CN113689398A - 一种机器人攻丝方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种机器人攻丝方法及装置，该方法包括：获取工件板的图像，根据工件板的图像得到工件板上圆孔的圆心坐标；根据圆孔的圆心坐标以及预设值将工件板的图像分割成N个区域，N为大于1的正整数；利用二维手眼标定法和已划分好的区域，机器人带动相机在区域中找多个孔进行拍照，每次拍照的过程即单孔校准的过程。本申请机器人攻丝方法及装置能够适应数量少、品种多的产品快速切换型号。而且本申请提高了生产效率，降低了人工成本，提高了产品质量。
Description
技术领域
本发明属于智能加工领域，具体而言，涉及一种机器人攻丝方法及装置。
背景技术
现有设备是人工使用柔性攻丝机或手电钻攻丝对铝板上的几万个孔进行加工攻丝，生产效率较低，工人加工难度大。随着生产任务的不断加大，工作人员成本的不断增加，以及客户对生产的质量要求越来越严格，促使我们必须对现有的设备或加工方式进行升级，以达到提高生产效率，降低人工成本，提高产品质量，增加利润创收的目的。
发明内容
本申请实施例提供了一种机器人攻丝方法及装置，提高了生产效率，降低了人工成本，提高了产品质量，增加了利润创收。
第一方面，本申请实施例提供了一种机器人攻丝方法，包括：
获取工件板的图像，根据所述工件板的图像得到所述工件板上圆孔的圆心坐标；
根据所述圆孔的圆心坐标以及预设值将所述工件板的图像分割成N个区域，N为大于1的正整数；
利用二维手眼标定法和已划分好的区域，机器人带动相机在区域中找多个孔进行拍照，每次拍照的过程即单孔校准的过程。
其中，还包括：
已知图纸上的多个第一坐标，在机器人坐标系里行走或者通过视觉识别得到对应的多个第二坐标，通过求第一坐标到第二坐标的关系，得到仿射变化齐次矩阵；
根据仿射变化齐次矩阵，把工件板实际坐标转换成机器人坐标系坐标。
其中，二维手眼标定法为9点标定法，机器人带动相机在区域中找9个孔进行拍照。
其中，所述图纸为二维电子图纸或者三维电子图纸。
其中，通过相机获取工件板的图像。
第二方面，本申请提供了一种机器人攻丝装置，包括：
获取单元，用于获取工件板的图像，根据所述工件板的图像得到所述工件板上圆孔的圆心坐标；
分割单元，用于根据所述圆孔的圆心坐标以及预设值将所述工件板的图像分割成N个区域，N为大于1的正整数；
校准单元，用于利用二维手眼标定法和已划分好的区域，机器人带动相机在区域中找多个孔进行拍照，每次拍照的过程即单孔校准的过程。
其中，还包括转换单元：
已知图纸上的多个第一坐标，在机器人坐标系里行走或者通过视觉识别得到对应的多个第二坐标，通过求第一坐标到第二坐标的关系，得到仿射变化齐次矩阵；
根据仿射变化齐次矩阵，把工件板实际坐标转换成机器人坐标系坐标。
其中，二维手眼标定法为9点标定法，校准单元，用于机器人带动相机在区域中找9个孔进行拍照。
第三方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
第四方面，本申请实施例提供了一种机器人系统，包括上述任一项机器人攻丝装置。
本申请实施例机器人攻丝方法及装置具有如下有益效果：
本申请机器人攻丝方法包括：获取工件板的图像，根据工件板的图像得到工件板上圆孔的圆心坐标；根据圆孔的圆心坐标以及预设值将工件板的图像分割成N个区域，N为大于1的正整数；利用二维手眼标定法和已划分好的区域，机器人带动相机在区域中找多个孔进行拍照，每次拍照的过程即单孔校准的过程。本申请机器人攻丝方法及装置能够适应数量少、品种多的产品快速切换型号。而且本申请提高了生产效率，降低了人工成本，提高了产品质量。
附图说明
图1为本申请实施例机器人攻丝方法流程示意图；
图2为本申请实施例机器人攻丝装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请进行进一步的介绍。
在下述介绍中，术语“第一”、“第二”仅为用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下述介绍提供了本发明的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本申请也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征A、B、C，另一个实施例包含特征B、D，那么本申请也应视为包括含有A、B、C、D的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。
下面的描述提供了示例，并且不对权利要求书中阐述的范围、适用性或示例进行限制。可以在不脱离本申请内容的范围的情况下，对描述的元素的功能和布置做出改变。各个示例可以适当省略、替代或添加各种过程或组件。例如所描述的方法可以以所描述的顺序不同的顺序来执行，并且可以添加、省略或组合各种步骤。此外，可以将关于一些示例描述的特征组合到其他示例中。
现有设备是人工使用柔性攻丝机或手电钻攻丝对铝板上的几万个孔进行加工攻丝，生产效率较低，工人加工难度大。随着生产任务的不断加大，工作人员成本的不断增加，以及客户对生产的质量要求越来越严格，促使我们必须对现有的设备或加工方式进行升级，以达到提高生产效率，降低人工成本，提高产品质量，增加利润创收的目的。
改变生产方式势在必行，经过对市场的研究与调查。
选择一:目前市场上数控攻丝机最常用，数控攻丝机的优点：1.精度高。2.响应快。3.低速大功率。4.稳定性好。数控攻丝机的缺点：1.数控攻丝机标准机型最长3米(m)M，但生产的工件尺寸最大为9.3mX3.4m，铝板无法使用磁铁吸附，装卡难度高。2.数控攻丝机不具有扭矩保护功能，丝锥易断。
选择二:根据现有的工件尺寸与加工要求，自主研发的机器人自动攻丝系统，优点：1.优化了扭矩保护功能，对丝锥进行保护，减少了断锥的几率。2.机器人的重复精度高，响应速度快，稳定性高，通用性强，具备了数控攻丝机的所有优点。3.自动化水平高，体现在其特有的良性结构和柔性控制方式，降低了操作者的工作量，具有传统工业无可比拟的优势。
机器人自动攻丝系统的攻丝动力头包括主轴电机、升降同步电机、吹扫装置、喷液装置、智能相机以及攻丝伺服丝杆机构和进给同步伺服丝杆机构。动作原理：1.主轴电机带动下端丝锥攻丝，攻丝过程中通过扭矩的实时监控保证丝锥不会超扭矩运行，并仿人攻丝过程。2.主轴攻丝过程中升降同步电机带动机构同步主轴升降。3.喷液装置在攻丝中喷润滑液。4.吹扫装置在攻丝完成后吹扫丝屑。
机器人自动攻丝系统的UI(User Interface)界面实现简单、自然、友好、一致的科技感交互设计。上位机操作系统对加工数据的准确采集和实时监控，以及对故障加工数据的可追踪性存储处理。
如图1所示，本申请机器人攻丝方法包括：S101，获取工件板的图像，根据工件板的图像得到工件板上圆孔的圆心坐标；S103，根据圆孔的圆心坐标以及预设值将工件板的图像分割成N个区域，N为大于1的正整数；S105，利用二维手眼标定法和已划分好的区域，机器人带动相机在区域中找多个孔进行拍照，每次拍照的过程即单孔校准的过程。
通过机器人上的智能相机获取工件板的图像，工件板上有多个圆孔，该圆孔为待攻丝的孔。通过分析工件板的图像，确定出工件板图像上的圆孔以及圆孔的圆心坐标。根据圆孔的圆心坐标以及预设值将工件板的图像分割成N个区域，预设值可以根据需要设定。通过将图像分割成N个区域能够实现定位更精确，因为机械臂有误差，行走越远，误差越大，将工件板的图像分成N个小区域后，机械臂行走距离变短，误差变小，定位更精确。
二维手眼标定法为9点标定法，机器人带动相机在区域中找9个孔进行拍照。所谓二维，即工作平面限制在一个平面上。在实际控制中，相机检测到目标在图像中的像素位置后，通过标定好的坐标转换矩阵，将相机的像素坐标，变换到机械手的空间坐标系中，然后根据机械手坐标系，计算出各个电机该如何运动，从而控制机械手到达指定位置。
4点法、9点法、N点法都可以将图像坐标与机械手坐标联系起来。综合考虑调试难度、标定精度等因素，9点法标定是工业上使用广泛的二维手眼标定，常用于从固定平面抓取对象进行装配等工业应用场景。
相机知道的是像素坐标，机械手是空间坐标系，所以手眼标定就是得到像素坐标系和空间机械手坐标系的坐标转化关系。九点标定直接建立相机和机械手之间的坐标变换关系。让机械手的末端去走这9个点得到在机器人坐标系中的坐标，同时还要用相机识别9个点得到像素坐标。这样就得到了9组对应的坐标。
相机固定在一个地方，然后拍照找到目标，控制机械手去抓取，这种叫做eye-to-hand。还有一种情况是相机固定在机械手上面，这种情况的标定过程实际上和相机和机械手分离的标定方法是一样的，因为相机拍照时，机械手会运动到相机标定的时候的位置，然后相机拍照，得到目标的坐标，再控制机械手，标定的过程和手眼分离系统的标定是可以相同对待的，也叫做eye-in-hand。
在一些实施例中，本申请机器人攻丝方法还包括：已知图纸上的多个第一坐标，在机器人坐标系里行走或者通过视觉识别得到对应的多个第二坐标，通过求第一坐标到第二坐标的关系，得到仿射变化齐次矩阵；根据仿射变化齐次矩阵，把工件板实际坐标转换成机器人坐标系坐标。图纸例如为二维电子图纸或者三维电子图纸。
将一个矩形转化为另一个矩形的过程就是仿射变换(Affine Transformation)，整个过程可以按照以下三个步骤进行，将矩形移动到原点，缩放矩形到目标大小，移动矩形到目标位置。仿射变换其实是另外两种简单变换的叠加：一个是线性变换，一个是平移变换。统一平移变换和线性变换的一种变换叫“仿射变换”。这个新的变换就不再单纯的是两个线性空间的映射了，而是变成了两个仿射空间的映射关系。
4*4矩阵一般也叫齐次矩阵,主要有两个作用，描述平移变换，描述透视投影变换。3*3矩阵可以用来旋转，缩放坐标系，但不能移动坐标系，需要在4维空间切变实现3维平移(比较容易理解的是在3维空间实现2维平移)，而4*4平移矩阵不会影响旋转，缩放功能，所以4*4矩阵能包含旋转，缩放，平移坐标系功能。4D向量中w分量能“开关”4*4矩阵的平移部分，有些向量代表位置，应当平移，有些向量代表方向(如表面法向量)，从几何意义上说，第一类数据当作点，第二类当作向量。齐次坐标本质上是4D向量(x,y,z,w),在w＝1处的三维空间定义为标准的3D空间，任何齐次坐标转化到标准3D空间坐标点为(x/w，y/w,z/w),如果w为0时(x,y,z,0)表示的是标准3D空间的方向(x,y,z)而并非坐标点。
工件板的精确定位原理：借鉴智能相机与机械手的标定过程，即相机的像素坐标与机器人坐标的坐标转换过程，实现相机引导机械手精确定位(单孔校准)。工件坐标读取，根据圆心坐标分析整个图形区域，并根据设定值把整个图形分割成N个小区域。已知A坐标系(例如图纸坐标)的一些点(X,Y)，在B坐标系(例如机器人坐标系)里去行走或视觉识别得到(X’,Y’),然后通过求(X,Y)到(X’,Y’)的关系，得到仿射变化齐次矩阵。利用9点标定法和已划分好的区域，机器人带动相机在小区域中找9个孔进行拍照，每次拍照的过程即单孔校准的过程，最后把工件实际坐标转换成机器人坐标系坐标。
以上为工件板的自动标定过程以及原理。标定过程无需人工参与，以前需每次拍照纠偏的操作，现在只需要每个区域拍9次即可，大大缩短了识别孔位的节拍。利用以上步骤修正了机器人在绝对定位行走的缺陷，绝对定位精度可达到±0.2mm。
本申请机器人攻丝方法能够适应数量少、品种多的产品快速切换型号。本申请机器人攻丝方法提高了生产效率，降低了人工成本，提高了产品质量，增加了利润创收。
如图2所示，本申请机器人攻丝装置包括：获取单元201，用于获取工件板的图像，根据工件板的图像得到工件板上圆孔的圆心坐标；分割单元202，用于根据圆孔的圆心坐标以及预设值将工件板的图像分割成N个区域，N为大于1的正整数；校准单元203，用于利用二维手眼标定法和已划分好的区域，机器人带动相机在区域中找多个孔进行拍照，每次拍照的过程即单孔校准的过程。
其中，还包括转换单元：已知图纸上的多个第一坐标，在机器人坐标系里行走或者通过视觉识别得到对应的多个第二坐标，通过求第一坐标到第二坐标的关系，得到仿射变化齐次矩阵；根据仿射变化齐次矩阵，把工件板实际坐标转换成机器人坐标系坐标。
其中，二维手眼标定法为9点标定法，校准单元，用于机器人带动相机在区域中找9个孔进行拍照。
本申请中，机器人攻丝装置实施例与机器人攻丝方法实施例基本相似，相关之处请参考机器人攻丝方法实施例的介绍。
本申请还包括图形可视化操作，可加载文件属性为*.step和*.dxf格式的图形，即可加载3D和2D图形。图形中双击某个平面，自动索引平面上的孔位坐标数据。两个平面间，可自动规划机器人的过程路径。图形基本的旋转、平移等操作。
本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例的技术方案可借助软件和/或硬件来实现。本说明书中的“单元”和“模块”是指能够独立完成或与其他部件配合完成特定功能的软件和/或硬件，其中硬件例如可以是FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、IC(Integrated Circuit，集成电路)等。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述机器人攻丝方法步骤。其中，计算机可读存储介质可以包括但不限于任何类型的盘，包括软盘、光盘、DVD、CD-ROM、微型驱动器以及磁光盘、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、DRAM、VRAM、闪速存储器设备、磁卡或光卡、纳米系统(包括分子存储器IC)，或适合于存储指令和/或数据的任何类型的媒介或设备。
本申请还提供了一种机器人系统，机器人系统包括上述任一项机器人攻丝装置。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
以上介绍仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)
1.一种机器人攻丝方法，其特征在于，包括：
获取工件板的图像，根据所述工件板的图像得到所述工件板上圆孔的圆心坐标；
根据所述圆孔的圆心坐标以及预设值将所述工件板的图像分割成N个区域，N为大于1的正整数；
利用二维手眼标定法和已划分好的区域，机器人带动相机在区域中找多个孔进行拍照，每次拍照的过程即单孔校准的过程。
2.根据权利要求1所述机器人攻丝方法，其特征在于，还包括：
已知图纸上的多个第一坐标，在机器人坐标系里行走或者通过视觉识别得到对应的多个第二坐标，通过求第一坐标到第二坐标的关系，得到仿射变化齐次矩阵；
根据仿射变化齐次矩阵，把工件板实际坐标转换成机器人坐标系坐标。
3.根据权利要求1或2所述机器人攻丝方法，其特征在于，二维手眼标定法为9点标定法，机器人带动相机在区域中找9个孔进行拍照。
4.根据权利要求1-3任一项所述机器人攻丝方法，其特征在于，所述图纸为二维电子图纸或者三维电子图纸。
5.根据权利要求1-3任一项所述机器人攻丝方法，其特征在于，通过相机获取工件板的图像。
6.一种机器人攻丝装置，其特征在于，包括：
获取单元，用于获取工件板的图像，根据所述工件板的图像得到所述工件板上圆孔的圆心坐标；
分割单元，用于根据所述圆孔的圆心坐标以及预设值将所述工件板的图像分割成N个区域，N为大于1的正整数；
校准单元，用于利用二维手眼标定法和已划分好的区域，机器人带动相机在区域中找多个孔进行拍照，每次拍照的过程即单孔校准的过程。
7.根据权利要求6所述机器人攻丝装置，其特征在于，还包括转换单元：
已知图纸上的多个第一坐标，在机器人坐标系里行走或者通过视觉识别得到对应的多个第二坐标，通过求第一坐标到第二坐标的关系，得到仿射变化齐次矩阵；
根据仿射变化齐次矩阵，把工件板实际坐标转换成机器人坐标系坐标。
8.根据权利要求7所述机器人攻丝装置，其特征在于，二维手眼标定法为9点标定法，校准单元，用于机器人带动相机在区域中找9个孔进行拍照。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现所述权利要求1-5中任一项所述方法的步骤。
10.一种机器人系统，其特征在于，所述机器人系统包括权利要求6-8中任一项所述机器人攻丝装置。
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2021
- 2021-08-23 CN CN202110968114.5A patent/CN113689398A/zh active Pending
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