CN116929211A - 一种机械辅助空间定位方法和辅助定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械辅助空间定位方法和辅助定位装置；该机械辅助空间定位方法包括以下步骤：(1)利用作业现场的二维定位相机对待定位物品定位并将其在XYZ三维坐标系中的空间位置信息传输给一控制器；(2)利用作业现场内的一移载机构将一作业工具移载到已获取的待定位物品的空间位置；(3)通过一辅助定位装置吸附于待定位物品的一个与z轴平行的平面；(4)作业工具利用辅助定位装置的机械限位确定z轴向并完成作业。本发明可通过机械机构可以补偿空间视觉定位的欧拉角的坐标精度，满足机械机构运动坐标的定位要求。

Description

一种机械辅助空间定位方法和辅助定位装置

技术领域

本发明涉及自动化领域，具体涉及一种机械辅助空间定位方法和辅助定位装置。

背景技术

在某些自动化设备使用场景中，由于零件定位精度较差，位置的自由度较高，定位困难，最高可以达到六自由度(XYZ三个方向移动，绕着XYZ各个方向旋转)，如图1所示，此时如果需要将零件准确定位并抓取则需要三维六向坐标的定位，方可将目标零件无干涉的准确抓取。

目前比较常见可靠的方式是采用相机方式定位，采用机器人方式抓取。相机可以确定目标零件的坐标系，相机将确定的坐标传输给机器人，机器人按照相机给定的坐标向目标运动，为适应六自由度的零件，则需要六自由度的机械手方可实现。目前市面上比较成熟可行的方案为六轴机器人的形式，六轴机器人末端正好有六个自由度，理论上在机器人行程范围内，机器人可以准确无干涉的抓取任意位置的零件。

相机配合机器人的方式在大多数情况下是比较完美的组合，几乎可以忽略零件精度的影响。但是由于相机受到光源，软件的稳定性，周边环境，零件特征、零件表面状态等因素的影响，所以无法完全适用任何环境。当自动化设备在环境较为恶劣的环境中工作时，定位技术会受到环境干扰而影响定位的效率与精度，甚至会因为环境的干扰而影响运动机构的实现。另外由于六轴机器人价格昂贵且安全防护要求较高，编程复杂，实际功能使用率较低同时选择时会受到机器人参数的限制等，所以需要更为简单易行的方案，来实现此功能。

发明内容

本发明的目的，就是为了解决上述问题而提供了一种机械辅助空间定位方法和辅助定位装置，可通过机械机构可以补偿空间视觉定位的欧拉角的坐标精度，满足机械机构运动坐标的定位要求。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供一种机械辅助空间定位方法，位于作业空间的XYZ三维坐标系中的待定位物品表面为规则的平面结构，该待定位物品通过xyz三维坐标系中沿z轴向设置的或沿z轴向动作的作业工具以完成作业流程，xyz三维坐标系与XYZ三维坐标系间存在欧拉角度变化；该机械辅助空间定位方法包括以下步骤：

(1)利用作业现场的二维定位相机对待定位物品定位并将其在XYZ三维坐标系中的空间位置信息传输给一控制器；

(2)利用作业现场内的一移载机构将一作业工具移载到已获取的待定位物品的空间位置；

(3)通过一辅助定位装置吸附于待定位物品的一个与z轴平行的平面；

(4)所述作业工具利用辅助定位装置的机械限位确定z轴向并完成作业。

上述的一种机械辅助空间定位方法中步骤(1)中，定位相机为2D相机，通过该2D相机确定待定位物品的XYZ三维坐标系的一个平面坐标信息；步骤(2)中，移载机构沿着与已获取坐标信息的平面相垂直的一坐标轴方向快速进行并利用一距离传感器进行探测，当达到传感器接收距离后，移载工具切换至慢速运动，辅助定位装置具有一弹性压缩量，当辅助定位装置移动至已获取坐标信息的平面的一轴向位置后，辅助定位装置沿已获取坐标信息的平面的另一轴向的贴紧待定位物品；步骤(3)中，通过辅助定位装置吸附于待定位物品中与z轴平行的一平面；和/或,步骤(2)中，辅助装置通过移载机构举升到拆装位时，作业工具与待作业物品间设置一弹性机构，当移载机构沿着z轴向运动时，该弹性机构被拉伸，当步骤(4)中作业完成时，通过弹性机构的回复力实现待作业物品的脱离。

上述一种机械辅助空间定位方法中步骤(3)中，辅助定位装置可同时吸附待定位物品的两个相交于z轴向的平面。

上述一种机械辅助空间定位方法中辅助定位装置用于吸附于待定位物品表面的机构安装于一三维空间内转动的万向连接机构上。

上述一种机械辅助空间定位方法中万向连接结构为可浮动连接结构。

本发明还提供一种辅助定位装置包括：

两个分别沿XYZ三维坐标系中两个轴向设置的球头杆；

一底座，该底座设有两个分别供球头杆安装的支撑座；

两个分别与球头杆的球头配套安装以形成类万向节结构的母球头；以及两块分别与两个母球头固定连接的电磁铁固定板，每个电磁铁固定板的一面与母球头固定连接，另一面作为安装面安装电磁铁。

上述的一种辅助定位装置中支撑座设有供球头杆穿过安装的安装孔，支撑座固定连接一供作业现场的一移载工具固定安装的法兰；和/或，每个电磁铁固定板的一面连接两根直线导轨，每个电磁铁滑动安装于其对应的两根直线导轨上，每个电磁铁的下端连接一弹簧，该弹簧沿电磁铁的滑动方向设置，其另一端连接电磁铁固定板。

上述的一种辅助定位装置中移载工具或辅助定位装置还安装有距离感应器。

上述的一种辅助定位装置中球头杆可支撑母球头并配合母球头实现万向浮动，母球头为筒状结构，其内部与球头杆的球头通过两片球头配合片连接，其中一球头配合片与母球头固定连接，另一球头配合片可调节其安装于母球头中的位置，通过两片球头配合片的间距调节以调节球头配合片与球头间的摩擦力。

上述的一种辅助定位装置中两块电磁铁固定板相交于三维坐标系中一轴向并相互连接，电磁铁分别安装于两块电磁铁固定板的安装面的上部，该两块电磁铁固定板的安装面的下部供一作业工具安装。

本发明可对待定位物品的至少一个设定面的欧拉角的限制，进一步的可同时对两个设定面的欧拉角的限制，此时待定位物品只有一个自由度，此时通过三个维度坐标以及目标欧拉角的物理限制，由辅助定位装置实现一维度的定向运动即可将目标顺利的拆装。

附图说明

图1是三维空间欧拉角度变化示意图；

图2是本发明的辅助定位装置的结构示意图；

图3是本发明的辅助定位装置的另一视角结构示意图；

图4是本发明的辅助定位装置的一种实施方式的结构示意图；

图5是本发明的辅助定位装置的一种实施方式的另一视角示意图；

图6是本发明的支撑座、球头杆和母球头安装状态示意图；

图7是使用本发明辅助定位装置的角件和锁钮结构图；

图8是图7的另一视角示意图；

图9是本发明的辅助定位装置的另一种实施方式的结构示意图；

图10是图9的另一视角结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明作进一步说明。

请参阅图2至图4，图中示出了本发明的一种辅助定位装置包括：

两个分别沿XYZ三维坐标系中两个轴向设置的球头杆1；本实施例中，两个球头杆1分别沿X轴和Y轴向设置；

一底座2，该底座2设有两个分别供球头杆1安装的支撑座3；本实施例中，支撑座3设有供球头杆1穿过安装的安装孔，支撑座3固定连接一供作业空间内的移载工具(图中未示出)固定安装的法兰(图中未示出)，本实施例中为机械臂，该机械臂设有视觉定位用2D相机；底座2可支撑本发明的空间定位辅助装置，支撑座3用于支撑和导向安装球头杆1。

两个分别与球头杆1的球头配套的母球头4以形成类万向节结构，球头杆1可支撑母球头4，同时配合母球头4起到万向浮动的作用；

如图6所示，图中示出了本发明的球头杆1与母球头4连接结构，母球头4为筒状结构，其内部通过两片球头配合片41与球头杆1的球头实现类万向节结构，其中，远离球头杆1杆部的一块球头配合片41-1与母球头4固定连接，靠近球头杆1杆部的一块球头配合片41-2可运动以调节两块球头配合片41的间距，当球头配合片41-2按照图示位置向球头配合片41-1运动时，两个球头配合片41距离减小，球头杆1的球头与球头配合片41间压力增加，摩擦力增大，球头杆1和母球头4相对运动变得困难甚至相对静止，当球头配合片41-2按照图示位置远离球头配合片41-1时，情况与上述相反。进一步的，球头配合片41-1的运动机构包括：一与球头配合片41-1固定连接的调节螺母42，该母球头4的筒状结构的一端部设有供该调节螺母4旋转进出的内螺纹，该调节螺母42通过手动调节两块球头配合片41的间距进而控制母球头4安装状态时的转动摩擦力；更进一步的，调节螺母42为通过一驱动机构控制的运动机构，该驱动机构可为一个与调节螺母42传动连接的伺服电机，通过伺服电机的旋转带动调节螺母42旋转以控制两片球头配合片41的间距；球头配合片41-2亦可直接与一电动推杆连接，通过电动推杆的伸缩提供动力，实现球头配合片41间的间距调整，本实施例简易结构，可通过增加可控制机构，可在PLC和伺服电机的配合下控制运动和位置，控制球头杆1与母球头4间万向运动摩擦力在不同作业阶段进行变化；

控制球头杆1和母球头4之间的相对运动关系，主要目的是因为当辅助定位装置在未接触到待定位物品时，辅助定位装置需要带着作业工具7一起运动，此时需要使整个辅助定位装置有固定的的位置，不能有相对运动，此时球头杆1和母球头4应该相对静止，当电磁铁6需要吸附待定位物品时，为保证电磁铁6吸附面与待定位物品相重合则球头杆1和母球头4需要做万向运动，此时球头杆1与母球头4不能相对静止，因此球头杆1和母球头4之间的运动可以控制。

球头杆1与母球头4可浮动连接的作用是因为待定位物品在空间坐标系中的欧拉角无法准确确定，即可以与XYZ都有相应的角度，而不是理想的90°关系，这时如需要完全贴合待定位物品的坐标系，则需要辅助定位装置能与之相适应的角度才可以，球头杆1与母球头4可以根据待定位物品的角度适时调整，使辅助定位装置坐标与待定位物品的坐标相重合。

两块分别与两个母球头4固定连接的电磁铁固定板5，该两块电磁铁固定板5分别位于xyz三维坐标系中的xz平面和yz平面内，该电磁铁固定板5的一面与之对应的母球头4固定连接，另一面安装有电磁铁6，母球头4用于安装电磁铁固定板5，配合球头杆1和母球头4形成的类万向节结构起到万向浮动功能；本实施例中，电磁铁固定板5与母球头4焊接连接，该电磁铁6通过作业现场的控制系统控制。

进一步的，两块电磁铁固定板5相交于xyz三维坐标系中z轴向并相互连接，电磁铁6分别安装于两块电磁铁固定板5的一端部，两块电磁铁固定板5的另一端部供作业工具7安装，电磁铁固定板5用于固定安装电磁铁6，电磁铁6用于吸附待定位的目标零件的平面，进而实现精确定位；

更进一步的，作业工具7为用于拆、装集装箱固定用的锁钮8的拆装夹具，拆装夹具的拨锁钮机构的转轴的轴向为z轴向。

参见图9-10，上述实施例的辅助定位装置不同的是，每块电磁铁6通过两根直线导轨61安装于电磁铁固定板5上，直线导轨61沿z轴向设置，每块电磁铁6连接一弹簧62的一端，该弹簧沿z轴向设置，另一端连接电磁铁固定板5。初始状态下，弹簧62利用弹性支撑电磁铁6，当作业工具7沿z轴向向角件81运动时，电磁铁6通电吸附角件81，作业工具7沿z轴向向角件81运动，电磁铁6吸附状态限制运动，此时电磁铁6沿直线导轨61随角件81接近作业工具7，此时弹簧62被压缩，当作业工具7停止运动并完成拆卸锁钮8时，本发明的辅助定位装置通过弹簧62的回复力使得被夹持的锁钮8沿直线导轨61方向从角件81中脱离。当辅助定位装置用于锁钮8的安装时，作业工具7夹持锁钮8沿z轴向向角件81运动，电磁铁6通电吸附角件81，作业工具7沿z轴向向角件81运动，电磁铁6吸附状态限制运动，此时电磁铁6沿直线导轨61随角件81接近作业工具7，此时弹簧62被压缩，当作业工具7停止运动并完成安装锁钮8后，辅助定位装置通过弹簧62的回复力脱离。辅助定位装置定位出现偏差时，也可以电磁铁6在直线导轨61滑动进一步校正方向。

本发明辅助空间定位方法，被定位的待定位物品至少一个平面位于xyz三维坐标系的xz平面内，作业工具7的作业部件为沿z轴设置或沿z轴方向动作以完成作业过程，作业工具7安装于一辅助定位装置上，该辅助空间定位方法包括以下步骤：

(1)利用作业现场的定位相机对待定位物品(本实施例中为锁钮8)定位，将其在XYZ三维坐标系中的空间位置传输给一控制器；

(2)利用作业现场内的移载工具将作业工具7移载到待定位物品的XYZ三维坐标系中的空间位置；

(3)辅助定位装置可吸附于待定位物品的xz平面；

(4)作业工具7通过辅助定位装置的物理限位并以z轴向完成作业。

步骤(1)中定位相机为2D相机，通过该2D相机确定待定位物品的YZ平面坐标后，移载机构沿着X轴快速进行并利用一距离传感器进行探测，当达到传感器接收距离后，移载机构沿着X轴慢速运动，辅助定位装置的YZ面有一定的弹性压缩量，Y轴向按照2D相机的坐标准确到位，Z轴向贴紧辅助定位装置的XY平面定位，此时辅助定位装置的电磁铁6吸附待定位物品。因此，辅助定位装置与角件81有确定的位置关系，即角件81的空间坐标与辅助装置的空间坐标重合，这样就可以准确将锁钮8从角件81中解锁并取下。

进一步的，步骤(3)中辅助定位装置可同时吸附待定位物品的xz平面和yz平面；

进一步的，辅助定位装置用于吸附于待定位物品的空间平面的机构安装于一三维空间内转动的安装机构上。

本实施例辅助定位装置的最终目的是将锁钮8从角件81上顺利取下。在拆锁钮8的过程中使用拆装夹具以及定位(本实施例中为2D视觉相机)，移载工具(本实施例中为机械臂)等结构，本发明主要为了解决定位问题。

实际拆装过程中锁具与角件有比较稳定的相对关系，但是角件与空间绝对坐标系无确定的相对关系即角件81可能会与绝对坐标的XYZ轴都会有一定的角度关系，所以会形成空间立体坐标系，如果仅仅依靠2D相机是无法准确确定角件的坐标，所以无法准确将锁钮8取下。

本发明辅助装置对至少一个设定面的欧拉角的限制，进一步的可同时对两个设定面的欧拉角的限制，此时待定位物品只有一个自由度，此时通过三个维度坐标以及目标欧拉角的物理限制，由辅助定位装置实现一维度的定向运动即可将目标顺利的拆装。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种机械辅助空间定位方法，位于作业空间的XYZ三维坐标系中的待定位物品表面为规则的平面结构，该待定位物品通过xyz三维坐标系中沿z轴向设置的或沿z轴向动作的作业工具以完成作业流程，xyz三维坐标系与XYZ三维坐标系间存在欧拉角度变化；其特征在于，该机械辅助空间定位方法包括以下步骤：

(1)利用作业现场的二维定位相机对待定位物品定位并将其在XYZ三维坐标系中的空间位置信息传输给一控制器；

(2)利用作业现场内的一移载机构将一作业工具移载到已获取的待定位物品的空间位置；

(3)通过一辅助定位装置吸附于待定位物品的一个与z轴平行的平面；

(4)所述作业工具利用辅助定位装置的机械限位确定z轴向并完成作业。

2.如权利要求1所述的一种机械辅助空间定位方法，其特征在于，所述步骤(1)中，定位相机为2D相机，通过该2D相机确定待定位物品的XYZ三维坐标系的一个平面坐标信息；步骤(2)中，所述移载机构沿着与已获取坐标信息的平面相垂直的一坐标轴方向快速进行并利用一距离传感器进行探测，当达到传感器接收距离后，所述移载工具切换至慢速运动，所述辅助定位装置具有一弹性压缩量，当所述辅助定位装置移动至已获取坐标信息的平面的一轴向位置后，所述辅助定位装置沿已获取坐标信息的平面的另一轴向的贴紧所述待定位物品；步骤(3)中，通过所述辅助定位装置吸附于所述待定位物品中与z轴平行的一平面；和/或,步骤(2)中，所述辅助装置通过移载机构举升到拆装位时，所述作业工具与待作业物品间设置一弹性机构，当移载机构沿着z轴向运动时，该弹性机构被拉伸，当步骤(4)中作业完成时，通过弹性机构的回复力实现待作业物品的脱离。

3.如权利要求1所述的一种机械辅助空间定位方法，其特征在于，步骤(3)中，所述辅助定位装置可同时吸附待定位物品的两个相交于z轴向的平面。

4.如权利要求1所述的一种机械辅助空间定位方法，其特征在于，辅助定位装置用于吸附于待定位物品表面的机构安装于一三维空间内转动的万向连接机构上。

5.如权利要求4所述的一种机械辅助空间定位方法，其特征在于，所述万向连接结构为可浮动连接结构。

6.一种辅助定位装置，其特征在于，所述辅助定位装置包括：

两个分别沿XYZ三维坐标系中两个轴向设置的球头杆；

一底座，该底座设有两个分别供所述球头杆安装的支撑座；

两个分别与所述球头杆的球头配套安装以形成类万向节结构的母球头；以及两块分别与两个母球头固定连接的电磁铁固定板，每个所述电磁铁固定板的一面与所述母球头固定连接，另一面作为安装面安装所述电磁铁。

7.如权利要求6所述的一种辅助定位装置，其特征在于，所述支撑座设有供所述球头杆穿过安装的安装孔，所述支撑座固定连接一供作业现场的一移载工具固定安装的法兰；和/或，每个所述电磁铁固定板的一面连接两根直线导轨，每个所述电磁铁滑动安装于其对应的两根直线导轨上，每个所述电磁铁下端连接一弹簧，该弹簧沿电磁铁的滑动方向设置，其另一端连接所述电磁铁固定板。

8.如权利要求7所述的一种辅助定位装置，其特征在于，所述移载工具或所述辅助定位装置还安装有距离感应器。

9.如权利要求6所述的一种辅助定位装置，其特征在于，所述球头杆可支撑所述母球头并配合所述母球头实现万向浮动，所述母球头为筒状结构，其内部与所述球头杆的球头通过两片球头配合片连接，其中一球头配合片与母球头固定连接，另一球头配合片可调节其安装于母球头中的位置，通过两片所述球头配合片的间距调节以调节所述球头配合片与球头间的摩擦力。

10.如权利要求6或7所述的一种辅助定位装置，其特征在于，所述两块电磁铁固定板相交于三维坐标系中一轴向并相互连接，所述电磁铁分别安装于两块电磁铁固定板的安装面的上部，该两块电磁铁固定板的安装面下部供一作业工具安装。