CN117381788A - 一种复合机器人高精度定位与智能作业引导方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合机器人高精度定位与智能作业引导方法，涉及机器人运动控制及轨迹规划领域，包括：采集底盘位姿信息及机械臂关节位姿信息；手持智能示教器插入机械臂辅助定位校准装置进行联合标定；计算复合机器人底盘位姿信息和机械臂关节位姿信息；对当下作业工位的辅助定位校准装置进行采集与标定；计算停靠位置下机械臂作业实时位姿与坐标标准位置之间的偏差并引导复合机器人调整至待作业状态；采集作业轨迹输入作业指令并引导其他传感器采集所需信息；生成最终机器人作业路径的真实轨迹和作业姿态并进行作业路径的复现与确认。本发明可实现高效直接对二次定位与多场景多工位切换时的坐标系进行快速统一，实现复杂轨迹的实时跟踪与引导。

Description

一种复合机器人高精度定位与智能作业引导方法

技术领域

本发明涉及机器人运动控制及轨迹规划领域，尤其涉及一种复合机器人高精度定位与智能作业引导方法。

背景技术

目前，解决复合机器人二次定位问题的主要技术有视觉导引和激光导引。视觉导引：通过安装在机器人上的摄像头，采集环境信息，然后通过图像处理和分析算法，实现机器人的定位和导航。常见的技术有ABB的Robotstudio软件，以及FANUC的iRVision系统，视觉导引技术基于与机器人的手眼标定系统可以实现高精度的定位，但对环境光照和标志物的要求较高。

激光导引：通过发射和接收激光信号，测量机器人与周围物体的距离，从而实现定位和导航。激光导引技术对环境光照和标志物的要求较低，但设备成本较高。一般激光引导的原理是通过激光雷达扫描周围环境的点云数据，将点云数据与预存环境地图进行匹配，确定机器人在地图上的位置，使用如ICP或NDT匹配算法确定准确位置，同时可融合复合机器人底盘自身的编码器、IMU等传感器数据，配合卡尔曼滤波、粒子滤波等算法提高定位精度。典型的产品有Clearpath Robotics的Husky机器人，可实现厘米级定位精度，以及FetchRobotics的Fetch机器人，使用激光、IMU和视觉融合，室内定位精度可达±3cm。但激光引导二次定位对环境依赖性强，遇到光照条件变化等问题会明显影响精度。此外，存在计算量较大，需要频繁的点云配准等问题。

此外，当复合机器人完成二次定位后，还要面临具体作业要求或工艺中如何对复杂轨迹(如焊接场景)进行快速高效示教的问题。目前复杂轨迹作业中的示教技术主要包括离线编程和在线示教。离线编程：通过在计算机上模拟真实环境和任务，编写和调试程序，然后将程序下载到机器人控制器中执行。离线编程可以实现高精度的轨迹控制，但需要专业的编程知识和技能。在线示教：通过手持示教器，直接在真实环境中操作机器人，记录和复现操作轨迹。在线示教操作简单直观，但精度较低。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种复合机器人高精度定位与智能作业引导方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是复合机器人的二次定位精度不足，且场景适应性差，面对不同场景工位切换时，精度差且示教效率低难度大示教效率低，自动化程度低，复合机器人上机械臂难以满足装配、上下料等作业的高精度要求。

为实现上述目的，本发明提供了一种复合机器人高精度定位与智能作业引导方法，包括以下步骤：

步骤1、复合机器人底盘及机械臂上的定位传感器开始采集底盘位姿信息及机械臂关节位姿信息；

步骤2、手持智能示教器插入机械臂辅助定位校准装置进行联合标定；

步骤3、复合机器人工位到位后，计算复合机器人底盘位姿信息和机械臂关节位姿信息；

步骤4、手持智能示教器对当下作业工位的辅助定位校准装置进行采集与标定；

步骤5、根据智能示教定位引导系统与机械臂基坐标之间的转换关系与实时采集的底盘位姿信息及机械臂关节位姿信息，计算复合机器人停靠位置下，机械臂作业实时位姿与坐标标准位置之间的偏差，并引导复合机器人调整至待作业状态；

步骤6、操作人员手持智能示教器采集作业轨迹，输入作业指令并引导其他传感器采集所需信息；

步骤7、以无编程方式生成最终的机器人作业路径的真实轨迹和作业姿态，并在虚拟仿真中进行作业路径的复现与确认。

进一步地，步骤1具体包括：机械臂在复合机器人底盘固定的情况下，移动到若干个预设标定点位，标定系统采集机械臂的实时关节位姿数据，同时，机械臂上固定安装定位装置，借助机械臂自身的关节转换关系，建立智能示教定位引导系统与机械臂基坐标系之间的转换关系，从而建立全局坐标系下智能示教器与复合机器人的关系。

进一步地，步骤2具体包括：

步骤2.1、操作人员手持智能示教器将其插入至机械臂上的紧固标定装置中，智能示教器自动触发定位标定流程；

步骤2.2、当复合机器人停靠稳定后，操作人员使用顶尖标定工具对机械臂上的工具进行四点标定，获得工具坐标系与机械臂基坐标系的转换关系。

进一步地，步骤3具体包括：复合机器人工位到位后，标定系统读取复合机器人底盘上多个定位传感器的坐标数据，基于传感器在标准位置下的刚体距离、相对机械臂初始姿态的转动角度来计算刚体变换产生的旋转和平移数据，形成底盘刚体变换的偏差数据。

进一步地，步骤4具体包括：操作人员手持智能示教器将其插入到工位台面上方的辅助定位校准装置中，算法系统实时采集工作台上的工件坐标系的角度与位置数据，并与智能示教定位引导系统进行转换计算，得到工件坐标系相对于智能示教定位引导系统的转换关系，最后根据智能示教器的坐标系、机械臂的基坐标系以及其工具坐标系之间的转换关系，获得工件坐标系与复合机器人变基坐标的机械臂转换关系。

进一步地，步骤5具体包括：

步骤5.1、根据底盘位姿偏差，结合机械臂基坐标系与智能示教定位引导系统的全局坐标系之间的关系，建立复合机器人移动-停靠的多刚体偏转误差计算，得到复合机器人机械臂在移动底座上的变基座标系的转换关系，使用机械臂的关节逆求解计算变基坐标下的机械臂的位姿相较于标准姿态的偏差转换计算公式；

步骤5.2、根据复合机器人系统设定的底盘到位位姿和机械臂实际模版位姿，再根据变基坐标的转换关系，根据转换公式，结合机械臂的关节逆求解，计算得到在补偿掉复合机器人底盘的偏差后，机械臂还需要移动的距离和位置；计算中心将该偏差的数据传递给机械臂的控制器，引导机械臂进行实时补偿；此时，复合机器人和机械臂均回到了模版的初始姿态。

进一步地，步骤6具体包括：

步骤6.1、操作人员手持智能示教器，将其尖端放置到工件复杂轨迹的起点，通过移动示教器的尖端沿着工件的轨迹，划取覆盖完整的轨迹；同时，通过控制划取的速度来设计采集轨迹中需要多增加特征的位置；划取过程中，遇到曲率较大的地方，人为降低划取的速度，提升特征点的数据量和数据密度，从而建立更好的轨迹数据信息；

步骤6.2、智能示教器采集轨迹时的起始点、终止点，以及起始点的示教器姿态角度，以及在轨迹采集过程中通过人为使用智能示教器按键设定的关键路径点坐标，作为下一步整体定位算法系统进行精定位计算和处理时的参考数据；

步骤6.3、定位算法系统使用中值滤波法对采集到的全部轨迹数据集进行离群点滤波处理，将远离超过5％方差的离散点进行剔除，并将曲率较大点集分布密度更高处的全部数据点的位置和姿态角度进行统计后的重新平均，降低曲率变化带来的点集冲突。

进一步地，步骤7中：作业姿态包含机械臂的移动轨迹、定位点数据、对工件作业时的机械臂姿态。

进一步地，步骤6.1具体包括：

当复合机器人的机械臂开始执行作业任务时，机械臂上安装的线扫传感器基于轨迹起始点的位置和姿态开始对轨迹点进行前置扫描。

进一步地，步骤6.2具体包括：

在扫描的过程中，计算单位距离或步长下的轨迹切角变化率，当变化率低于5％时，采用平滑过渡的方式引导机械臂运动，当变化率高于5％时，认定为出现异常，在满足特征点位置约束的要求下按照前一次计算的角度过渡进行运动控制；机械臂根据智能示教器采集的轨迹的起点，运动到位，并根据采集轨迹计算得到的轨迹的最小包围矩形，比较3D结构光视觉传感器的工作距离、视野范围来确定一次性采集工件3D点云的数据所需的准确采集位置，引导机械臂移动到该位置后，触发3D结构光视觉进行扫描；根据扫描得到的点云数据，参考轨迹的起始点和终止点，以及过程中的特征点，将轨迹的点云数据从整体空间点云数据中分割出来，并计算得到更高精度的轨迹的点云数据，优化轨迹的实际路径。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的基于光学捕捉定位技术结合多种视觉传感融合的高精度定位系统，可实现更高效直接对复合机器人二次定位与多场景多工位切换时的坐标系快速统一：针对不同场景切换及任务切换时，采用本发明技术的复合机器人，可在多个位点间移动时，快速实现±2mm～±5mm的精定位，定位后可直接进行下一步作业动作，效率高，精度高；针对具体场景的作业任务，可直接通过智能示教器划取实际轨迹，再借助算法直接生成粗引导轨迹，辅助视觉传感与算法计算轨迹的精定位数据，从而引导机器人可实现复杂空间轨迹的实时跟踪与引导，无需预采集，无需点位示教，效率高且直观。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的复合机器人高精度定位与智能作业引导方法的流程示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的复合机器人高精度定位与智能作业引导方法的系统结构示意图；

图中：1、智能示教器，2、复合机器人底盘，3、复合机器人集成机械臂，4、为机械臂上定位传感器，5、复合机器人底盘上定位传感器，6、机械臂末端执行器，7、工位台，8、辅助定位校准装置，9、工件，10、空间定位基站，11、其他视觉/力觉传感器，12、智能示教器紧固标定机构。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，为本发明一种针对多工位多场景作业时，复合机器人高精度定位与智能作业引导方法，复合机器人在具体作业场景中，面对复杂的作业轨迹时，提供了智能化引导方法。

如图2所示，该方法的硬件系统基于复合机器人底盘2和复合机器人机械臂3，复合机器人底盘定位系统5和机械臂定位传感器4，以及工位台7和辅助定位校准装置8，空间定位基站10以及智能示教器1，以及复合机器人机械臂的末端执行器6等组成。该方法基于复合机器人底盘2上的至少2个光学捕捉定位传感器5，复合机器人集成机械臂3上第五节或第六节关节处固定安装的定位传感器4，以及安装于多工位作业空间上方的基站系统10，以及整体的高精度定位算法系统组成。

高精度定位与智能作业引导方法的具体步骤如下：

(1)复合机器人首先根据不同工位之间的工艺流转要求，在需要执行的工位台7前停靠稳定。停靠稳定后，复合机器人上集成的机械臂会停留在一个准备标定的固定位置和姿态，确保操作人员方便进行全局标定；

(2)当复合机器人停靠稳定后，操作人员使用顶尖标定工具对机械臂上的工具进行四点标定，获得工具坐标系与机械臂基坐标系的转换关系；

(3)操作人员手持智能示教器1将其插入至机械臂上的紧固标定装置12中，智能示教器1自动触发定位标定流程，机械臂在复合机器人底盘2固定的情况下，移动到若干个预设标定点位，标定系统采集特定机械臂的实时关节位姿数据(包含xyz三轴坐标以及俯仰、偏摆和翻滚三个姿态角度)，与此同时，机械臂上装置建立智能示教定位引导系统与机械臂基坐标之间的转换关系，从而建立了全局坐标系下智能示教器与复合机器人的关系；

(4)同时标定系统读取复合机器人底盘2上多个定位传感器的坐标数据，基于传感器在标准位置下的刚体距离、相对机械臂初始姿态的转动角度来计算刚体变换产生的旋转和平移数据，形成底盘刚体变换的偏差数据；

(5)根据底盘位姿偏差，结合机械臂基坐标系与智能示教定位引导系统的全局坐标系之间的关系，建立复合机器人移动-停靠的多刚体偏转误差计算，得到复合机器人机械臂在移动底座(复合机器人底盘)上的变基座标系的转换关系，使用机械臂的关节逆求解计算变基坐标下的机械臂偏差转换计算公式；

(6)操作人员手持智能示教器1将其插入到工位台7台面上方的辅助定位校准装置8中，算法系统实时采集工作台7上的工件坐标系的角度与位置数据，并与智能示教器1的定位坐标系统进行转换计算，得到工件坐标系相对于智能示教定位引导系统的转换关系，最后根据智能示教器的坐标系、机械臂的基坐标系以及其工具坐标系之间的转换公式，获得工件坐标系与复合机器人变基坐标的机械臂转换关系；

(7)根据复合机器人系统设定的底盘到位位姿和机械臂实际模版位姿，再根据变基坐标的复杂转换关系，以变基坐标下的机械臂偏差转换计算公式及智能示教器的坐标系、机械臂的基坐标系以及其工具坐标系之间的转换公式，再结合机械臂的多关节逆求解，计算得到在补偿掉复合机器人底盘的偏差后，机械臂还需要移动多少距离和位置；

(8)计算中心将该偏差的数据传递给机械臂的控制器，引导机械臂进行实时补偿，此时，复合机器人和机械臂均回到了模版的初始姿态；

(9)操作人员手持智能示教器，将其尖端放置到工件复杂轨迹的起点，通过移动示教器的尖端沿着工件的轨迹，划取覆盖完整的轨迹。同时，通过控制划取的速度来设计采集轨迹中需要多增加特征的位置；

(10)划取过程中，遇到曲率较大的地方，人为降低划取的速度，提升特征点的数据量和数据密度，从而建立更好的轨迹数据信息；

(11)算法系统根据轨迹的起始点、终止点，以及起始点的示教器姿态轨迹，通过在这些关键的数据点手持示教器时降低使用频次，并准确记录关键点位的智能示教器的位姿角度用作精定位时参考；

(12)算法系统使用中值滤波等方法对采集到的全部轨迹数据集进行离群点滤波处理，将远离超过5％方差的离散点进行剔除，并将曲率较大点集分布密度更高处的全部数据点的位置和姿态角度进行统计后的重新平均，降低曲率变化带来的点集冲突；

(13)将全部数据集通过socket协议，以规定端口方式发送给机械臂控制端的对应变量寄存器中，确保复合机器人机械臂能够准确获得对应的轨迹；

(14)在使用智能示教器划取轨迹数据的过程中，根据作业任务和工艺要求，在具体的特征点附近通过智能示教器上的按键及按键组合输入的方式设定特定的机械臂作业动作，比如抓取、放置等；

(15)针对具体焊接类型任务，当复合机器人的机械臂开始执行作业任务时，机械臂上安装的线扫传感器基于轨迹起始点的位置和姿态开始对轨迹点进行前置扫描。在扫描的过程中，计算单位距离或步长下的轨迹切角变化率，当变化率低于5％时，可以采用平滑过渡的方式引导机械臂运动，当变化率高于5％时，可认定为出现异常，在满足特征点位置约束的要求下按照前一次计算的角度过渡进行运动控制；

(16)机械臂根据智能示教器采集的轨迹的起点，运动到位，并根据采集轨迹计算得到的轨迹的最小包围矩形，比较3D结构光视觉传感器的工作距离、视野范围来确定一次性采集工件3D点云的数据所需的准确采集位置，引导机械臂移动到该位置后，触发3D结构光视觉进行扫描；

(17)根据扫描得到的点云数据，参考轨迹的起始点和终止点，以及过程中的特征点，将轨迹的点云数据从整体空间点云数据中分割出来，并根据点云配准等ICP算法计算得到更高精度的轨迹的点云数据，优化轨迹的实际路径；

(18)生成最终的机械臂的运行轨迹，同时根据作业类型，如焊接/涂胶，以及具体轨迹的特征，识别出的轨迹的深度、宽度、形状、曲率等信息，判定与轨迹最相匹配的工艺要求，如坡口焊、多道焊，在智能决策下对轨迹作业内容匹配相应的参数化工艺配置，确保机械臂在作业时可直接按照工艺要求进行作业；

(19)在系统界面中，借助全局坐标系统以及我们构建的虚拟仿真模型，模拟按照步骤18得到的最终作业轨迹和作业逻辑下的机械臂动作，查看机械臂动作是否对工件、台面、自身运动角度产生干涉或碰撞，在发现碰撞等类型问题时通过界面中的轨迹特征点的路径修改、角度修改等方式，重新计算和评估作业路径，最终验证真实作业要求的可行性；

(20)最终，驱动机械臂完成工位台7上的具体作业要求。当需要到第二工位进行作业处理时，则可引导复合机器人移动到工位台7，重复以上步骤操作。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种复合机器人高精度定位与智能作业引导方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、复合机器人底盘及机械臂上的定位传感器开始采集底盘位姿信息及机械臂关节位姿信息；

步骤2、手持智能示教器插入机械臂辅助定位校准装置进行联合标定；

步骤3、复合机器人工位到位后，计算复合机器人底盘位姿信息和机械臂关节位姿信息；

步骤4、手持所述智能示教器对当下作业工位的辅助定位校准装置进行采集与标定；

步骤5、根据智能示教定位引导系统与机械臂基坐标之间的转换关系与实时采集的底盘位姿信息及机械臂关节位姿信息，计算复合机器人停靠位置下，机械臂作业实时位姿与坐标标准位置之间的偏差，并引导复合机器人调整至待作业状态；

步骤6、操作人员手持智能示教器采集作业轨迹，输入作业指令并引导其他传感器采集所需信息；

步骤7、以无编程方式生成最终的机器人作业路径的真实轨迹和作业姿态并在虚拟仿真中进行作业路径的复现与确认。

2.如权利要求1所述的复合机器人高精度定位与智能作业引导方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：机械臂在复合机器人底盘固定的情况下，移动到若干个预设标定点位，标定系统采集机械臂的实时关节位姿数据，同时，机械臂上固定安装定位装置，借助机械臂自身的关节转换关系，建立智能示教定位引导系统与机械臂基坐标系之间的转换关系，从而建立全局坐标系下智能示教器与复合机器人的关系。

3.如权利要求1所述的复合机器人高精度定位与智能作业引导方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

步骤2.1、操作人员手持智能示教器将其插入至机械臂上的紧固标定装置中，智能示教器自动触发定位标定流程；

步骤2.2、当复合机器人停靠稳定后，操作人员使用顶尖标定工具对机械臂上的工具进行四点标定，获得工具坐标系与机械臂基坐标系的转换关系。

4.如权利要求1所述的复合机器人高精度定位与智能作业引导方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：复合机器人工位到位后，标定系统读取复合机器人底盘上多个定位传感器的坐标数据，基于传感器在标准位置下的刚体距离、相对机械臂初始姿态的转动角度来计算刚体变换产生的旋转和平移数据，形成底盘刚体变换的偏差数据。

5.如权利要求1所述的复合机器人高精度定位与智能作业引导方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：操作人员手持智能示教器将其插入到工位台面上方的辅助定位校准装置中，算法系统实时采集工作台上的工件坐标系的角度与位置数据，并与智能示教定位引导系统进行转换计算，得到工件坐标系相对于智能示教定位引导系统的转换关系，最后根据智能示教器的坐标系、机械臂的基坐标系以及其工具坐标系之间的转换关系，获得工件坐标系与复合机器人变基坐标的机械臂转换关系。

6.如权利要求1所述的复合机器人高精度定位与智能作业引导方法，其特征在于，所述步骤5具体包括：

步骤5.1、根据底盘位姿偏差，结合机械臂基坐标系与智能示教定位引导系统的全局坐标系之间的关系，建立复合机器人移动-停靠的多刚体偏转误差计算，得到复合机器人机械臂在移动底座上的变基座标系的转换关系，使用机械臂的关节逆求解计算变基坐标下的机械臂的位姿相较于标准姿态的偏差转换计算公式；

步骤5.2、根据复合机器人系统设定的底盘到位位姿和机械臂实际模版位姿，再根据所述变基坐标的转换关系，根据转换公式，结合机械臂的关节逆求解，计算得到在补偿掉复合机器人底盘的偏差后，机械臂还需要移动的距离和位置；计算中心将该偏差的数据传递给机械臂的控制器，引导机械臂进行实时补偿；此时，复合机器人和机械臂均回到了模版的初始姿态。

7.如权利要求1所述的复合机器人高精度定位与智能作业引导方法，其特征在于，所述步骤6具体包括：

步骤6.1、操作人员手持智能示教器，将其尖端放置到工件复杂轨迹的起点，通过移动示教器的尖端沿着工件的轨迹，划取覆盖完整的轨迹；同时，通过控制划取的速度来设计采集轨迹中需要多增加特征的位置；划取过程中，遇到曲率较大的地方，人为降低划取的速度，提升特征点的数据量和数据密度，从而建立更好的轨迹数据信息；

步骤6.2、智能示教器采集轨迹时的起始点、终止点，以及起始点的示教器姿态角度，以及在轨迹采集过程中通过人为使用智能示教器按键设定的关键路径点坐标，作为下一步整体定位算法系统进行精定位计算和处理时的参考数据；

步骤6.3、定位算法系统使用中值滤波法对采集到的全部轨迹数据集进行离群点滤波处理，将远离超过5％方差的离散点进行剔除，并将曲率较大点集分布密度更高处的全部数据点的位置和姿态角度进行统计后的重新平均，降低曲率变化带来的点集冲突。

8.如权利要求1所述的复合机器人高精度定位与智能作业引导方法，其特征在于，所述步骤7中：所述作业姿态包含机械臂的移动轨迹、定位点数据、对工件作业时的机械臂姿态。

9.如权利要求7所述的复合机器人高精度定位与智能作业引导方法，其特征在于，所述步骤6.1具体包括：

当复合机器人的机械臂开始执行作业任务时，机械臂上安装的线扫传感器基于轨迹起始点的位置和姿态开始对轨迹点进行前置扫描。

10.如权利要求7所述的复合机器人高精度定位与智能作业引导方法，其特征在于，所述步骤6.2具体包括：

在扫描的过程中，计算单位距离或步长下的轨迹切角变化率，当变化率低于5％时，采用平滑过渡的方式引导机械臂运动，当变化率高于5％时，认定为出现异常，在满足特征点位置约束的要求下按照前一次计算的角度过渡进行运动控制；机械臂根据智能示教器采集的轨迹的起点，运动到位，并根据采集轨迹计算得到的轨迹的最小包围矩形，比较3D结构光视觉传感器的工作距离、视野范围来确定一次性采集工件3D点云的数据所需的准确采集位置，引导机械臂移动到该位置后，触发3D结构光视觉进行扫描；根据扫描得到的点云数据，参考轨迹的起始点和终止点，以及过程中的特征点，将轨迹的点云数据从整体空间点云数据中分割出来，并计算得到更高精度的轨迹的点云数据，优化轨迹的实际路径。