CN116021391A - 一种基于视觉及力控的柔性打磨抛光设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉及力控的柔性打磨抛光设备及方法，涉及柔性打磨抛光技术领域。包括工业机器人，工业机器人活动端安装有机器人夹具，工业机器人背面安装有砂带打磨机，工业机器人一侧安装有上下料台，上下料台顶部安装有视觉检测装置，工业机器人另一侧安装有布轮抛光机，视觉检测装置包括型材框，型材底部与上下料台相连接，型材框侧壁安装有视觉组件。本发明通过视觉检测装置获取工件的图像，采集工件打磨区域的三维表面点群的位置信息，从而确定工件夹取后的初始位置及姿态，根据工件夹取后的初始位姿，实时计算出最佳的打磨轨迹，速度极快且检测结果不受时间变化和恶劣环境的影响，操作简单，维护成本低。

Description

一种基于视觉及力控的柔性打磨抛光设备及方法

技术领域

本发明涉及柔性打磨抛光技术领域，具体为一种基于视觉及力控的柔性打磨抛光设备。

背景技术

目前在水暖卫浴等领域的金属五金件如水龙头、门把手等金属零件大多数都是依赖人工手持工件配合打磨设备进行打磨及抛光工作，不仅危险性高，磨抛效率低，劳动强度大，对工人的技术熟练程度要求高，而且恶劣的工作环境更是工人职业病高发领域。因此，自动化设备的大量应用是实现“机器换人”，推动传统制造业实现技术转型升级的重要途径。

市面上虽然已有一些自动打磨抛光设备，这些设备用机器人替代人工进行打磨，但是机器人的应用比例还较低，主要原因有以下两点：一方面是因为应用机器人时，前期一次性投入较大；另一方面是企业没有足够的研发能力，以解决在实际应用工程中遇到的难点问题，尤其是在安装状态下工件的初始位姿与理论位姿不一致以及如何确定其初始的安装位姿的问题、复杂零件示教编程难度大问题、在磨抛加工状态下打磨力的实时调控问题、刀具(砂轮、砂带等)的磨损补偿问题等。因此，大多数打磨加工作业，还停留在依靠人口红利过活的传统手工操作的加工阶段。

针对上述自动化磨抛设备可能遇到的问题，如工件的磨抛工具磨损、复杂轨迹规划、打磨工件质量、工件的初始位姿与理论位姿不一致等问题。虽然市面上也有发明一种机器人末端带六维力传感的智能装置，将机器人末端的力传感器检测的接触力反馈给机器人进行六关节实时补偿调整，但是这种方式不仅造价昂贵，而且机器人动态响应慢，实际补偿效果并不理想。本发明的目的是提供一种基于视觉及力控的柔性打磨抛光设备，该设备通过配置视觉检测装置及力控装置，机器人只需抓取工件到视觉检测装置下扫描三维信息，然后便可根据视觉系统规划好的磨抛路径，运动到相应磨抛工位进行恒力矩磨抛。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于视觉及力控的柔性打磨抛光设备，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于视觉及力控的柔性打磨抛光设备，包括工业机器人，所述工业机器人活动端安装有机器人夹具，所述工业机器人背面安装有砂带打磨机，工业机器人一侧安装有上下料台，上下料台顶部安装有视觉检测装置，工业机器人另一侧安装有布轮抛光机，所述视觉检测装置包括型材框，型材底部与上下料台相连接，型材框侧壁安装有视觉组件，所述工业机器人的工作范围将布轮抛光机、视觉检测装置和砂带打磨机包含在内。

更进一步地，所述布轮抛光机包括底座，底座底部安装有调整电机，调整电机输出端贯穿底座底部固定连接有调节齿轮，底座顶部滑动连接有与调节齿轮相啮合和齿板，齿板顶部安装有主轴电机，主轴电机两侧的输出端均固定连接有抛光布轮，底座顶部固定连接有辅助台，辅助台顶部与主轴电机滑动接触。

更进一步地，所述型材框除一侧和底部外壁外均固定连接有亚克力板，所述工业机器人位于型材框未设置亚克力板的一侧，所述上下料台包括支撑架，支撑架顶部固定连接有板材，板材顶部固定连接有定位组件，所述定位组件位于所述型材框内部。

更进一步地，所述砂带打磨机包括支撑座，支撑座顶部固定连接有安装架，安装架两侧的顶部和底部均转动连接有主动轮、力控装置、和可调节的调节轮，所述力控装置包括固定在安装架两侧的边架，边架内部安装有调节气缸，调节气缸输出端固定连接有活动板，活动板侧面顶部和底部分别通过安装条板转动连接有从动轮和辅助轮，所述主动轮、从动轮、辅助轮和调节轮外壁设置有闭环的打磨砂带，所述安装架背面顶部和底部分别安装有与主动轮位置对应的驱动电机，驱动电机分别与对应位置的主动轮通过传动皮带相传动。

更进一步地，所述安装架顶部安装有控制柜，所述控制柜分别与驱动电机和调节轮电性连接。

更进一步地，所述机器人夹具包括旋转滑环机构，旋转滑环机构顶部与工业机器人固定连接，旋转滑环机构底部转动连接有切换气缸，所述切换气缸输出端通过连接架固定连接有松紧气缸。

更进一步地，所述切换气缸的角度调节范围为0-90°，所述工业机器人为可旋转六关节机器人。

更进一步地，所述工业机器人正面安装有控制单元，所述工业机器人、机器人夹具、视觉检测装置、布轮抛光机和砂带打磨机分别与控制单元电性连接。

一种基于视觉及力控的柔性打磨抛光方法，使用了一种基于视觉及力控的柔性打磨抛光设备，其打磨方式具体分为以下步骤：

步骤一：将待打磨的工件放置在上下料台的定位组件上，工业机器人通过机器人夹具抓取工件；

步骤二：将抓取的工件运输到视觉检测装置内部，通过视觉组件采集工件三维轮廓信息，然后通过三维重建算法创建好模板点云，最后结合这个三维点云信息通过机器人轨迹规划软件或者直接通过示教生成打磨程序；

步骤三：使用icp点云配准算法算出水龙头装夹误差，偏差平移量与角度量以欧拉角的形式补偿进原先机器人标定的工具坐标系中，利用更新后的工具坐标系去执行先前示教好的打磨程序；

步骤四：工业机器人根据打磨和抛光的轨迹依次通过砂带打磨机和布轮抛光机对工件进行打磨和抛光处理；

步骤五：工业机器人将工件放回到原工位。

更进一步地，所述步骤二中的三维重建算法其内容包括：

S1：坐标系构建，以工业机器人的法兰盘末端默认工具坐标系记作O_E，以工业机器人的底部基点记作O_B，视觉组件上的视觉测量坐标系记作O_M，为了方便标定出手眼矩阵，首先将工业机器人的工件坐标系记作O_G，标定的时候令O_G与视觉测量坐标系O_M原点重合，将此时的工件坐标系标记为O_t；

S2：打开视觉检测装置，移动工业机器人的活动端尖点到达视觉组件的图像中心处(x1，y1)，使用工业机器人的三点标定法，标定该点为工件坐标系的原点位置。然后移动尖点到图像像素为(u,y1)处标定为工件坐标系的x 轴，再移动尖点到图像像素为(x1,v)处标定为工件坐标系的y轴。其中，u为大于x1的任意数值，v为大于y1的任意数值。最终完成工件坐标系的标定，此时标定的工件坐标系的x轴与激光平面测量坐标系的x轴重合，y轴与激光平面测量坐标系的z轴重合。由于采用的是机器人控制系统中工件三点标定法，可以得出工件坐标系O_G和机器人基坐标系O_B的转换关系

S3：视觉测量坐标系O_M和工件坐标系O_G原点相同，x轴方向相同，坐标系O_M的z轴与坐标系O_G的y轴重合，视觉测量坐标系O_M和工件坐标系O_G的转换关系

S4：由工业机器人获得每帧扫描时工业机器人法兰盘末端坐标系O_E相对于机器人基坐标系O_B的姿态转换关系为

S5：最终通过视觉测量坐标系下的三维点云数据p_M转换到工业机器人法兰盘末端坐标系O_E下得到工件新的点云数据p_E，完成工件点云在法兰盘末端坐标系O_E下的三维重建,具体坐标转换公式如下：

更进一步地，所述步骤五中的打磨和抛光处理均采用恒力矩。

更进一步地，所述步骤三中的icp点云配准算法，具体为：

M1：通过视觉组件与手眼标定将扫描出的点云转换到工业机器人法兰盘末端坐标系下，形成实际测量点云；

M2：随后将实际测量点云与模板点云进行ICP匹配，并将得出的旋转平移矩阵通过欧拉角的形式补偿到机器人工具坐标系中；

M3：利用补偿后的工具坐标系去执行先前生成的打磨程序。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

该基于视觉及力控的柔性打磨抛光设备，通过视觉检测装置获取工件的图像，采集工件打磨区域的三维表面点群的位置信息，从而确定工件夹取后的初始位置及姿态，根据工件夹取后的初始位姿，实时计算出最佳的打磨轨迹，利用3D视觉代替人眼，速度极快且检测结果不受时间变化和恶劣环境的影响，操作简单，维护成本低，有利于实现产品生产的自动化。

同时，力控装置对磨抛设备工具末端位置和接触力进行控制，通过力的反馈实现磨抛设备接触作用力的全闭环控制，使得磨抛工具对工件表面表现出较强的柔顺性能，提高机器人的打磨精度，避免传统机器人因微小位置误差导致的巨大接触力，而且力控装置造价成本低，动态响应速度快。

不仅如此，具体的零件尺寸及几何形状，将视觉检测装置、力控装置及机器人前端抓手、被加工零件CAD三维模型及打磨的理论轨迹生成技术等进行集成，形成多传感器信息融合的机器人柔性打磨抛光系统。解决传统示教繁杂和接触力控制的难题，积极推动工业机器人在打磨加工领域的应用，从高强度、高污染的劳动环境中释放劳动力，提高零件生产过程中的稳定性和精确度，降低误差和不良率，保证产品质量，加快“机器换人”的步伐，推动传统制造企业转型升级。

附图说明

图1为本发明的整体安装示意图；

图2为本发明的工业机器人结构示意图；

图3为本发明的图2中A处放大示意图；

图4为本发明的布轮抛光机结构示意图；

图5为本发明的上下料台结构示意图；

图6为本发明的视觉检测装置结构示意图；

图7为本发明的砂带打磨机结构示意图；

图8为本发明的图7中B处放大示意图；

图9为水龙头点云重建效果图；

图10为有装夹误差的水龙头测量点云图；

图11为无装夹误差的水龙头模板点云图；

图12为下采样水龙头点云图；

图13为ICP点云配准效果图；

图14为基于3D视觉的水龙头打磨技术路线图；

图15为手眼标定中两个坐标系重合图。

图中：1、工业机器人；2、布轮抛光机；201、底座；202、主轴电机；203、抛光布轮；204、调整电机；205、调节齿轮；206、齿板；207、辅助台； 3、上下料台；301、支撑架；302、板材；303、定位组件；4、视觉检测装置； 401、型材框；402、亚克力板；403、视觉组件；5、砂带打磨机；501、支撑座；502、安装架；503、控制柜；504、驱动电机；505、主动轮；506、传动皮带；507、从动轮；508、辅助轮；509、打磨砂带；510、调节轮；511、力控装置；512、边架；513、调节气缸；514、活动板；515、安装条板；6、控制单元；7、机器人夹具；701、旋转滑环机构；702、切换气缸；703、松紧气缸。

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。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“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，并不是指示或暗示所指的装置或元件所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，应当理解，为了便于描述，附图中所示出的各个部件的尺寸并不按照实际的比例关系绘制，例如某些层的厚度或宽度可以相对于其他层有所夸大。

应注意的是，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义或说明，则在随后的附图的说明中将不需要再对其进行进一步的具体讨论和描述。

如图1-15所示，本发明提供一种技术方案：一种基于视觉及力控的柔性打磨抛光设备，包括工业机器人1，工业机器人1活动端安装有机器人夹具7，工业机器人1背面安装有砂带打磨机5，工业机器人1一侧安装有上下料台3，上下料台3顶部安装有视觉检测装置4，工业机器人1另一侧安装有布轮抛光机2，视觉检测装置4包括型材框401，型材底部与上下料台3相连接，型材框401侧壁安装有视觉组件403，工业机器人1的工作范围将布轮抛光机2、视觉检测装置4和砂带打磨机5包含在内。

需要注意的是，视觉检测装置4由铝型材制成的型材框401、亚克力板 402及视觉组件403组成，其中亚克力板402是用于“遮光”，保证视觉检测效果，视觉组件403包括工业相机、激光器、滤光片等，主要用于待加工零件三维扫描和建模。

布轮抛光机2包括底座201，底座201底部安装有调整电机204，调整电机204输出端贯穿底座201底部固定连接有调节齿轮205，底座201顶部滑动连接有与调节齿轮205相啮合和齿板206，齿板206顶部安装有主轴电机202，主轴电机202两侧的输出端均固定连接有抛光布轮203，底座201顶部固定连接有辅助台207，辅助台207顶部与主轴电机202滑动接触，布轮抛光机2有左右两个工位，也可根据工件抛光工艺需要装上相应规格抛光布轮203实现工件粗抛、精抛，底座201底部固定安装有调整电机204，调整电机204能够通过调节齿轮205和齿板206的配合让顶部安装的主轴电机202实现前后的移动，从而实现以固定力矩进行抛光的目的。

型材框401除一侧和底部外壁外均固定连接有亚克力板402，工业机器人 1位于型材框401未设置亚克力板402的一侧，上下料台3包括支撑架301，支撑架301顶部固定连接有板材302，板材302顶部固定连接有定位组件303，定位组件303位于型材框401内部。

需要注意的是，上下料台3由铝合金面板及铝型材支架组成，形成支撑架301和板材302，其中铝合金面板组成的板材302上开有36个通孔，可根据零件形状规格匹配相应工装夹具。

砂带打磨机5包括支撑座501，支撑座501顶部固定连接有安装架502，安装架502两侧的顶部和底部均转动连接有主动轮505、力控装置511、和可调节的调节轮510，力控装置511包括固定在安装架502两侧的边架512，边架512内部安装有调节气缸513，调节气缸513输出端固定连接有活动板514，活动板514侧面顶部和底部分别通过安装条板515转动连接有从动轮507和辅助轮508，主动轮505、从动轮507、辅助轮508和调节轮510外壁设置有闭环的打磨砂带509，安装架502背面顶部和底部分别安装有与主动轮505位置对应的驱动电机504，驱动电机504分别与对应位置的主动轮505通过传动皮带506相传动，安装架502顶部安装有控制柜503，控制柜503分别与驱动电机504和调节轮510电性连接。

需要注意的是，砂带打磨机5共有四个工位可根据工件打磨工艺需要装配四条不同目数及宽度的砂带，其中砂带轮(包括从动轮507和辅助轮508) 前进后退方向由力控装置511控制，力控装置511由伺服驱动器及调节气缸 513组成，通调节气缸513的伸缩实现恒力矩磨削，实现从动轮507和辅助轮 508的前后移动。

机器人夹具7包括旋转滑环机构701，旋转滑环机构701顶部与工业机器人1固定连接，旋转滑环机构701底部转动连接有切换气缸702，切换气缸 702输出端通过连接架固定连接有松紧气缸703，切换气缸702的角度调节范围为0-90°，工业机器人1为可旋转六关节机器人，六关节机器人可根据不同的工件，装上相应的机器人夹具7后，夹持工件进行三维轮廓扫描、打磨、抛光动作；控制单元6由工业平板电脑及电气控制柜组成，用于设备整线动作逻辑控制及机器人加工轨迹规划。

需要注意的是，在进行水龙头打磨时这个夹具上面也是一个创新点：旋转滑环机构701：控制气缸的气管直接插到结构上面，该结构外部不会随着机器人法兰盘转动而转动，不会出现气管缠绕干涉等问题，而内部可以正常转动带动夹具运动。

0-90°切换气缸702结构：根据水龙头各个打磨表面需要，切换到相应适宜的角度使水龙头能调整到合适的空间姿态在砂带上打磨。

松紧气缸703：通过杠杆原理，实现气缸伸缩带动夹具松紧水龙头。

工业机器人1正面安装有控制单元6，工业机器人1、机器人夹具7、视觉检测装置4、布轮抛光机2和砂带打磨机5分别与控制单元6电性连接。

其打磨方式具体分为以下步骤：

步骤一：将待打磨的工件放置在上下料台(3)的定位组件(303)上，工业机器人(1)通过机器人夹具(7)抓取工件；

步骤二：将抓取的工件运输到视觉检测装置(4)内部，通过视觉组件(403) 采集工件三维轮廓信息，然后通过三维重建算法创建好模板点云，最后结合这个三维点云信息通过机器人轨迹规划软件或者直接通过示教生成打磨程序；

步骤三：使用icp点云配准算法算出水龙头装夹误差，偏差平移量与角度量以欧拉角的形式补偿进原先机器人标定的工具坐标系中，利用更新后的工具坐标系去执行先前示教好的打磨程序；

步骤四：工业机器人(1)根据打磨和抛光的轨迹依次通过砂带打磨机(5) 和布轮抛光机(2)对工件进行打磨和抛光处理；

步骤五：工业机器人(1)将工件放回到原工位。

需要注意的是，步骤二中的三维重建算法其内容包括：

S1：坐标系构建，以工业机器人1的法兰盘末端默认工具坐标系记作O_E，以工业机器人1的底部基点记作O_B，视觉组件上的视觉测量坐标系记作O_M，为了方便标定出手眼矩阵，首先将工业机器人1的工件坐标系记作O_G，标定的时候令O_G与视觉测量坐标系O_M原点重合，将此时的工件坐标系标记为O_t；

S2：打开视觉检测装置，移动工业机器人1的活动端尖点到达视觉组件 401的图像中心处(x1，y1)，使用工业机器人1的三点标定法，标定该点为工件坐标系的原点位置。然后移动尖点到图像像素为(u,y1)处标定为工件坐标系的x轴，再移动尖点到图像像素为(x1,v)处标定为工件坐标系的y轴。其中，u为大于x1的任意数值，v为大于y1的任意数值。最终完成工件坐标系的标定，此时标定的工件坐标系的x轴与激光平面测量坐标系的x轴重合， y轴与激光平面测量坐标系的z轴重合。由于采用的是机器人控制系统中工件三点标定法，可以得出工件坐标系O_G和机器人基坐标系O_B的转换关系

S3：视觉测量坐标系O_M和工件坐标系O_G原点相同，x轴方向相同，坐标系O_M的z轴与坐标系O_G的y轴重合，视觉测量坐标系O_M和工件坐标系O_G的转换关系

S4：由工业机器人1获得每帧扫描时工业机器人1法兰盘末端坐标系O_E相对于机器人基坐标系O_B的姿态转换关系为

S5：最终通过测量坐标系下的三维点云数据p_M转换到工业机器人1法兰盘末端坐标系O_E下得到工件新的点云数据p_E，完成工件点云在法兰盘末端坐标系O_E下的三维重建,具体坐标转换公式如下：

步骤三中的icp点云配准算法，具体为：

M1：通过视觉组件403与手眼标定将扫描出的点云转换到工业机器人1 法兰盘末端坐标系下，形成实际测量点云；

M2：随后将实际测量点云与模板点云进行ICP匹配，并将得出的旋转平移矩阵通过欧拉角的形式补偿到机器人工具坐标系中；

M3：利用补偿后的工具坐标系去执行先前生成的打磨程序。

其完整的工艺流程为

六关节工业机器人1运动到上下料台3抓取工件，然后将工件移动到视觉检测装置4中，通过视觉组件403，确定打磨工件在工业机器人1基坐标系下初始的装配位姿信息，并根据CAD模型及在线检测的3D点群数据，确定最优磨抛轨迹。工业机器人1按照最优磨抛轨迹，根据工艺需求依次移动到砂带打磨机5及布轮抛光机2相应工位进行磨抛，磨抛过程中砂带打磨机5和布轮抛光机2的力控装置511控制系统实时采集磨抛工具与工件之间的接触压力、电机电流等信息，在力矩控制模式，实时修正、补偿打磨的轨迹，实现零件的精准柔性磨抛作业，最后工业机器人1将磨抛完成的零件放回上下料台3，继续抓取下一个零件。

实施例

利用视觉技术校正水龙头装夹误差，并结合机器人的示教轨迹去进行水龙头自动化打磨。

当前水龙头磨抛加工仍依赖于熟练工人手持毛胚工件与砂带接触完成磨抛。如图1所示，人工磨抛环境恶劣，生产效率低，加工质量一致性也难以得到保证，且对工人经验要求较高，产品一致性差；磨抛过程中产生的金属粉尘直接影响磨抛工人的身体健康，劳动力成本及管理成本也较其它工种高了许多。同时手工磨抛加工已严重影响产业的升级提高和健康发展，成为制约企业发展的一大“瓶颈”，该领域里的一些企业家已经意识到要解决这个问题，必须依靠自动化。

相比于数控加工中心，工业机器人应用于磨抛加工领域具有自动化水平高、柔性好，能够实现磨抛加工工件在空间的各种位姿，可以满足类似于水龙头类的中等复杂自由曲面磨抛加工的要求。

工业机器人磨抛系统，是在机器人本体的基础上集成各种通用设备，具有通用性强、范围灵活等特点，与数控机床磨抛相比更具优越性。而且磨抛工艺是少无切削加工，砂带与工件接触表面之间的法向接触力很小，精度要求不高，正好避开了工业机器人刚性弱、精度差等缺点，因此，采用工业机器人进行磨抛要求表面光整的曲面产品是十分适合的，其存在人工磨抛效率低；数控加工中心通用性不强；数控加工中心加工范围不灵活的问题。

为解决上述问题：

通过单目线结构光相机三维测量出装夹在机器人法兰盘末端坐标系下的水龙头点云，并利用第三方视觉算法库PCL中的ICP(迭代最近点算法)配准出模板点云与有装夹误差扫描点云的转换位姿参数(旋转向量、平移向量)。此转换位姿参数代表了模板点云与有装夹误差扫描点云之间的旋转角度与平移量。根据旋转角度与平移量修改机器人工具坐标系中的(x,y,z,a,b,c)，再利用此改变的工具坐标系去执行之前示教好的轨迹，即可完成有装夹误差水龙头的打磨，即有装夹误差的水龙头打磨轨迹与无装夹误差的水龙头打磨轨迹一致。解决了人工磨抛效率低下的问题。

2.通过机器人去进行水龙头的打磨，大大提升了打磨的自动化程度。并且采用的机器人手抓工件的方式，即为水龙头安装在机器人末端。此装置除了可以打磨水龙头这种复杂的曲面工件，对于一些平面型，相对简单的工件也可以进行打磨。体现了打磨工件的通用性。

3.为了使水龙头的打磨效果更佳，使水龙头各个曲面的打磨的更加全面，在法兰盘末端安装可以旋转90°的气缸，从而方便机器人摆动姿态。在打磨不同的水龙头曲面时，选择合适的气缸位置。此装置解决了数控加工中心加工范围不灵活的问题，可以很好的对水龙头的每一个曲面进行打磨。

通过图14的详细阐述，了解基于3D视觉的水龙头打磨技术路线。

方案描述：

建立模板点云的三维扫描测量轨迹的步骤 (1)初始的三维扫描轨迹的示教编程，该轨迹称之为TT；

(2.0)根据初始的、示教编程获得三维扫描轨迹TT，对工件进行三维扫描，获得工件外表面关键部位的三维点云数据；

(2.1)根据第一次三维扫描获得水龙头的表面三维点云数据，优化三维扫描的轨迹，获得新的三维扫描轨迹，称之为PT；

(3)根据三维扫描轨迹PT，对工件进行三维扫描，获得工件外表面关键部位的三维点云数据；

(4)判断此时获得的三维点云数据的质量，是否符合作为模板用的数据质量；如果合格，则结束工件模板数据的采集的工作；如果不合格，则转步骤 (2.1)。

对于水龙头的打磨方案主要分为以下几个步骤

(1)先进行工具、工件坐标系的标定，再进行示教编程，得到水龙头的初始打磨轨迹trace0。

(2)使用初始示教轨迹TT扫描获得水龙头点云A，根据初始扫描的水龙头点云A的完整程度的判断，优化示教轨迹TT变为轨迹PT，获得水龙头点云B。判断点云B是否符合构造模板点云的要求。如果不符合，则重新优化示教轨迹PT；如果符合，就可以得到数据质量良好的模板点云D。

(3)接下来使用3D相机扫描水龙头，得到实际测量的点云C。通过ICP点云配准方法，获得工件在装夹状态下的位姿误差的旋转平移矩阵。

(4)通过ICP配准得到的，在装夹状态下的位姿误差矩阵，补偿进原先水龙头工件坐标系，更新为新的水龙头工件坐标系。

(5)最后执行示教打磨轨迹，完成该水龙头的打磨加工。从而实现了有装夹误差的水龙头打磨。

具体的方案实施：

1.单目线结构光的手眼标定

手眼标定是为了获得视觉坐标系和机器人坐标系之间的关系，从而完成后续的水龙头打磨作业。也可理解为将视觉传感器扫描出的水龙头点云转换到机器人法兰盘末端坐标系下。本方案采用的“Eye-to-Hand”眼离手的相机安装方式。

如图15所示为水龙头打磨系统手眼标定坐标转换图。相机拍出图片中的二维坐标转化为视觉测量坐标系中的三维坐标。手眼标定，则是将视觉测量坐标系中的三维坐标转化为机器人法兰盘末端的三维坐标，从而可以三维重建出水龙头点云，让此工件坐标系的X轴与视觉测量坐标系的X轴重合，工件坐标系的Y轴与视觉测量坐标系的Z轴重合。这样，视觉测量坐标系与标定的工件坐标系就存在旋转的关系。其中，O_E表示机器人的法兰盘末端默认工具坐标系；O_B为机器人的基坐标系，它位于机器人的基座上；O_M表示单目线结构光相机上的视觉测量坐标系，它位于激光平面上；为了方便标定出手眼矩阵，首先标定O_G为机器人的工件坐标系，标定的时候令O_G与视觉测量坐标系原点O_M重合；O_t表示水龙头上的工件坐标系。

1.1标定工具坐标系

在法兰盘末端安装工具尖点，使用四点法标定尖点的工具坐标系O_t。(该处工具尖点的标定只是为了使用尖点标定工件坐标系O_G)。

1.2标定工件坐标系

标定的工件坐标系与激光平面测量坐标系在二维空间中是重合的。

打开线光源激光测量系统，移动机器人的工具尖点到达相机的图像中心 (640,518)处，使用机器人示教器的三点标定法，标定该点为工件坐标系的原点位置。然后移动尖点到图像像素为(u,518)处标定为工件坐标系的x轴，再移动尖点到图像像素为(640,v)处标定为工件坐标系的y轴。其中，u为大于 640的任意数值，v为大于518的任意数值。最终完成工件坐标系的标定，此时标定的工件坐标系的x轴与激光平面测量坐标系的x轴重合，y轴与激光平面测量坐标系的z轴重合。由于采用的是机器人控制系统中工件三点标定法，可以得出工件坐标系O_G和机器人基坐标系O_B的转换关系

由于视觉测量坐标系O_M和工件坐标系O_G原点相同，x轴方向相同，坐标系O_M的z轴与坐标系O_G的y轴重合，因此，两个坐标系间存在一定的旋转关系。根据计算，激光平面上的视觉测量坐标系O_M和工件坐标系O_G的转换关系如下：

2.三维重建效果图

通过机器人控制系统的工件三点标定法可以得出工件坐标系O_G与机器人基坐标系O_B的转换关系

由华数机器人三型接口获得每帧扫描时机器人法兰盘末端坐标系O_E相对于机器人基坐标系O_B的姿态

结合手眼标定得出的视觉测量坐标系与标定的工件坐标系的转换矩阵工件坐标系与机器人基坐标系的转换矩阵机器人法兰盘末端坐标系与机器人基坐标系的转换逆矩阵可以将视觉测量坐标系中的三维点云数据p_M转换到机器人法兰盘末端坐标系中，形成一个三维点云数据p_E，具体转换公式如下：

最终得到的水龙头的三维点云重建效果图如图9所示：

3.进行ICP点云配准

利用三维视觉传感器扫描出两个不同安装位姿下的水龙头点云，图10和图11分别为有装夹误差的水龙头测量点云、无装夹误差的水龙头模板点云。

为了提高ICP配准的速度，需要进行体素滤波下采样操作，此操作为减少点云的数量，但保持点云的特征。这大大地提高了点云配准的速度。图12 中，靠右侧点云为进行过下采样的有装夹误差的水龙头测量点云，靠左侧点云为进行过下采样的无装夹误差的水龙头模板点云。

根据ICP点云配准算法，将无装夹误差的水龙头点云转换到有装夹误差的水龙头点云上去，最终可得到一个旋转平移矩阵。图13中左侧的点云为配准后的水龙头点云。可以观察出配准后的点云基本与有装夹误差的水龙头模板点云重合，证明配准效果理想，并且得出的旋转平移矩阵可靠性强。

4.校正水龙头装夹位姿

水龙头工件坐标系O_t1相对于法兰盘的坐标系O_E的坐标变换通过机器人四点标定法得到，该矩阵以欧拉角的形式存放在机器人工具坐标系tool中。

通过ICP配准得到实际水龙头工件坐标系O_t1’相对于标准水龙头工件坐标系O_t1的安装位姿的矩阵转换关系为即矩阵T_icp。

通过矩阵相乘，得到位姿变换后的水龙头工件坐标系相对于法兰盘末端的转换矩阵，然后转化为欧拉角，更新机器人工具坐标系tool 的值。

体素化网格下采样是一种减少点云数量，降低点云密度，并且保证点云的特征不发生改变的滤波方法。使用体素化网格下采样可以加快ICP配准的速度。

当输入一个点云数据，在此点云数据上创建一个三维体素栅格(可认为是很小的三维立方体结构的集合)，接着将每个体素中的点都用其重心点代替。最终，将每个体素处理后的点集合成一个点云数据进行输出，即完成了体素化网格下采样操作，得到了点云密度减少的水龙头点云数据，如图12所示。其中，竖直方向采样后的水龙头模板点云，倾斜方向为下采样后的水龙头实际测量点云。

对图12中的水龙头点云进行ICP配准。ICP(迭代最近点算法)，对于配准的两个点云，首先根据一定的规则去确定对应的点集P和Q,其中对应点集的个数为n对。然后根据最小二乘法迭代计算最优的坐标变换，即旋转矩阵R 和平移矢量t，并且使得误差函数最小。

给定两个三维点集P和Q，ICP配准步骤如下：第一步，计算Q中的每一个点在P点集中的对应近点；第二步，求得使上述对应点对平均距离最小的刚体变换，求得旋转参数和平移参数；第三步，对Q使用上一步求得的旋转和平移参数，得到新的变换点集；第四步，如果新的变换点集与参考点集满足两点集的平均距离小于某一给定阈值，则停止迭代计算，否则新的变换点集作为新的Q继续迭代，直到满足目标函数的要求。

最终，通过ICP配准，将无装夹误差的水龙头工件坐标系O_t1转换到有装夹误差的水龙头工件坐标系O_t1’中，其位姿转换矩阵为也被表示为T_icp。图13所示为水龙头点云ICP配准效果图，配准后的点云与有装夹误差水龙头点云基本重合，从而验证了配准的精度。

ICP配准得到的旋转平移矩阵T_icp表示为：

根据图11与图10的对比，T_icp计算得到的旋转角度53.6°与实际相符合，从反方面验证了配准的可靠。

5.进行水龙头打磨。

将原本示教程序中工具坐标系用更新好的工具坐标系代替，并执行之前示教好的轨迹去进行水龙头的打磨。即可实现有装夹误差的水龙头打磨。

使用本发明后的优点：

优点1：该技术可以解决有装夹误差的水龙头打磨。相比于单纯的示教打磨，它不限定机器人末端坐标系下的工件的位置不变。即工件在机器人末端下可以发生旋转和平移。这样在放置工件的时候，就不一定要放置的那么准确，也可以进行打磨工艺。

优点2：该技术不限定于水龙头打磨，还可以打磨一些其他的复杂工件。即该技术通用性较强。

优点3：利用机器人进行水龙头打磨，有效的提高了工作效率，也不会像人工打磨一样，会有灰尘等进入身体，对人体造成危害。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附实施例及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于视觉及力控的柔性打磨抛光设备，包括工业机器人(1)，所述工业机器人(1)活动端安装有机器人夹具(7)，其特征在于：所述工业机器人(1)背面安装有砂带打磨机(5)，工业机器人(1)一侧安装有上下料台(3)，上下料台(3)顶部安装有视觉检测装置(4)，工业机器人(1)另一侧安装有布轮抛光机(2)，所述视觉检测装置(4)包括型材框(401)，型材底部与上下料台(3)相连接，型材框(401)侧壁安装有视觉组件(403)，所述工业机器人(1)的工作范围将布轮抛光机(2)、视觉检测装置(4)和砂带打磨机(5)包含在内。

2.根据权利要求1所述的一种基于视觉及力控的柔性打磨抛光设备，其特征在于：所述布轮抛光机(2)包括底座(201)，底座(201)底部安装有调整电机(204)，调整电机(204)输出端贯穿底座(201)底部固定连接有调节齿轮(205)，底座(201)顶部滑动连接有与调节齿轮(205)相啮合和齿板(206)，齿板(206)顶部安装有主轴电机(202)，主轴电机(202)两侧的输出端均固定连接有抛光布轮(203)，底座(201)顶部固定连接有辅助台(207)，辅助台(207)顶部与主轴电机(202)滑动接触。

3.根据权利要求1所述的一种基于视觉及力控的柔性打磨抛光设备，其特征在于：所述型材框(401)除一侧和底部外壁外均固定连接有亚克力板(402)，所述工业机器人(1)位于型材框(401)未设置亚克力板(402)的一侧，所述上下料台(3)包括支撑架(301)，支撑架(301)顶部固定连接有板材(302)，板材(302)顶部固定连接有定位组件(303)，所述定位组件(303)位于所述型材框(401)内部。

4.根据权利要求1所述的一种基于视觉及力控的柔性打磨抛光设备，其特征在于：所述砂带打磨机(5)包括支撑座(501)，支撑座(501)顶部固定连接有安装架(502)，安装架(502)两侧的顶部和底部均转动连接有主动轮(505)、力控装置(511)、和可调节的调节轮(510)，所述力控装置(511)包括固定在安装架(502)两侧的边架(512)，边架(512)内部安装有调节气缸(513)，调节气缸(513)输出端固定连接有活动板(514)，活动板(514)侧面顶部和底部分别通过安装条板(515)转动连接有从动轮(507)和辅助轮(508)，所述主动轮(505)、从动轮(507)、辅助轮(508)和调节轮(510)外壁设置有闭环的打磨砂带(509)，所述安装架(502)背面顶部和底部分别安装有与主动轮(505)位置对应的驱动电机(504)，驱动电机(504)分别与对应位置的主动轮(505)通过传动皮带(506)相传动。

5.根据权利要求4所述的一种基于视觉及力控的柔性打磨抛光设备，其特征在于：所述安装架(502)顶部安装有控制柜(503)，所述控制柜(503)分别与驱动电机(504)和调节轮(510)电性连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于视觉及力控的柔性打磨抛光设备，其特征在于：所述机器人夹具(7)包括旋转滑环机构(701)，旋转滑环机构(701)顶部与工业机器人(1)固定连接，旋转滑环机构(701)底部转动连接有切换气缸(702)，所述切换气缸(702)输出端通过连接架固定连接有松紧气缸(703)。

7.根据权利要求6所述的一种基于视觉及力控的柔性打磨抛光设备，其特征在于：所述切换气缸(702)的角度调节范围为0-90°，所述工业机器人(1)为可旋转六关节机器人。

8.根据权利要求1所述的一种基于视觉及力控的柔性打磨抛光设备，其特征在于：所述工业机器人(1)正面安装有控制单元(6)，所述工业机器人(1)、机器人夹具(7)、视觉检测装置(4)、布轮抛光机(2)和砂带打磨机(5)分别与控制单元(6)电性连接。

9.一种基于视觉及力控的柔性打磨抛光方法，其特征在于：使用了权利要求1-8任一所述的一种基于视觉及力控的柔性打磨抛光设备，其打磨方式具体分为以下步骤：

步骤一：将待打磨的工件放置在上下料台(3)的定位组件(303)上，工业机器人(1)通过机器人夹具(7)抓取工件；

步骤二：将抓取的工件运输到视觉检测装置(4)内部，通过视觉组件(403)采集工件三维轮廓信息，然后通过三维重建算法创建好模板点云，最后结合这个三维点云信息通过机器人轨迹规划软件或者直接通过示教生成打磨程序；

步骤三：使用icp点云配准算法算出水龙头装夹误差，偏差平移量与角度量以欧拉角的形式补偿进原先机器人标定的工具坐标系中，利用更新后的工具坐标系去执行先前示教好的打磨程序；

步骤四：工业机器人(1)根据打磨和抛光的轨迹依次通过砂带打磨机(5)和布轮抛光机(2)对工件进行打磨和抛光处理；

步骤五：工业机器人(1)将工件放回到原工位。

10.根据权利要求9所述的一种基于视觉及力控的柔性打磨抛光方法，其特征在于：所述步骤二中的三维重建算法其内容包括：

S1：坐标系构建，以工业机器人(1)的法兰盘末端默认工具坐标系记作O_E，以工业机器人(1)的底部基点记作O_B，视觉组件上的视觉测量坐标系记作O_M，为了方便标定出手眼矩阵，首先将工业机器人(1)的工件坐标系记作O_G，标定的时候令O_G与视觉测量坐标系O_M原点重合，将此时的工件坐标系标记为O_t；

S2：打开视觉检测装置，移动工业机器人(1)的活动端尖点到达视觉组件(403)的图像中心处(x1，y1)，使用工业机器人(1)的三点标定法，标定该点为工件坐标系的原点位置，然后移动尖点到图像像素为(u,y1)处标定为工件坐标系的x轴，再移动尖点到图像像素为(x1,v)处标定为工件坐标系的y轴，其中，u为大于x1的任意数值，v为大于y1的任意数值，最终完成工件坐标系的标定，此时标定的工件坐标系的x轴与激光平面测量坐标系的x轴重合，y轴与激光平面测量坐标系的z轴重合，由于采用的是机器人控制系统中工件三点标定法，可以得出工件坐标系O_G和机器人基坐标系O_B的转换关系

S3：视觉测量坐标系O_M和工件坐标系O_G原点相同，x轴方向相同，坐标系O_M的z轴与坐标系O_G的y轴重合，视觉测量坐标系O_M和工件坐标系O_G的转换关系

S4：由工业机器人(1)获得每帧扫描时工业机器人(1)法兰盘末端坐标系O_E相对于机器人基坐标系O_B的姿态转换关系为

S5：最终通过视觉测量坐标系下的三维点云数据p_M转换到工业机器人(1)法兰盘末端坐标系O_E下得到工件新的点云数据p_E，完成工件点云在法兰盘末端坐标系O_E下的三维重建,具体坐标转换公式如下：

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