CN209850559U - 一种具有三维视觉的机器人打磨系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有三维视觉的机器人打磨系统，该系统包括工件固定装置、打磨机器人、光学器件、气动打磨设备及电源与控制装置；控制方法为：打磨机器人带动光学器件对曲面工件进行水平扫描；将3D相机采集到的激光图像传输给电源与控制装置中的控制装置；控制装置通过对3D相机得到的图像利用相应函数进行三维点云处理，并进行初步的滤波去噪；利用点云分割和切片算法将得到的三维点云进行进一步处理；将处理结果按照规则解析发送到控制装置，驱动机器人以正确的姿态对曲面工件进行整体打磨作业。本实用新型主要用于曲面结构制造领域的自动化打磨，通过提高工业打磨领域的自动化程度，提高了生产效率和生产质量。
Description
技术领域
本实用新型涉及机器人技术领域，具体涉及一种具有三维视觉的机器人打磨系统。
背景技术
传统的曲面结构工件打磨以其加工难度高、自动化程度低、耗时长、成本高、粉尘大等特点，通常是船舶、汽车、航空航天等领域制造过程中的难点。尤其是异形曲面、多曲率曲面、非有理曲面(如涡轮叶片、船体、机壳)生产打磨过程控制更加困难，常依据经验进行主观检验，因此一次加工合格率低且打磨过程普遍存在诸多缺点，包括：(1)因打磨现场的工作环境恶劣，火花与粉尘对人体伤害使从业者减少；(2)随经济发展，工人的工资与材料费用增加，使成本提升； (3)工作时工人依照经验判断是否加工完成，因此加工质量无法保证；(4)因工人无法长时间集中去做重复性工作，导致工作效率低，工作连续性无法保持稳定。
为了解决现有人工打磨的问题，需要设计一款用于曲面打磨的机器人。由于工业机器人具有控制性好、定位精度高、通用性强等优点，配合三维视觉设备及相应的控制方法可以实现较高的智能化，故具有三维视觉的机器人打磨系统可以实现复杂形状工件打磨加工过程全自动化，缩短加工时间，提高产品加工效率与加工质量，为代替人工打磨提供了一种有效的解决方案。
国内有一部分人针对机器人自动化打磨系统进行了研究并取得了一定的成果，但绝大多数仍处于理想环境下，没有实际推广于工件打磨的工业机器人现场，其主要存在以下问题：(1)光学器件受外界光线影响严重，无法应用于粗犷的工业打磨现场；(2)打磨设备昂贵、维护成本高昂，当前自动化打磨设备大多以专用设备形式出现，设备研发和生产成本居高不下，产品面向对象单一，很难满足不同的打磨需求。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对以上所述存在的问题和缺陷，提供一种具有三维视觉的机器人打磨系统，以提高工业打磨领域的自动化程度，从而提高生产效率和生产质量。
实现本实用新型目的的技术方案为：
一种具有三维视觉的机器人打磨系统，包括工件固定装置、打磨机器人、光学器件、气动打磨设备及电源与控制装置，其中，
所述工件固定装置用于支撑及固定曲面工件；
所述光学器件和气动打磨设备与打磨机器人的末端连接，所述打磨机器人能够带动光学器件实现对曲面工件的非接触扫描操作，并且能够带动气动打磨设备实现对曲面工件表面的打磨；
所述光学器件包括3D相机、工业镜头、一字激光发生器、滤光片，所述3D 相机能够采集所述一字激光发生器投射在曲面工件表面处的线激光的图像，通过电源与控制装置内的信号发生器产生一定频率的矩形波，利用矩形波产生的频率控制3D相机采集激光线的频率，并将采集到的线激光的图像通过叠加生成完整的曲面工件表面图像，滤光片负责滤除550nm波长以外的光波；
所述电源与控制装置用于实现打磨机器人、光学器件、气动打磨设备的供电及信息的控制。
进一步地，所述工件固定装置包括底部固定组件以及顶部调节组件，所述的底部固定组件包括底部固定板和固定于所述底部固定板上的四根底部支撑柱，所述底部固定板通过地脚螺栓固定于地面，所述的顶部调节组件包括顶部固定板和固定于所述顶部固定板上的多根不同长度的顶部支撑柱，顶部固定板的底面与底部支撑柱的顶面固定连接，每根顶部支撑柱头部加工为球面并涂有防滑树脂。
进一步地，所述打磨机器人为六关节工业机器人，包括机器人底座和固定于所述机器人底座上的机器人本体。
进一步地，所述的3D相机与一字激光发生器之间通过相机支撑架与移动滑轨实现3D相机与一字激光发生器之间位置及角度的调节。
进一步地，所述的气动打磨设备包括固定底板、气动支撑架、打磨头，所述固定底板的一端与机器人本体末端固定连接，所述固定底板的另一端与所述气动支撑架的一端固定连接，所述气动支撑架的另一端与所述打磨头固定连接，所述气动支撑架通过外接压缩气能够带动打磨头上下移动。
进一步地，所述电源与控制装置包括用于给打磨机器人本体、打磨头、3D 相机、一字激光发生器供电的电源以及用于控制机器人本体运动、打磨头压力大小、3D相机采集、一字激光发生器开闭的控制装置。
相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：
(1)解决现有视觉识别易受外界光线影响的问题，采用光源稳定、光强可调的结构光提供视觉识别的光线环境，使得本实用新型可应用于各种厂房照明不均、弥漫灰尘等环境，大幅提高了视觉技术的环境适应性；
(2)降低自动化打磨的设备成本，本实用新型通过将打磨设备和视觉设备简易集成到工业机器人末端，系统组成简单，适用范围多样，并且可通过更换末端打磨设备实现不同精度、不同范围、不同工艺的选择，使得打磨成本大大降低。
附图说明
图1是本实用新型一种具有三维视觉的机器人打磨系统的结构示意图。
图2是本实用新型光学器件的结构示意图。
图3是本实用新型锯齿形标定块结构示意图。
图4是本实用新型控制方法中涉及的图像采集及处理算法流程图。
图5是本系统控制流程图。
附图中的标记为：工件固定装置1，打磨机器人2，光学器件3，气动打磨设备4，电源与控制装置5，曲面工件6，底部固定组件11，顶部调节组件12，四根支撑柱111，底部固定板112，顶部固定板121，支撑柱122，机器人本体 21，机器人底座22，3D相机31，工业镜头32，一字激光发生器33，滤光片34，相机支撑架311，移动滑轨321，固定底板41，气动支撑架42，打磨头43。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，本实用新型提供一种具有三维视觉的机器人打磨系统，包括工件固定装置1、打磨机器人2、光学器件3、气动打磨设备4及电源与控制装置5。工件固定装置1负责将曲面工件6支撑并固定在相应位置，通过移动支撑柱122 位置，实现对曲面工件6的稳定支撑，并在工件打磨完成后，方便的将曲面工件6进行移动，之后将另一块未知的曲面工件放置在工件固定装置上，调节并拧紧支撑柱122，从而实现工件简单、高效的流转。
所述打磨机器人2为工业六关节机器人，主要作用是通过自身空间位置的移动，带动光学器件3和气动打磨装置4实现对曲面工件6的扫描和打磨轨迹的实现。首先打磨机器人2按照设定好的姿态调节各关节相对位置，使得光学器件3 中的一字激光发生器32垂直向下，激光长度方向与打磨机器人2带动光学器件 3移动方向相互垂直，从而实现光学器件3对曲面工件6的扫描工序。根据对扫描结果的处理，得到打磨机器人2的运动轨迹，进而带动打磨头43按照解析好的路线和姿态对曲面工件表面进行打磨作业。
如图2所示，所述光学器件3包括3D相机31、工业镜头32、一字激光发生器33、滤光片34，所述3D相机31负责采集一字激光发生器33投射在曲面工件表面出的550nm波长的红色线激光，将采集到的线激光图像通过叠加生成完整的图像，通过电源与控制装置(5)内的信号发生器(如锯齿型信号发生器)产生一定频率的矩形波，当3D相机31收到矩形波信号的高电平时，3D相机31采集一幅图片，不同的矩形波触发信号可以实现3D相机31不同的图像采样频率。滤光片负责滤除550nm波长以外的光波，有利于提高3D相机采集图片的质量。
气动打磨设备4包括固定底板41、气动支撑架42、打磨头43，通过固定底板41实现气动打磨设备4与机器人本体21末端法兰的连接，气动支撑架42的作用是为给打磨头43提供支撑装置，通过外接压缩气作用于气动支撑架42，气动支撑架42受力传导到打磨头43，从而作用到打磨头43上。利用气体调压阀调节压缩气流量，输出不同大小的压力，从而实现对打磨头43的支撑和调节压力的目的。打磨头43为末端执行机构，根据不同的打磨要求，可以方便的选择不同规格的打磨片，从而实现不同的打磨工艺。
电源与控制装置5包括，用于给打磨机器人本体21、打磨头43、3D相机31、一字激光发生器32供电的电源，用于控制机器人本体21运动、打磨头43压力大小、3D相机31采集、一字激光发生器32开闭的控制装置。电源装置可以提供多种规格的直流电和交流电，例如提供给3D相机31的48V直流电，提供给打磨头43的220V交流电，提供给打磨机器人本体21的三相380V交流电，提供给一字激光发生器32的12V直流电等。所述控制装置通过EtherCAT总线控制机器人本体21运动，通过控制电磁调压阀阀门大小间接控制打磨头43的压力，通过千兆以太网通信协议接收3D相机31的数据，发送控制装置处理好的指令等。
结合图4-5，本实用新型基于上述打磨系统的控制方法为：
步骤1，打磨机器人带动光学器件3对曲面工件进行水平扫描；
步骤2，将3D相机31采集到的激光图像传输给电源与控制装置5中的控制装置(例如工控机、图像工作站)；
步骤3，控制装置通过对3D相机31得到的图像利用相应函数进行三维点云处理，并进行初步的滤波去噪；
步骤4，利用点云分割算法将得到的三维点云进行进一步处理；
步骤5，将处理结果按照机器人Z-Y-Z欧拉角坐标表示法规则将空间坐标系A与世界坐标系之间的欧拉角与平移向量求出，解析并发送到控制装置，驱动机器人本体21以正确的姿态对曲面工件6进行整体打磨作业。
进一步的，步骤1根据曲面工件6的大小完成光学器件3的标定，具体为：
(1.1)选取大于曲面工件6的锯齿形标定块(图3)，并以锯齿边竖直向上放置在3D相机(31)视野范围内的水平面上；
(1.2)一字激光发生器33对准锯齿形标定块，打开标定程序，采集一幅激光线图像，之后调节锯齿形标定块和一字激光发生器33之间的位置，再采集一幅激光线图像；
(1.3)之后将标定计算结果通过千兆以太网由控制装置发送到3D相机31 内部储存器中；
(1.4)设置电源与控制装置5内的信号发生器的触发频率，启动机器人本体21带动光学器件3按照一定速度扫面前进，使得3D相机31生成点云数据；
进一步的，步骤2根据电源与控制装置5内的信号发生器的触发频率采集得到的图像确保按照3D相机31满像素储存和传输，具体为：
(2.1)通过调用3D相机31内自带的图像采集程序，完成对整个曲面工件表面图像信息的采集；
(2.2)通过千兆以太网传输到控制装置，并保存在控制装置的储存单元内，供后续处理；
进一步的，步骤3对大规模的点云模型进行了多种精简方式相结合的点云处理，具体为：
(3.1)计算点云数据的最小包围盒，根据后续打磨轨迹要求次数M并将包围盒分别在长、宽、高划为M等份，从而形成M*M*M个格子；
(3.2)遍历所有的点，根据点的位置信息将它对应到相应的格子，假设最小坐标Pmin(xmin,ymin,zmin)为距离世界坐标系原点最近的包围盒顶点，最大坐标 Pmax(xmax,ymax,zmax)为距离世界坐标系原点最远的包围盒顶点，那么方格的长宽高大小分别为即求出每个方格所在的空间坐标范围，从而将点云中各个点按照坐标映射到相对应的方格中；
(3.3)遍历每个方格，将方格内的所有点所在的位置取平均设为当前点云的点，实现点云的去噪滤波。
进一步的，步骤4根据步骤3得到的最小包围盒对点云进行分割，具体为：
(4.1)根据步骤3精简得到的点云，以方格长度方向为基准，2倍方格宽度为间隔对点云进行分割处理；
进一步的，步骤5根据步骤4得到的点云分割进行解析，具体为：
(5.1)将分割后的点云进行三角网格划分，即通过点云中相邻的非共线的三个点组成一个三角片，得到若干个相互连接的三角片，求出三角片中心点和垂直于三角面片的法向量并得到基于各三角片中心点的点云轨迹；
(4.2)根据机器人坐标系的前进方向作为三角片中心坐标点的切向量；
(4.3)之后根据切向量与法向量构建的平面A按照右手螺旋法则求出垂直于平面A的单位向量；
(4.4)各个三角片中心点的法向量、切向量以及与法向量和切向量相互垂直的单位向量共同构成空间坐标系A，按照机器人Z-Y-Z欧拉角坐标表示法规则 (本实用新型采用的六关节工业机器人末端姿态的欧拉角表示法为Z-Y-Z形式，因此涉及到的坐标系转换统一采用Z-Y-Z欧拉角表示法规则)将空间坐标系A 与世界坐标系之间的欧拉角与平移向量求出，将空间坐标系A与世界坐标系之间的欧拉角与平移向量求出，并发送给控制装置，驱动机器人本体21以正确的姿态对曲面工件6进行整体打磨作业。
以上对本实用新型实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业的技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本实用新型将不限于本文所示的这些实施例，而是要符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (3)
1.一种具有三维视觉的机器人打磨系统，其特征在于：包括工件固定装置(1)、打磨机器人(2)、光学器件(3)、气动打磨设备(4)及电源与控制装置(5)，其中，
所述工件固定装置(1)用于支撑及固定曲面工件(6)；
所述打磨机器人(2)为六关节工业机器人，包括机器人底座(22)和固定于所述机器人底座(22)上的机器人本体(21)；
所述光学器件(3)和气动打磨设备(4)与打磨机器人(2)的末端连接；
所述光学器件(3)包括3D相机(31)、工业镜头(32)、一字激光发生器(33)、滤光片(34)，所述3D相机(31)能够采集所述一字激光发生器(33)投射在曲面工件(6)表面处的线激光的图像，滤光片(34)能够滤除550nm波长以外的光波；
所述的气动打磨设备(4)包括固定底板(41)、气动支撑架(42)、打磨头(43)，所述固定底板(41)的一端与机器人本体(21)末端固定连接，所述固定底板(41)的另一端与所述气动支撑架(42)的一端固定连接，所述气动支撑架(42)的另一端与所述打磨头(43)固定连接，所述气动支撑架(42)通过外接压缩气能够带动打磨头(43)上下移动；
所述电源与控制装置(5)用于实现打磨机器人(2)、光学器件(3)、气动打磨设备(4)的供电及信息的控制。
2.根据权利要求1所述的具有三维视觉的机器人打磨系统，其特征在于，所述工件固定装置(1)包括底部固定组件(11)以及顶部调节组件(12)，所述的底部固定组件(11)包括底部固定板(112)和固定于所述底部固定板(112)上的四根底部支撑柱(111)，所述底部固定板(112)通过地脚螺栓固定于地面，所述的顶部调节组件(12)包括顶部固定板(121)和固定于所述顶部固定板(121)上的多根不同长度的顶部支撑柱(122)，顶部固定板(121)的底面与底部支撑柱(111)的顶面固定连接，每根顶部支撑柱(122)头部加工为球面并涂有防滑树脂。
3.根据权利要求1所述的具有三维视觉的机器人打磨系统，其特征在于，所述的3D相机(31)与一字激光发生器(33)之间通过相机支撑架(311)与移动滑轨(331)实现3D相机(31)与一字激光发生器(33)之间位置及角度的调节。
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| CN113211231A (zh) * | 2021-05-13 | 2021-08-06 | 苏州迪宏人工智能科技有限公司 | 一种自动识别铸铁毛坯件的打磨生产方法、系统及其控制系统 |
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2018
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