CN1203290C - 接触式物体位姿测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于精密自动测量装置，特别涉及机器人臂、六维腕力传感和三维弹性探针来检测被测工件表面几何外形或物体的位姿。本测量装置取代了传统的双目视觉检测方法，其技术方案是：通过三维弹性探针与被测物体表面接触点的受力信息获取被测物体上的点在工具坐标系中的理想坐标，进而通过机器人运动学由坐标变换求得该点在机器人基坐标系中的坐标，然后通过六维腕力传感器的信息控制机器人末端的运动，使三维弹性探针与被测物体表面良好接触并移动，测得被测物体表面一系列点的位置坐标信息，从而确定被测物体在机器人基坐标系中的位姿或表面几何外形。也可以借助于单个摄象机观测物体表面信息，再用三维弹性探针测物体表面特征点的位置信息，从而能够快速生成被测物体表面的几何形状或测得物体的位姿。本工件表面几何形状测量或物体位姿检测方法简单易行，计算量小，精度较高。
Description
技术领域
本发明是一种借助机器人、六维腕力传感器、弹性探针、计算机进行物体位姿检测的系统及其实现方法。它涉及机器人学、材料力学、计算机等学科。
背景技术
机器人技术在工业领域得到广泛的应用，例如自动装配，自动焊接、喷漆，机械零件的检查与测量等。在这些应用中，复杂曲面工件的测量和物体位姿的检测是实现自动化作业的重要前提。现有的测量和检测方法一般都是利用双目视觉实现，但是该方法需要处理的数据量极大，双目视觉中的图像匹配算法，还不尽完善，误差较大。
发明内容
为了克服上述方法的不足，本发明提出一种新的物体位姿检测或曲面测量的方法。通过控制机器人臂运动，可以使装在臂末端的三维弹性探针与被测物体表面良好接触，只需采集六维腕力传感器的接触力的信息，根据三维弹性探针受力与变形的映射关系，经过计算机进行数据处理，就可以实现工件表面的测量和物体位姿的检测。内容包括：(1)由机器人、六维腕力传感器、三维弹性探针和计算机组成的物体位姿检测系统。(2)提出了六维腕力传感器和三维弹性探针结合，利用六维腕力传感器信息确定工件表面几何外形或物体位姿的算法并设计了相应的处理软件。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种接触式物体位姿测量装置，由机器人、六维腕力传感器、三维弹性探针、计算机组成，六维腕力传感器安装在机器人手臂的末端，三维弹性探针一端安装在六维腕力传感器上，三维弹性探针另一端与被测物体表面柔性接触，六维腕力传感器由数据线与计算机中的力信息采集卡相连，机器人由控制总线与计算机相连。六维腕力传感器采集三维弹性探针与被测物体表面接触力的信息，并由数据线传到计算机中，通过对力信息的处理，获取三维弹性探针在x，y，z三轴方向的受力，以及绕三轴的力矩。
所述的测量装置，由一个六维腕力传感器和一个三维弹性探针组成物体位姿检测或曲面测量所需的信息采集单元。
所述的测量装置，检测物体的位姿或曲面形状只需采集六维腕力传感器的六维接触力信息，由六维接触力与三维弹性探针变形的映射关系获取三维弹性探针末端与被测物体表面上的触点在工具坐标系中的位置，进而通过坐标变换获得被测物体上的检测点在机器人基坐标系中的空间位置信息。
所述的测量装置，由检测获得的物体表面一系列点的位置坐标，获取被测物体的位姿或表面的几何形状。
所述的测量装置，可在机器人腕部并行安装一个CCD摄象机获取被测物体表面信息，再加上三维弹性探针所得到的特征点的深度信息可提高检测的效率。
所述的测量装置，由机器人臂根据六维腕力传感器的六维接触力信息控制三维弹性探针与被测物体表面良好接触并移动，实现自动检测。
所述的测量装置，可以测量以曲面为主的物体的表面形状。
如图1所示，六维腕力传感器1和三维弹性探针2依次固定在机器人5的腕部或者末端。六维腕力传感器1采集三维弹性探针2与被测物体3表面接触力的信息，并由数据线7传到计算机6中，通过对力信息的处理，如图2所示，可以获得三维弹性探针2末端的弹性变形，从而可以确定被测物体上的一点P在工具坐标系OXYZ中的坐标，该坐标可以最终通过机械臂运动学转换到机器人的基坐标系中。为提高检测速度，一般可借助于宏观场地或腕部安装一个摄像机观测，只需三维弹性探针2测量被测物体表面的特征点的位置信息，就可以获得被测物体在机器人基坐标系中的姿态或得到其表面的几何外形。
空间点的位置一般需要两幅图像，用两条投影线的交点来确定。而本发明提出的方法则可以用三维弹性探针2触点受力信息即可确定空间点的位置。
与双目视觉相比，本发明从根本上避免了由于图像匹配所引起的不确定性和误差。在触点的受力确定后，它在工具坐标系中的坐标通过简单的计算就可以得到。而双目视觉则要先进行图像匹配，然后再求投影线的交点。显然本发明大大减少了计算量，提高了检测速度。本发明与其他的测量和检测方法相比更加简单实用。
附图说明
图1：物体位姿测量系统结构简图
图2：检测弹性探针与被测物体接触所引起的变形的原理描述
图中： 1.六维腕力传感器 2.三维弹性探针3.被测物体 4.工作台 5.机器人 6.计算机7.六维腕力传感器数据线 8.机器人控制总线
具体实施方式
如图1所示，六维腕力传感器1固定在机器人5的腕部，三维弹性探针2固定在六维腕力传感器1末端，三维弹性探针2另一端与被测物体3表面柔性接触。被测物体3放置在工作台4上，六维腕力传感器1采集三维弹性探针2与被测物体3接触力的信息，并由六维腕力传感器数据线7传到计算机6中，通过对力信息的处理，可以获取三维弹性探针2在x，y，z三轴方向的受力，以及绕三轴的力矩。如图2所示，
AO是三维弹性探针2没有发生变形的位置，
AB是三维弹性探针2实际测量时发生变形后的位置。根据三维弹性探针2的物理特性，可以获得三维弹性探针2末端延三轴的的弹性变形Δx，Δy，Δz，和三维弹性探针2末端切线与三个坐标轴的夹角α，β，γ，从而可以确定被测物体上的一点P在工具坐标系OXYZ中的坐标，该坐标可以最终通过机械臂运动学转换到机器人的基坐标系中。为提高检测速度，一般可借助于宏观场地或腕部安装一个摄像机观测，只需三维弹性探针2测量被测物体表面的特征点的位置信息，就可以获得物体在机器人基坐标系中的姿态或得到其表面的几何外形。
本发明属于精密自动测量装置，特别涉及机器人臂5、六维腕力传感1和三维弹性探针2来检测被测工件表面几何外形或物体的位姿。本测量装置取代了传统的双目视觉检测方法，其技术方案是：通过三维弹性探针2与被测物体3表面接触点的受力信息获取物体上的点在工具坐标系中的理想坐标，进而通过机器人运动学由坐标变换求得该点在机器人基坐标系中的坐标，然后通过六维腕力传感器1的信息控制机器人末端的运动，使三维弹性探针2与被测物体3表面良好接触并移动，测得被测物体3表面一系列点的位置坐标信息，从而确定物体在机器人基坐标系中的位姿或表面几何外形。也可以借助于单个摄象机观测物体表面信息，再用三维弹性探针2测物体表面特征点的位置信息，从而能够快速生成被测表面的几何形状或测得物体的位姿。本工件表面几何形状测量或物体位姿检测方法简单易行，计算量小，精度较高。
Claims (7)
1.一种接触式物体位姿测量装置，由机器人、传感器、探针、计算机组成，其特征是：所述的传感器是六维腕力传感器(1)，六维腕力传感器(1)安装在机器人(5)手臂的末端，所述的探针是采用三维弹性刚性材料加工成的三维弹性探针(2)，三维弹性探针(2)一端安装在六维腕力传感器(1)上，三维弹性探针(2)另一端与被测物体(3)表面柔性接触，六维腕力传感器(1)由数据线(7)与计算机(6)中的力信息采集卡相连，机器人(5)由控制总线(8)与计算机(6)相连；六维腕力传感器(1)采集三维弹性探针(2)与被测物体(3)表面接触力的信息，并由数据线(7)传到计算机(6)中，通过对力信息的处理，获取三维弹性探针(2)在x，y，z三轴方向的受力，以及绕三轴的力矩。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征是：由一个所述的六维腕力传感器(1)和一个所述的三维弹性探针(2)组成物体位姿检测或曲面测量所需的信息采集单元。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征是：检测物体的位姿或曲面形状只需采集所述的六维腕力传感器(1)的六维接触力信息，由六维接触力与所述的三维弹性探针(2)变形的映射关系获取三维弹性探针(2)末端与被测物体(3)表面上的触点在工具坐标系中的位置，进而通过坐标变换获得被测物体(3)上的检测点在机器人(5)基坐标系中的空间位置信息。
4.根据权利要求1或3所述的测量装置，其特征是：由检测获得的物体表面一系列点的位置坐标，获取被测物体(3)的位姿或表面的几何形状。
5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征是：可在机器人腕部并行安装一个CCD摄象机获取被测物体表面信息，再加上所述的三维弹性探针(2)所得到的特征点的深度信息可提高检测的效率。
6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征是：所述的机器人(5)手臂根据所述的六维腕力传感器(1)的六维接触力信息控制三维弹性探针(2)与被测物体(3)表面良好接触并移动，实现自动检测。
7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征是：可以测量以曲面为主的物体的表面形状。
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