐标系ZWOXW中的坐标为(xW,yW,zW)，于是有：
Figure BDA0003167494050000031
(13)在中间位置P的偏移后的车身坐标系继续绕自身z轴旋转角度r，达到中间位置R；即坐标系XROYR表示此时的偏移后的车身坐标系，设点M在坐标系XROYR中的坐标为(xR,yR,zR)，其在坐标系XPOYP中的坐标为(xP,yP,zP)，于是有：
Figure BDA0003167494050000032
作为上述技术方案的进一步描述：所述步骤(1)还包括如下子步骤：
(14)由公式(1)、(2)、(3)，不难得出从中间位置R的偏移后的车身坐标系到理论车身坐标系之间的旋转变换矩阵Q：
Figure BDA0003167494050000033
Figure BDA0003167494050000034
(15)在中间位置R的偏移后的车身坐标系平移至理论车身坐标系中的位置
Figure BDA0003167494050000035
达到偏移后的车身坐标系的最终位置，由此得到偏移后的车身坐标系到理论车身坐标系的变换：
Figure BDA0003167494050000041
(16)以
Figure BDA0003167494050000042
表示测点X1在偏移后的车身坐标系中的理论位置，/>
Figure BDA0003167494050000043
表示由位置传感器得出的测点X1处的相应测量值，对其余测点，各符号的含义以此类推，由此得出确定偏移后的车身坐标系相对于理论车身坐标系位置的六个方程：
Figure BDA0003167494050000044
Figure BDA0003167494050000045
Figure BDA0003167494050000046
Figure BDA0003167494050000047
Figure BDA0003167494050000048
Figure BDA0003167494050000049
(17)联立求解非线性方程(7)～(12)，即可求出偏移后的车身坐标系相对于理论车身坐标系的位置
Figure BDA00031674940500000410
及三个旋转角w、p和r。
作为上述技术方案的进一步描述：所述步骤(17)中在求解时，该六个解的初值均可设定为零，原因在于偏移后的车身坐标系相对于理论车身坐标系仅有微小的偏移。
作为上述技术方案的进一步描述：所述步骤(2)包括如下子步骤：
(21)设理论车身坐标系的原点在机器人坐标系的位置为
Figure BDA00031674940500000411
原点重合，理论车身坐标系相对于机器人坐标系的三个旋转角为/>
Figure BDA00031674940500000412
和/>
Figure BDA00031674940500000413
则理论车身坐标系到机器人坐标系的变换为：
Figure BDA0003167494050000051
/>
Figure BDA0003167494050000052
(22)理论车身坐标系带入偏移后的车身坐标系到理论车身坐标系的坐标变换式(6)，得：
Figure BDA0003167494050000053
另一方面，直接从偏移后的车身坐标系到机器人坐标系的变换，为：
Figure BDA0003167494050000054
(23)对比公式(15)和(16)，得到偏移后的车身坐标系的原点在机器人坐标系中的位置
Figure BDA0003167494050000055
Figure BDA0003167494050000056
(24)偏移后的车身坐标系和机器人坐标系的旋转变换矩阵U＝TQ，U的形式如下：
Figure BDA0003167494050000057
其中
Figure BDA0003167494050000058
是偏移后的车身坐标系对机器人坐标系的转角，确定/>
Figure BDA0003167494050000059
Figure BDA00031674940500000510
作为上述技术方案的进一步描述：所述步骤(24)中，若
Figure BDA00031674940500000511
则按下述方式确定/>
Figure BDA0003167494050000061
和/>
Figure BDA0003167494050000062
Figure BDA0003167494050000063
作为上述技术方案的进一步描述：所述步骤(24)中，若
Figure BDA0003167494050000064
则因为
Figure BDA0003167494050000065
不能直接利用式(18)。此时，求解非线性方程组：
Figure BDA0003167494050000066
一种汽车在线滚边系统，包括：
汽车白车身输送线准备工位；
汽车白车身后轮罩机器人在线滚边工位，与所述汽车白车身输送线准备工位连接，其包括下部工装，以通过下部工装的定位夹紧装置对白车身进行定位；
汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置，设置在所述汽车白车身后轮罩机器人在线滚边工位处，以通过该装置的数字传感器输出基准值的数字变化量；
汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置，设置在所述汽车白车身后轮罩机器人在线滚边工位处，以通过该装置的数字传感器输出基准值的数字变化量；
汽车白车身右后轮罩滚边机器人，与汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置连接，其包含机器人本体以及专用机器人浮动滚边头，以实现对汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置的部分进行机器人滚边；
汽车白车身左后轮罩滚边机器人，与汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置连接，其包含机器人本体以及专用机器人浮动滚边头，以实现对汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置的部分进行机器人滚边；
线体PLC控制柜体，分别与汽车白车身左后轮罩滚边机器人、汽车白车身右后轮罩滚边机器人、汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置、汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置线路连接，以负责收集汽车白车身左后轮罩滚边机器人、汽车白车身右后轮罩滚边机器人、汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置、汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置等各个元器件发回的信息，并把这些信息经过指令化处理后发给执行元器件执行；
专用工控机，与线体PLC控制柜体连接，利用上述机器人程序用户坐标系自动补偿方法将汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置和汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置收集的位移量进行优化计算，分别得出汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置和汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置到位后的白车身在机器人坐标系里的空间变化位置。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述汽车白车身左后轮罩滚边机器人包括第一机器人和第二机器人，所述第一机器人包括第一抓取机构和第一锁紧机构，所述第一抓取机构和第一锁紧机构集成在一起；所述第一机器人安装在第一底座上，所述第一机器人的腕部安装有第一浮动滚边头；所述第二机器人包括第二抓取机构和第二锁紧机构，所述第二抓取机构和第二锁紧机构集成在一起；所述第二机器人安装在第二底座上，所述第二机器人的腕部安装有第二浮动滚边头。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述第一机器人通过第一滑台和第一滑轨可滑动设置，所述第一滑台配置有用于锁紧第一滑台的第一夹紧机构，所述第一机器人配置有用于检测第一机器人是否滑动到位的第一到位检测机构。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述第二机器人通过第二滑台和第二滑轨可滑动设置，所述第二滑台配置有用于锁紧第二滑台的第二夹紧机构，所述第二机器人配置有用于检测第二机器人是否滑动到位的第二到位检测机构。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置包括第一Y方向浮动机构、第二Y方向浮动机构和第一Z方向浮动机构，所述第一Y方向浮动机构、第二Y方向浮动机构和第一Z方向浮动机构均设有位移传感器；所述汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置包括第三Y方向浮动机构、第一X方向浮动机构和第二Z方向浮动机构，所述第三Y方向浮动机构、第一X方向浮动机构和第二Z方向浮动机构均设有位移传感器。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述第一Y方向浮动机构、第二Y方向浮动机构、第一Z方向浮动机构、第三Y方向浮动机构、第一X方向浮动机构和第二Z方向浮动机构均设有位移传感器。
一种汽车在线滚边方法，包括如下步骤：
1)汽车白车身到达准备工位；
2)汽车白车身通过输送机构传输到位；
3)下部工装的定位夹紧装置对白车身进行定位；
4)第一机器人通过第一滑轨带动第一滑台到达理论定位位置，第一到位检测机构有信号，同时第一夹紧机构对第一滑台锁紧；
5)第二机器人通过第二滑轨带动第二滑台到达理论定位位置，第二到位检测机构有信号，同时第二夹紧机构对第二滑台锁紧；
6)将第一Y方向浮动机构、第二Y方向浮动机构、第三Y方向浮动机构分别贴紧车型表面，并进行锁死；
7)将第一Z方向浮动机构、第二Z方向浮动机构分别贴紧车型表面，并进行锁死；
8)将第一X方向浮动机构贴紧车型表面，并进行锁死；
9)通过6个位移传感器输出位移量；
10)利用线体PLC控制柜体及线路收集6个位移传感器输出位移量发回的信息，并把这些信息经过指令化处理后发给执行元器件执行；
11)通过专用工控机利用上述机器人程序用户坐标系自动补偿方法将汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置和汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置收集的位移量进行优化计算，分别得出汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置和汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置到位后的白车身在机器人坐标系里的空间变化位置。
本发明具有如下有益效果：
本发明对工作目标和机器人的相对关系进行在线校准，将每一个工作目标的偏差值通过算法进行空间坐标变换，将机器人和工作目标的相对关系进行校准后才可以将系统误差进行补偿，这个过程必须是在线的、实时的。确定偏移后的车身坐标系相对于机器人坐标系的位置和方向，即偏移后的车身坐标系的原点在机器人坐标系中的位置，以及偏移后的车身坐标系相对于机器人坐标系的三个旋转角。
本发明通过采用自动补偿浮动算法研究，解决了机器人滚边程序因为被滚边的白车身的坐标系随时改变缠身偏移而导致滚边出现废品的问题，这个算法可以推广到其他类似的机器人和被工作物体随时变换的工作场景，数据采集的方式可以变更为激光或者摄像头，只要能够准确取得被工作对象的变化就可以，拓展机器人的应用场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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介绍，显然，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为中间位置W到坐标系0的变换示意图；
图2为中间位置P到中间位置W的变换示意图；
图3为中间位置R到中间位置P的变换示意图；
图4为本发明提供的一种汽车在线滚边系统的连接示意图；
图5为原始数据和仿真软件模拟测试数据的表格图；
图6为算法结果与理论值对比偏差的表格图；
图7为机器人模拟软件模拟仿真理论OBJ及计算软件算法结果的表格图；
图8为理论值与运算值得对比结果的表格图；
图9为本发明提供的一种汽车在线滚边系统的结构示意图；
图10为机器人滚边浮动滚边系统的局部示意图；
图11为左侧机器人滚边工作站滑移测量的结构示意图；
图12为右侧机器人滚边工作站滑移测量的结构示意图。
附图标记：0-汽车白车身输送线准备工位；1-输送机构；2-下部工装；3-汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置；4-汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置；5-第一机器人；6-第一底座；8-第二机器人；9-第二底座；11-线体PLC控制柜体；12-专用工控机；13-第一浮动滚边头；14-第二浮动滚边头；15-第一抓取机构；16-第二抓取机构；17-第一滑台；18-第二滑台；19-第一锁紧机构；20-第二锁紧机构；21-第一滑轨；22-第二滑轨；23-第一夹紧机构；24-第二夹紧机构；25-第一到位检测机构；26-第二到位检测机构；27-第一Y方向浮动机构；28-第二Y方向浮动机构；29-第三Y方向浮动机构；30-第一Z方向浮动机构；31-第二Z方向浮动机构；32-第一X方向浮动机构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明通过一些专用设备提供6个坐标点的分量，分别是x，y1，y2，y3，z1，z2，将这几个值变化量通过传感器传送到PLC系统控制的工控机系统，通过专用系统算法按照要求把计算出的变量值通过PLC控制系统输送到对应机器人控制系统，机器人系统将这些变量在调用工作程序的过程中进行替换。
一种机器人程序用户坐标系自动补偿方法，包括如下步骤：
(1)确定偏移后的车身坐标系在理论车身坐标系的位置；
(2)根据已知的理论车身坐标系在机器人坐标系的相对位置，将偏移后的车身坐标系转换成在机器人坐标系的位置。
约定以下术语：
坐标系0：即理论车身坐标系；
坐标系1：偏移后的车身坐标系；
坐标系2：机器人坐标系。
理论上，坐标系1应和坐标系0重合，但由于各种因素，坐标系1发生了相对于坐标系0的偏移。这个偏移过程，可以理解为坐标系1顺序发生的四个运动，即依次绕着坐标系1的x、y、z轴旋转角度w、p和r(依次达到中间位置W、P和R)，再平移至最终位置。
在本实施例中，所述步骤(1)具体为：坐标系1顺序发生的四个运动，即依次绕着坐标系1的x、y、z轴旋转角度w、p和r(依次达到中间位置W、P和R)，再平移至最终位置。
在本实施例中，所述步骤(1)包括如下子步骤：
(11)坐标系1绕着自身x轴旋转角度w，达到中间位置W；如图1所示，即坐标系YWOZW表示此时的坐标系1，设点M在坐标系YWOZW中的坐标为(xW,yW,zW)，其在坐标系0中的坐标为(x0,y0,z0)，于是有：
Figure BDA0003167494050000111
其中，(x0,y0,z0)为在坐标系0中的坐标；(xW,yW,zW)点为M在坐标系YWOZW中的坐标值；
(12)在中间位置W的坐标系1继续绕自身y轴旋转角度p，达到中间位置P；如图2所示，即坐标系ZPOXP表示此时的坐标系1，设点M在坐标系ZPOXP中的坐标为(xP,yP,zP)，其在坐标系ZWOXW中的坐标为(xW,yW,zW)，于是有：
Figure BDA0003167494050000112
其中，(xW,yW,zW)为点M在坐标系YWOZW中的坐标值；(xP,yP,zP)为M在坐标系ZPOXP中的坐标值；
(13)在中间位置P的坐标系1继续绕自身z轴旋转角度r，达到中间位置R；如图3所示，即坐标系XROYR表示此时的坐标系1，设点M在坐标系XROYR中的坐标为(xR,yR,zR)，其在坐标系XPOYP中的坐标为(xP,yP,zP)，于是有：
Figure BDA0003167494050000121
其中，(xR,yR,zR)为M在坐标系XROYR中的坐标值；(xP,yP,zP)为M在坐标系ZPOXP中的坐标值；
(14)由公式(1)、(2)、(3)，不难得出从中间位置R的坐标系1到坐标系0之间的旋转变换矩阵Q：
Figure BDA0003167494050000122
Figure BDA0003167494050000123
其中，Q为坐标系1到坐标系0之间的旋转变换矩阵；
(15)在中间位置R的坐标系1平移至坐标系0中的位置
Figure BDA0003167494050000124
达到坐标系1的最终位置，由此得到坐标系1到坐标系0的变换：
Figure BDA0003167494050000125
其中，Q为坐标系1到坐标系0之间的旋转变换矩阵；(x0,y0,z0)为在坐标系0中的理论坐标值；
(16)以
Figure BDA0003167494050000126
表示测点X1在坐标系1中的理论位置，/>
Figure BDA0003167494050000127
表示由位置传感器得出的测点X1处的相应测量值，对其余测点，各符号的含义以此类推，由此得出确定坐标系1相对于坐标系0位置的六个方程：
Figure BDA0003167494050000128
Figure BDA0003167494050000129
Figure BDA0003167494050000131
Figure BDA0003167494050000132
Figure BDA0003167494050000133
Figure BDA0003167494050000134
(17)联立求解非线性方程(7)～(12)，即可求出坐标系1相对于坐标系0的位置
Figure BDA0003167494050000135
及三个旋转角w、p和r。
在本实施例中，所述步骤(17)中在求解时，该六个解的初值均可设定为零，原因在于坐标系1相对于坐标系0仅有微小的偏移。
在本实施例中，所述步骤(2)包括如下子步骤：
(21)设坐标系0的原点在坐标系2的位置为
Figure BDA0003167494050000136
原点重合，坐标系0相对于坐标系2的三个旋转角为/>
Figure BDA0003167494050000137
和/>
Figure BDA0003167494050000138
则坐标系0到坐标系2的变换为：/>
Figure BDA0003167494050000139
其中，(x2,y2,z2)为M点坐标在坐标系2中的理论坐标值；(x0,y0,z0)为M点坐标在坐标系0中的理论坐标值；T为坐标系0到坐标系2的变换矩阵；
Figure BDA00031674940500001310
(22)理论车身坐标系带入坐标系1到坐标系0的坐标变换式(6)，得：
Figure BDA00031674940500001311
其中，T为坐标系0到坐标系2的变换矩阵；Q为坐标系1到坐标系0之间的旋转变换矩阵；
另一方面，直接从坐标系1到坐标系2的变换，为：
Figure BDA0003167494050000141
其中，U为坐标系1到坐标系2之间的旋转变换矩阵；
(23)对比公式(15)和(16)，得到坐标系1的原点在坐标系2中的位置
Figure BDA0003167494050000142
Figure BDA0003167494050000143
(24)坐标系1和坐标系2的旋转变换矩阵U＝TQ，U的形式如下：
Figure BDA0003167494050000144
其中
Figure BDA0003167494050000145
是坐标系1对坐标系2的转角，确定/>
Figure BDA0003167494050000146
Figure BDA0003167494050000147
其中，
Figure BDA0003167494050000148
为坐标系1对坐标系2的x转角；/>
Figure BDA0003167494050000149
为坐标系1对坐标系2的y转角；/>
Figure BDA00031674940500001410
为坐标系1对坐标系2的z转角；
在本实施例中，所述步骤(24)中，若
Figure BDA00031674940500001411
则按下述方式确定/>
Figure BDA00031674940500001412
和/>
Figure BDA00031674940500001413
/>
Figure BDA00031674940500001414
在本实施例中，所述步骤(24)中，若
Figure BDA00031674940500001415
则因为/>
Figure BDA00031674940500001416
不能直接利用式(18)。此时，求解非线性方程组：
Figure BDA0003167494050000151
如图5、9、10、11、12所示，一种汽车在线滚边系统，包括：
汽车白车身输送线准备工位；
汽车白车身后轮罩机器人在线滚边工位，与所述汽车白车身输送线准备工位连接，其包括下部工装，以通过下部工装的定位夹紧装置对白车身进行定位；
汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置，设置在所述汽车白车身后轮罩机器人在线滚边工位处，以通过该装置的数字传感器输出基准值的数字变化量；
汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置，设置在所述汽车白车身后轮罩机器人在线滚边工位处，以通过该装置的数字传感器输出基准值的数字变化量；
汽车白车身右后轮罩滚边机器人，与汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置连接，其包含机器人本体以及专用机器人浮动滚边头，以实现对汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置的部分进行机器人滚边；
汽车白车身左后轮罩滚边机器人，与汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置连接，其包含机器人本体以及专用机器人浮动滚边头，以实现对汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置的部分进行机器人滚边；
线体PLC控制柜体，分别与汽车白车身左后轮罩滚边机器人、汽车白车身右后轮罩滚边机器人、汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置、汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置线路连接，以负责收集汽车白车身左后轮罩滚边机器人、汽车白车身右后轮罩滚边机器人、汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置、汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置等各个元器件发回的信息，并把这些信息经过指令化处理后发给执行元器件执行；
专用工控机，与线体PLC控制柜体连接，利用上述机器人程序用户坐标系自动补偿方法将汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置和汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置收集的位移量进行优化计算，分别得出汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置和汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置到位后的白车身在机器人坐标系里的空间变化位置。
在本实施例中，所述汽车白车身左后轮罩滚边机器人包括第一机器人和第二机器人，所述第一机器人包括第一抓取机构和第一锁紧机构，所述第一抓取机构和第一锁紧机构集成在一起；所述第一机器人安装在第一底座上，所述第一机器人的腕部安装有第一浮动滚边头；所述第二机器人包括第二抓取机构和第二锁紧机构，所述第二抓取机构和第二锁紧机构集成在一起；所述第二机器人安装在第二底座上，所述第二机器人的腕部安装有第二浮动滚边头。
在本实施例中，所述第一机器人通过第一滑台和第一滑轨可滑动设置，所述第一滑台配置有用于锁紧第一滑台的第一夹紧机构，所述第一机器人配置有用于检测第一机器人是否滑动到位的第一到位检测机构；所述第二机器人通过第二滑台和第二滑轨可滑动设置，所述第二滑台配置有用于锁紧第二滑台的第二夹紧机构，所述第二机器人配置有用于检测第二机器人是否滑动到位的第二到位检测机构。
在本实施例中，所述汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置包括第一Y方向浮动机构、第二Y方向浮动机构和第一Z方向浮动机构，所述第一Y方向浮动机构、第二Y方向浮动机构和第一Z方向浮动机构均设有位移传感器；所述汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置包括第三Y方向浮动机构、第一X方向浮动机构和第二Z方向浮动机构，所述第三Y方向浮动机构、第一X方向浮动机构和第二Z方向浮动机构均设有位移传感器；所述第一Y方向浮动机构、第二Y方向浮动机构、第一Z方向浮动机构、第三Y方向浮动机构、第一X方向浮动机构和第二Z方向浮动机构均设有位移传感器。
如图9-12所示，一种汽车在线滚边方法，包括如下步骤：
1)汽车白车身到达准备工位；
2)汽车白车身通过输送机构传输到位；
3)下部工装的定位夹紧装置对白车身进行定位；
4)第一机器人通过第一滑轨带动第一滑台到达理论定位位置，第一到位检测机构有信号，同时第一夹紧机构对第一滑台锁紧；
5)第二机器人通过第二滑轨带动第二滑台到达理论定位位置，第二到位检测机构有信号，同时第二夹紧机构对第二滑台锁紧；
6)将第一Y方向浮动机构、第二Y方向浮动机构、第三Y方向浮动机构分别贴紧车型表面，并进行锁死；
7)将第一Z方向浮动机构、第二Z方向浮动机构分别贴紧车型表面，并进行锁死；
8)将第一X方向浮动机构贴紧车型表面，并进行锁死；
9)通过6个位移传感器输出位移量；
10)利用线体PLC控制柜体及线路收集6个位移传感器输出位移量发回的信息，并把这些信息经过指令化处理后发给执行元器件执行；
11)通过专用工控机利用上述机器人程序用户坐标系自动补偿方法将汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置和汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置收集的位移量进行优化计算，分别得出汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置和汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置到位后的白车身在机器人坐标系里的空间变化位置。
以下是根据仿真模拟软件和该算法给定的实测案例：
如图5-8所示，针对使用优化算法得到的计算结果，我们需要作进一步的验证才能在实际项目中进行运用。使用西门子的PDPS软件搭建工作环境，取一部分工作范围内的离散数据进行对应验算对比：选取35组偏移值分别在模拟软件里面取得变化结果和使用优化算法取得结果进行对比发现的X，Y，Z误差值小于0.1，三个角度值误差小于0.003。
通过上述验证，我们得出理论算法是可以满足我们实际工程需求的。在实际项目中汽车白车身后轮罩机器人在线滚边工位，汽车白车身后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置，该装置通过位移传感器输出基准值的数字变化量，6个位移传感器输出位移量通过PLC系统进行读取，收集的位移量通过工控机进行优化计算，分别得出到位后的白车身在机器人坐标系里的空间变化位置，计算机结果通过PLC传输给滚边机器人，滚边机器人将这个数值替换程序中的用户坐标系，机器人滚边程序就可以正常的进行滚边。
通过采用自动补偿浮动算法研究，解决了机器人滚边程序因为被滚边的白车身的坐标系随时改变缠身偏移而导致滚边出现废品的问题，这个算法可以推广到其他类似的机器人和被工作物体随时变换的工作场景，数据采集的方式可以变更为激光或者摄像头，只要能够准确取得被工作对象的变化就可以，拓展机器人的应用场景。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种机器人用户坐标系补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)确定偏移后的车身坐标系在理论车身坐标系的位置；
所述步骤(1)具体为：偏移后的车身坐标系顺序发生的四个运动，即依次绕着偏移后的车身坐标系的x、y、z轴旋转角度w、p和r依次达到中间位置W、P和R，再平移至最终位置；所述步骤(1)包括如下子步骤：
(11)偏移后的车身坐标系绕着自身x轴旋转角度w，达到中间位置W；即坐标系YWOZW表示此时的偏移后的车身坐标系，设点M在坐标系YWOZW中的坐标为(xW,yW,zW)，其在理论车身坐标系中的坐标为(x0,y0,z0)，于是有：
Figure FDA0004030244010000011
(12)在中间位置W的偏移后的车身坐标系继续绕自身y轴旋转角度p，达到中间位置P；即坐标系ZPOXP表示此时的偏移后的车身坐标系，设点M在坐标系ZPOXP中的坐标为(xP,yP,zP)，其在坐标系ZWOXW中的坐标为(xW,yW,zW)，于是有：
Figure FDA0004030244010000012
(13)在中间位置P的偏移后的车身坐标系继续绕自身z轴旋转角度r，达到中间位置R；即坐标系XROYR表示此时的偏移后的车身坐标系，设点M在坐标系XROYR中的坐标为(xR,yR,zR)，其在坐标系XPOYP中的坐标为(xP,yP,zP)，于是有：
Figure FDA0004030244010000013
(14)由公式(1)、(2)、(3)，不难得出从中间位置R的偏移后的车身坐标系到理论车身坐标系之间的旋转变换矩阵Q：
Figure FDA0004030244010000021
Figure FDA0004030244010000022
(15)在中间位置R的偏移后的车身坐标系平移至理论车身坐标系中的位置
Figure FDA0004030244010000023
达到偏移后的车身坐标系的最终位置，由此得到偏移后的车身坐标系到理论车身坐标系的变换：
Figure FDA0004030244010000024
其中，(x1,y1,z1)为M点坐标在坐标系1中的理论坐标值；
(16)以
Figure FDA0004030244010000025
表示测点X1在偏移后的车身坐标系中的理论位置，
Figure FDA0004030244010000026
表示由位置传感器得出的测点X1处的相应测量值，对其余测点，各符号的含义以此类推，由此得出确定偏移后的车身坐标系相对于理论车身坐标系位置的六个方程：
Figure FDA0004030244010000027
Figure FDA0004030244010000028
Figure FDA0004030244010000029
Figure FDA00040302440100000210
Figure FDA00040302440100000211
Figure FDA00040302440100000212
(17)联立求解非线性方程(7)～(12)，即可求出偏移后的车身坐标系相对于理论车身坐标系的位置
Figure FDA00040302440100000213
及三个旋转角w、p和r；
(2)根据已知的理论车身坐标系在机器人坐标系的相对位置，将偏移后的车身坐标系转换成在机器人坐标系的位置；
所述步骤(2)包括如下子步骤：
(21)设理论车身坐标系的原点在机器人坐标系的位置为
Figure FDA0004030244010000031
原点重合，理论车身坐标系相对于机器人坐标系的三个旋转角为
Figure FDA0004030244010000032
和
Figure FDA0004030244010000033
则理论车身坐标系到机器人坐标系的变换为：
Figure FDA0004030244010000034
其中，(x2,y2,z2)为M点坐标在坐标系2中的理论坐标值；(x0,y0,z0)为M点坐标在坐标系0中的理论坐标值；T为坐标系0到坐标系2的变换矩阵；
Figure FDA0004030244010000035
(22)理论车身坐标系带入偏移后的车身坐标系到理论车身坐标系的坐标变换式(6)，得：
Figure FDA0004030244010000036
另一方面，直接从偏移后的车身坐标系到机器人坐标系的变换，为：
Figure FDA0004030244010000037
(23)对比公式(15)和(16)，得到偏移后的车身坐标系的原点在机器人坐标系中的位置
Figure FDA0004030244010000038
Figure FDA0004030244010000041
(24)偏移后的车身坐标系和机器人坐标系的旋转变换矩阵U＝TQ，U的形式如下：
Figure FDA0004030244010000042
其中
Figure FDA0004030244010000043
是偏移后的车身坐标系对机器人坐标系的转角，确定
Figure FDA0004030244010000044
Figure FDA0004030244010000045
所述步骤(24)中，若
Figure FDA0004030244010000046
则按下述方式确定
Figure FDA0004030244010000047
和
Figure FDA0004030244010000048
Figure FDA0004030244010000049
所述步骤(24)中，若
Figure FDA00040302440100000410
则因为
Figure FDA00040302440100000411
不能直接利用式(18)；此时，求解非线性方程组：
Figure FDA00040302440100000412
2.一种汽车在线滚边系统，其特征在于，包括：
汽车白车身输送线准备工位；
汽车白车身后轮罩机器人在线滚边工位，与所述汽车白车身输送线准备工位连接，其包括下部工装，以通过下部工装的定位夹紧装置对白车身进行定位；
汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置，设置在所述汽车白车身后轮罩机器人在线滚边工位处，以通过该装置的数字传感器输出基准值的数字变化量；
汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置，设置在所述汽车白车身后轮罩机器人在线滚边工位处，以通过该装置的数字传感器输出基准值的数字变化量；
汽车白车身右后轮罩滚边机器人，与汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置连接，其包含机器人本体以及专用机器人浮动滚边头，以实现对汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置的部分进行机器人滚边；
汽车白车身左后轮罩滚边机器人，与汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置连接，其包含机器人本体以及专用机器人浮动滚边头，以实现对汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置的部分进行机器人滚边；
线体PLC控制柜体，分别与汽车白车身左后轮罩滚边机器人、汽车白车身右后轮罩滚边机器人、汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置、汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置线路连接，以负责收集汽车白车身左后轮罩滚边机器人、汽车白车身右后轮罩滚边机器人、汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置、汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置等各个元器件发回的信息，并把这些信息经过指令化处理后发给执行元器件执行；
专用工控机，与线体PLC控制柜体连接，利用权利要求1中所述的机器人用户坐标系补偿方法方法将汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置和汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置收集的位移量进行优化计算，分别得出汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置和汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置到位后的白车身在机器人坐标系里的空间变化位置。
3.根据权利要求2所述的汽车在线滚边系统，其特征在于，所述汽车白车身左后轮罩滚边机器人包括第一机器人和第二机器人，所述第一机器人包括第一抓取机构和第一锁紧机构，所述第一抓取机构和第一锁紧机构集成在一起；所述第一机器人安装在第一底座上，所述第一机器人的腕部安装有第一浮动滚边头；所述第二机器人包括第二抓取机构和第二锁紧机构，所述第二抓取机构和第二锁紧机构集成在一起；所述第二机器人安装在第二底座上，所述第二机器人的腕部安装有第二浮动滚边头。
4.根据权利要求3所述的汽车在线滚边系统，其特征在于，所述第一机器人通过第一滑台和第一滑轨可滑动设置，所述第一滑台配置有用于锁紧第一滑台的第一夹紧机构，所述第一机器人配置有用于检测第一机器人是否滑动到位的第一到位检测机构；所述第二机器人通过第二滑台和第二滑轨可滑动设置，所述第二滑台配置有用于锁紧第二滑台的第二夹紧机构，所述第二机器人配置有用于检测第二机器人是否滑动到位的第二到位检测机构。
5.根据权利要求4所述的汽车在线滚边系统，其特征在于，所述汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置包括第一Y方向浮动机构、第二Y方向浮动机构和第一Z方向浮动机构，所述第一Y方向浮动机构、第二Y方向浮动机构和第一Z方向浮动机构均设有位移传感器；所述汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置包括第三Y方向浮动机构、第一X方向浮动机构和第二Z方向浮动机构，所述第三Y方向浮动机构、第一X方向浮动机构和第二Z方向浮动机构均设有位移传感器；所述第一Y方向浮动机构、第二Y方向浮动机构、第一Z方向浮动机构、第三Y方向浮动机构、第一X方向浮动机构和第二Z方向浮动机构均设有位移传感器。
6.一种汽车在线滚边方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)汽车白车身到达准备工位；
2)汽车白车身通过输送机构传输到位；
3)下部工装的定位夹紧装置对白车身进行定位；
4)第一机器人通过第一滑轨带动第一滑台到达理论定位位置，第一到位检测机构有信号，同时第一夹紧机构对第一滑台锁紧；
5)第二机器人通过第二滑轨带动第二滑台到达理论定位位置，第二到位检测机构有信号，同时第二夹紧机构对第二滑台锁紧；
6)将第一Y方向浮动机构、第二Y方向浮动机构、第三Y方向浮动机构分别贴紧车型表面，并进行锁死；
7)将第一Z方向浮动机构、第二Z方向浮动机构分别贴紧车型表面，并进行锁死；
8)将第一X方向浮动机构贴紧车型表面，并进行锁死；
9)通过6个位移传感器输出位移量；
10)利用线体PLC控制柜体及线路收集6个位移传感器输出位移量发回的信息，并把这些信息经过指令化处理后发给执行元器件执行；
11)通过专用工控机利用如权利要求1中所述的机器人用户坐标系补偿方法方法将汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置和汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置收集的位移量进行优化计算，分别得出汽车白车身右后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置和汽车白车身左后轮罩活动滚边胎膜及位置矫正数据测量输出装置到位后的白车身在机器人坐标系里的空间变化位置。
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CN109129492A (zh) * 2018-11-07 2019-01-04 宁波赛朗科技有限公司 一种动态捕捉的工业机器人平台

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