CN117021137A - 一种适配多种打磨工具的视觉示教装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工业机器人打磨领域,具体涉及一种适配多种打磨工具的视觉示教装置及方法,包括手持示教定位系统各个装置、机器人控制系统、打磨工具配合部分和柔性力控装置,手持示教定位系统包含了红外LED定位系统、IMU九轴惯性传感元、力传感元和交互模组;双目红外摄像头采集定位笔的位姿信息,配合九轴传感器采集的位姿信息,实现了定位数据的精确获取;力传感元获取示教笔接触工件实时力变化信息;数据传输到PC端,经由PC端处理转化成加工路径代码;工具配合部分,与打磨工具配合安装;柔性力控装置配置于机器人法兰盘接收实时接触力变化信息进行加工路径仿真。本发明能够灵活方便的操作机器人适配打磨工具,更提高了柔性打磨机器人的加工效率。
Description
技术领域
本发明涉及工业机器人技术领域,尤其涉及一种适配多种打磨工具的视觉示教装置。
背景技术
近些年来,工业机器人由于其高效的工作方式、较强的通用性、可重复精度高等优势,在工业制造各个领域中崭露头角,例如分拣包装产品、喷漆焊接工件等。传统的机器人控制方法有示教器编程以及机器人离线编程。示教器编程的具体方法就是工人通过示教器控制机器人以不同的指令类型依次移动至各个点位,并记录下各个点位的信息,再由机器人控制器根据记录的指令控制机器人从起点运作至终点。这种机器人控制方式适用于过程精度要求不高的作业情况。机器人离线编程则是利用离线编程软件建立机器人仿真环境,通过仿真环境生成路径代码,也可以手动编程指令,细化过程中每个点位的机器人位姿和运作方式,其精度较示教器有较大的提升,且不需要工人处于现场操作,提升了安全性,但相应的损失了一些灵活性,示教过程繁琐,且不能从根本上解决了工具与示教装置的位置偏移量计算问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术中的问题,而提出的一种适配多种打磨工具的视觉示教装置及方法。
为了实现上述目的,本发明采用了如下技术方案:
一种适配多种打磨工具的视觉示教装置,包括手持示教定位装置,所述手持示教定位装置用于采集自身的空间位姿数据以及接触力变化信息,所述手持示教定位装置包含手持示教手柄、IMU9轴姿态传感器、红外LED标记装置、力传感元、连接法兰面、交互模组和启动键;示教控制器,所述示教控制器获取由交互模组发送的手持示教定位装置采集的位姿信息和接触力信息,位姿信息转化为轨迹数据,接触力信息在示教控制器上实时显示;双目红外摄像头,用于实时拍摄获取红外图像,传输到示教控制器的计算单元中;柔性机器人本体,所述柔性机器人本体固定在工作台上;柔性打磨头,用于接收示教系统采集的加工接触力变化信息,并加以应用于仿真和实际加工过程中,且此装置还包含恒力控制模块以实现柔性打磨过程,所述柔性打磨头与柔性机器人本体用法兰相连;柔性打磨机器人控制器,用于给柔性机器人本体传输数据,控制柔性机器人本体规划路径并运作;PC端,用于接收示教控制器传出的位姿信息和接触力信息,并将轨迹数据转化成机器人路径指令,将实时接触力变化输入柔性力控装置,控制柔性打磨过程力实时变化,所述PC端与柔性打磨机器人控制器相连,用于传输数据。
在上述的一种适配多种打磨工具的视觉示教装置中,所述红外LED标记装置顶部配置有5个红外灯,且向外发射红外光,用双目红外摄像头实时拍摄获取红外图像,获取红外灯所在位置,再通过PnP算法获得红外LED标记装置构成的坐标系,再获取相对于红外双目相机坐标系的变换矩阵。
在上述的一种适配多种打磨工具的视觉示教装置中,所述IMU9轴姿态传感器中包含3轴加速度计、3轴陀螺仪、3轴磁力计,分别获取了三轴加速度、旋转速度和旋转加速度信息,而3轴磁力计又对前六轴数据进行偏航校正。
在上述的一种适配多种打磨工具的视觉示教装置中,所述力传感元用于记录模拟加工工件实时接触力的变化,经交互模组传送至示教控制器上显示。
在上述的一种适配多种打磨工具的视觉示教装置中,所述连接法兰面的中心作为原点,与各种打磨工具的法兰面连接,各工具的TCP与其法兰面坐标系的变换矩阵相匹配,切换工具时系统选取对应变换矩阵,实现工具快换与适配。
在上述的一种适配多种打磨工具的视觉示教装置中,所述柔性打磨头基于气浮控制系统,通过柔性打磨头内的气压控制系统实现主动式补偿,在打磨过程中提供恒定力控制,通过柔性打磨提高打磨效果,此柔性力控装置还可接收PC端传送来的实时力变化情况,并加以应用到实际打磨过程中。
在上述的一种适配多种打磨工具的视觉示教装置及方法中,所述双目红外摄像头使用双目红外相机,通过两个红外相机的组合,获取的图像差别建立特征点之间联系,将同一个红外发射点在不同图像中的映像点相对应,建立起立体视觉,从而获取更加精确的位姿信息。
使用上述一种适配多种打磨工具的视觉示教装置的方法中,所述方法包含如下步骤:
步骤一、双目红外摄像头安装在打磨工作台附近的固定位置,保证双目红外摄像头的视野范围覆盖手持示教器示教范围以及柔性机器人本体打磨路径的工作空间,进行手眼标定,待操作人员将工具安装在手持示教手柄末端并调整好相应位置,使用手持示教器完成示教;
步骤二、操作人员手持示教装置,按下启动键,IMU9轴姿态传感器、红外LED标记模块、力传感元同时开启,手握示教手柄以满足工艺要求的力接触工件,并将示教装置沿着预设轨迹在工件表面运动,IMU9轴姿态传感器和红外LED标记模块实时采集位姿信息,力传感元采集实时接触力信息,通过交互模组传输给示教控制器和PC端;
步骤三、PC端将采集的一连串位姿数据经过处理后转化为加工轨迹代码,将力传感元采集的力变化信息传输到柔性打磨机器人控制器,两者数据按示教时间线一一对应,之后便结合柔性打磨头对加工工件过程进行仿真,控制打磨过程中的接触力,以期达到恒力打磨的目标,根据仿真情况对代码进行优化,将优化后的代码导入柔性打磨机器人控制器,控制柔性机器人本体完成打磨工件过程。
与现有的技术相比,本适配多种打磨工具的视觉示教装置及方法的优点在于:
本发明实现了一种操作简单、灵活方便的工业机器人示教系统,通过此方法,不仅使人们操作工业机器人的门槛大大降低,且提高了机器人示教时间的效率;
本发明加装与工具配合的法兰面,按照需要将打磨工具调整在相应位置,在根本上解决了工具与示教装置的位置偏移量计算问题,配合柔性力控装置更使得工业机器人在打磨加工领域获得更长足的进步。
附图说明
图1是本发明的流程框图;
图2是本发明的手持示教手柄的结构示意图;
图3是本发明的手持示教系统结构示意图;
图4是本发明的手持示教手柄组装打磨工具时的结构示意图;
图5是本发明的手持示教手柄组装裁切工具时的结构示意图。
图中:1、双目红外摄像头;2、手持示教手柄;3、待加工零件;4、柔性打磨头;5、柔性机器人本体;6、示教控制器;7、柔性打磨机器人控制器;8、PC端;2a、IMU9轴姿态传感器;2b、红外LED标记装置;2c、连接法兰面;2d、力传感元;2e、交互模组;2f、启动键。
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。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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,而不是指示或暗示所指的装置或元件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。
参照图1-5,本发明提出了一种适配多种打磨工具的视觉示教装置,通过双目红外摄像头1实时拍摄获取红外图像,传输到示教控制器6的计算单元中,获取红外LED标记装置2b所在方向,再通过PnP算法获得红外LED标记装置2b构成的坐标系,再获取相对于红外双目相机坐标系的变换矩阵,结合IMU9轴姿态传感器2a,对于示教姿态容易控制且更加精确。
以下结合附图进一步说明本发明。
实施例:如附图2-图3所示,一种适配多种打磨工具的视觉示教装置包括手持示教定位装置,手持示教定位装置用于采集自身的空间位姿数据以及接触力变化信息;示教控制器6,示教控制器6获取由交互模组2e发送的手持示教定位装置采集的位姿信息和接触力信息,位姿信息转化为轨迹数据,接触力信息在示教控制器6上实时显示;双目红外摄像头1,用于实时拍摄获取红外图像,传输到示教控制器6的计算单元中;柔性机器人本体5,柔性机器人本体5固定在工作台上;柔性打磨头4,用于接收示教系统采集的加工接触力变化信息,并加以应用于仿真和实际加工过程中,且此装置还包含恒力控制模块以实现柔性打磨过程,柔性打磨头4与柔性机器人本体5用法兰相连;柔性打磨机器人控制器7,用于给柔性机器人本体5传输数据,控制柔性机器人本体5规划路径并运作;PC端8,用于接收示教控制器6传出的位姿信息和接触力信息,并将轨迹数据转化成机器人路径指令,将实时接触力变化输入柔性力控装置,控制柔性打磨过程力实时变化,PC端8与柔性打磨机器人控制器7相连,用于传输数据。
手持示教定位装置包含手持示教手柄2、IMU9轴姿态传感器2a、红外LED标记装置2b、力传感元2d、连接法兰面2c、交互模组2e和启动键2f。
红外LED标记装置2b顶部配置有5个红外灯,且向外发射红外光,用双目红外摄像头1实时拍摄获取红外图像,获取红外灯所在方向,再通过、PnP算法获得红外LED标记装置2b构成的坐标系,再获取相对于红外双目相机坐标系的变换矩阵。
IMU9轴姿态传感器2a中包含3轴加速度计、3轴陀螺仪、3轴磁力计,分别获取了三轴加速度、旋转速度和旋转加速度信息,而3轴磁力计又对前六轴数据进行偏航校正。
力传感元2d用于记录模拟加工工件实时接触力的变化,经交互模组2e传送至示教控制器6上显示。
连接法兰面2c可适配多种工具连接,如图4-图5,分别通过法兰连接打磨工具、切割装置,连接法兰面2c也可以替换为其他的固定连接方式,如螺钉连接,所述连接法兰面2c的中心作为原点,与各种打磨工具的法兰面连接,各工具的TCP与其法兰面坐标系的变换矩阵相匹配,切换工具时系统选取对应变换矩阵,实现工具快换与适配。
柔性打磨头4基于气浮控制系统,通过柔性打磨头4内的气压控制系统实现主动式补偿,在打磨过程中提供恒定力控制,柔性力控装置还可接收PC端8传送来的实时力变化情况,并加以应用到实际打磨过程中,PC端8用卡尔曼滤波算法对接收到的位姿数据进行优化,解决操作员可能产生的晃动、环境影响等客观问题,使最终成形的轨迹平滑自然过渡,例如:在操作员手持手柄示教过程中身体发生不自觉颤抖,导致形成的部分轨迹成锯齿形,通过卡尔曼滤波算法对轨迹进行预测与优化。
双目红外摄像头1使用双目红外相机,通过两个红外相机的组合,获取的图像差别建立特征点之间联系,将同一个红外发射点在不同图像中的映像点相对应,建立起立体视觉,从而获取更加精确的位姿信息。
上述的一种适配多种打磨工具的视觉示教装置的使用方法,具体步骤为:
第一步,双目红外摄像头1安装在打磨工作台附近的固定位置,保证双目红外摄像头1的视野范围覆盖手持示教定位装置示教范围以及柔性机器人本体5打磨路径的工作空间,进行手眼标定,待操作人员将工具安装在手持示教手柄2末端并调整好相应位置,确定待加工零件3的原点,操作员将工具与手柄通过法兰等相连,其中工具可以为打磨工具、裁切工具等加工工具,连接结构可以为法兰连接、螺钉连接等连接方式,再将手柄的工具放置在原点处,按住手柄的启动键2f,记录零件坐标。
第二步,按住启动键2f,按照需要的轨迹拖动手持示教手柄2,期间,双目红外摄像头1与IMU9轴姿态传感器共同获取手柄的位姿信息,双目红外摄像头1的信息通过缆线传输至示教控制器6,IMU9轴姿态传感器2a的信息由手持示教手柄2的交互模组2e传输至示教控制器6,再由示教控制器6传输至PC端8;同时,力控记录模块2d实时记录各轨迹点对应接触力,当轨迹结束时松开启动键2f,结束记录轨迹与接触力。
第三步,PC端8通过将采集的一连串位姿数据经过处理后转化为加工轨迹代码,并且结合柔性打磨头4对加工工件过程进行仿真,根据仿真情况对代码进行优化,再结合录入的打磨过程中的接触力,以期达到恒力打磨的目标,根据仿真情况对代码进行优化,将优化后的代码导入机器人控制器,控制机器人完成打磨。
进一步说明,上述固定连接,除非另有明确的规定和限定,否则应做广义理解,例如,可以是焊接,也可以是胶合,或者一体成型设置等本领域技术人员熟知的惯用手段。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种适配多种打磨工具的视觉示教装置,其特征在于,包括:
手持示教定位装置,所述手持示教定位装置用于采集自身的空间位姿数据以及接触力变化信息,所述手持示教定位装置包含手持示教手柄(2)、IMU9轴姿态传感器(2a)、红外LED标记装置(2b)、力传感元(2d)、连接法兰面(2c)、信号交互模组(2e)和启动键(2f);
示教控制器(6),所述示教控制器(6)获取由交互模组(2e)发送的手持示教定位装置采集的位姿信息和接触力信息,位姿信息转化为轨迹数据,接触力信息在示教控制器(6)上实时显示;
双目红外摄像头(1),所述双目红外摄像头(1),用于实时拍摄获取红外图像,传输到示教控制器(6)的计算单元中;
柔性机器人本体(5),所述柔性机器人本体(5)固定在工作台上;
柔性打磨头(4),所述柔性打磨头(4),用于接收示教系统采集的加工接触力变化信息,并加以应用于仿真和实际加工过程中,且此装置还包含恒力控制模块以实现柔性打磨过程,所述柔性打磨头(4)与柔性机器人本体(5)用法兰相连;
柔性打磨机器人控制器(7),所述柔性打磨机器人控制器(7),用于给柔性机器人本体(5)传输数据,控制柔性机器人本体(5)规划路径并运作;
以及PC端(8),所述PC端(8)用于接收示教控制器(6)传出的位姿信息和接触力信息,并将轨迹数据转化成机器人路径指令,将实时接触力变化输入柔性力控装置,控制柔性打磨过程力实时变化,PC端(8)与柔性打磨机器人控制器(7)相连,用于传输数据。
2.根据权利要求1所述的一种适配多种打磨工具的视觉示教装置,其特征在于:所述红外LED标记装置(2b)顶部配置有若干红外灯,且向外发射红外光,用双目红外摄像头(1)实时拍摄获取红外图像,获取红外灯所在方向,再通过PnP算法利用不共面的红外灯位置信息拟合出手持示教定位装置在相机坐标系下的位姿信息,即红外LED标记装置(2b)构成的坐标系(Oobject)相对于红外双目相机坐标系(Ocamera)的变换矩阵以达到定位目的。
3.根据权利要求1所述的一种适配多种打磨工具的视觉示教装置,其特征在于:所述IMU9轴姿态传感器矫正拟合得到的姿态信息,所述IMU9轴姿态传感器(2a)中包含3轴加速度计、3轴陀螺仪、3轴磁力计,分别获取了三轴加速度、旋转速度和旋转加速度信息,而3轴磁力计又对前六轴数据进行偏航校正。
4.根据权利要求1所述的一种适配多种打磨工具的视觉示教装置,其特征在于:由机器人手眼标定算法(眼在手外Eye to Hand)完成获取所述柔性机器人本体(5)与所述双目红外摄像头(1)的相对位置关系,即双目红外摄像头(1)的坐标系(Ocamera)相对于柔性机器人本体(5)的基坐标系(Obase)变换矩阵
5.根据权利要求1所述的一种适配多种打磨工具的视觉示教装置,其特征在于:所述力传感元(2d)记录模拟加工工件实时接触力的变化,经信号交互模组(2e)在示教控制器(6)上显示。
6.根据权利要求1所述的一种适配多种打磨工具的视觉示教装置,其特征在于:所述连接法兰面(2c)的中心作为原点,与各种打磨工具的法兰面连接,各工具的TCP与其法兰面坐标系的变换矩阵相匹配,切换工具时系统选取对应变换矩阵,实现工具快换与适配。
7.根据权利要求1所述的一种适配多种打磨工具的视觉示教装置,其特征在于:所述PC端(8)用卡尔曼滤波算法对接收到的位姿数据进行优化,解决操作员可能产生的晃动、环境影响等客观问题,使最终成形的轨迹平滑自然过渡。
8.一种使用权利要求1-7所述的适配多种打磨工具的视觉示教装置的方法,其特征在于:所述方法包含如下步骤:
步骤一、双目红外摄像头(1)安装在打磨工作台附近的固定位置,保证双目红外摄像头(1)的视野范围覆盖手持示教定位装置示教范围以及柔性机器人本体(5)打磨路径的工作空间,进行手眼标定;
步骤二、待操作人员将工具安装在手持手柄(2)末端并调整好相应位置,操作人员手持示教定位装置,按下启动键(2f),IMU9轴姿态传感器(2a)、红外LED标记(2b)模块、力传感元(2d)同时开启,手握手持示教手柄(2)以满足工艺要求的力接触工件,并将手持示教定位装置沿着预设轨迹在工件表面运动,IMU9轴姿态传感器(2a)和红外LED标记(2b)模块实时采集位姿信息,力传感元(2d)采集实时接触力信息,通过交互模组传输给示教控制器(6)和PC端(8);
步骤三、PC端(8)将采集的一连串位姿数据经过处理后转化为加工轨迹代码,将力传感元(2d)采集的力变化信息传输到柔性打磨机器人控制器(7),两者数据按示教时间线一一对应,之后便结合柔性打磨头(4)对加工工件过程进行仿真,控制打磨过程中的接触力,以期达到恒力打磨的目标,根据仿真情况对代码进行卡尔曼滤波,将优化后的代码导入柔性打磨机器人控制器(7),控制柔性机器人本体(5)完成打磨工件过程。
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