基准点位的空间位姿测量系统及方法与流程

1.本发明涉及机械加工技术领域，具体地，涉及一种基准点位的空间位姿测量系统及方法。


背景技术：

2.航空自动钻铆应用中，由于加工对象预装配误差，其实际需要加工位置与数模理论位置存在偏差，为提升最终钻铆位置精度，需要设备具备对加工对象上预装的基准孔或钉的找正能力。
3.现有的相关技术为采用视觉或激光线扫描仪的测量方案，其重点集中在基准孔或钉的位置坐标测量上，缺少对基准点位曲面实际法向量的关注。
4.公开号为cn111912335b的发明专利，公开了一种适用于机器人钻铆系统的飞机表面基准孔识别方法，包括以下步骤：1)设置激光线扫描仪，标定出激光线扫描仪的初始安装位置以及激光线扫描仪的运动方向；2)利用激光线扫描仪对基准孔所在飞机表面进行扫描，得到基准孔及其附近区域的点云数据；3)由于飞机表面具有光顺性，因此在飞机表面的点云数据中，基准孔附近区域的相邻两点之间的纵向坐标之间的差值存在阈值，当相邻两点之间纵向距离超过相邻两点之间纵向坐标差值的阈值时，说明其中一点为基准孔内的点，则取纵向坐标高度值更大的点作为基准孔的边界点；4)对基准孔边界的点云数据进行拟合，得到基准孔的圆心坐标。该方法的缺点是：线激光成本较高，识别的基准种类少，和自动钻铆系统的集成度差。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基准点位的空间位姿测量系统及方法。
6.根据本发明提供的一种基准点位的空间位姿测量系统及方法，所述方案如下：
7.第一方面，本发明提供的一种基准点位的空间位姿测量系统，所述系统包括：机器人、末端执行器和控制模块，所述末端执行器包括法向压脚和视觉模块；
8.在控制模块的控制下，所述末端执行器测量工件表面法线方向，视觉模块识别工件上的基准点位的中心坐标，得到基准点位与法向压脚轴线的位置偏差，机器人驱动末端执行器运动补偿位置偏差，直至满足基准点位与法向压脚轴线的位置偏差在预设的阈值范围内，法向压脚伸出与工件压接。
9.优选地，所述末端执行器还包括：测距单元、末端底板、导轨和气缸；所述末端底板安装在所述机器人上，所述导轨和气缸均安装于末端底板上；所述法向压脚安装于导轨上，通过气缸实现驱动，所述测距单元测量法向压脚的直线位移量。
10.优选地，所述测距单元包括：光栅尺、读数头及其支架；
11.所述光栅尺与导轨平行安装于所述末端底板上，所述读数头及其支架与法向压脚固连，法向压脚移动时，读数头及其支架结合光栅尺实现法向压脚伸出位置的测量。
12.优选地，所述视觉模块包括：光源、镜头以及相机，光源提供视觉测量时的照明，镜
头将工件表面的反射光聚焦至相机。
13.优选地，所述系统包括工具坐标系与基坐标系；
14.所述工具坐标系位于测距单元读数为零时的法向压脚前端面；所述基坐标系位于机器人基座中心；
15.基准点位的位姿包含孔的空间位置坐标和表面法线方向，通过视觉模块和法向压脚内置的传感器的反馈，系统将法向压脚中心和基准点位中心对齐，并保证法向压脚轴线和工件表面垂直。
16.优选地，将法向压脚中心和基准点位中心对齐具体包括：
17.通过离线编程获得理论坐标，根据理论坐标将末端执行器定位至基准点位的位置；
18.通过法向压脚压紧工件后，执行法向测量和调整，使得法向压脚轴线及相机轴线和工件表面垂直；
19.调整末端执行器与工件的距离，使得相机与工件的距离和标定状态时保持一致；
20.利用所述视觉模块反馈的基准点位中心坐标，进行工具坐标系下的闭环位置调整，实现法向压脚轴线和基准点位中心对齐。
21.优选地，所述法向测量和调整具体如下：
22.步骤a：通过法向压脚内置的位移传感器测得工件表面法线方向，并计算其与压脚轴线的偏角；
23.步骤b：若偏角小于设定阈值，则停止调整；否则，执行下一步；
24.步骤c：机器人带动末端执行器进行绕制孔点位偏转测得的偏角之后，执行步骤a。
25.优选地，所述闭环位置调整具体如下：
26.步骤a：视觉模块测得基准点位的中心坐标后，计算其与法向压脚轴线在工具坐标系{tcs}下的位置偏差δy，δz；
27.步骤b：若δy和δz均小于设定阈值，则停止调整；否则，执行下一步；
28.步骤c：机器人驱动末端执行器在工具坐标系{tcs}下进行移动δy，δz，实现一次位置补偿之后，执行步骤a。
29.优选地，确定最终基准点位的空间坐标包括：
30.获取基准点位的空间坐标通过如下公式：
[0031][0032]
其中，c
α
、c
β
、c
γ
、s
α
、s
β
、s
γ
分别代表cos(αd)、cos(βd)、cos(γd)、sin(αd)、sin(βd)、sin(γd)；xd、yd、zd、αd、βd、γd代表控制系统中工具坐标系{tcs}在基坐标系{bcs}下的位姿坐标；δ
l
代表压力脚的伸出量；δy,δz代表基准点位找正后的相机测得的基准点位残余偏差；in、jn和kn代表精确定位完成后法向压脚内置的传感器测得的法矢量坐标。
[0033]
第二方面，本发明提供了一种基准点位的空间位姿测量方法，该方法包括：
[0034]
步骤s1：将末端执行器定位至基准点位的位置；
[0035]
步骤s2：使法向压脚轴线及相机轴线和工件表面垂直；
[0036]
步骤s3：将相机与工件的距离和标定状态时保持一致；
[0037]
步骤s4：利用所述视觉模块反馈的基准点位中心坐标，进行工具坐标系下的闭环位置调整，实现法向压脚轴线和基准点位中心对齐；
[0038]
步骤s5：法向压脚伸出并压紧工件，最终获得基准点位的位姿。
[0039]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0040]
通过机器人结合末端执行器上的法向压脚和视觉系统，解决了工件上基准点位的找正问题，并实现了基准点位空间坐标和表面法线方向的精确测量。
[0041]
本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。
附图说明
[0042]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0043]
图1为本发明结构示意图；
[0044]
图2为基准孔位姿测量示意图。
[0045]
附图标记：1、末端底板；2、光栅尺；3、读数头及其支架；4、导轨；5、气缸；6、法向压脚；7、光源；8、镜头；9、相机；10、机器人；11、工件。
具体实施方式
[0046]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0047]
本发明实施例提供了一种基准点位的空间位姿测量系统，具体包括：机器人、末端执行器和控制模块，末端执行器包括法向压脚和视觉模块。
[0048]
在控制模块的控制下，末端执行器测量工件表面法线方向，视觉模块识别工件上的基准点位的中心坐标，得到基准点位与法向压脚轴线的位置偏差，机器人驱动末端执行器运动补偿位置偏差，直至满足基准点位与法向压脚轴线的位置偏差在预设的阈值范围内，法向压脚伸出与工件压接，其中，本实施例中的基准点位包括但不限于基准孔或钉。
[0049]
具体地，末端执行器还包括：测距单元、末端底板、导轨和气缸；末端底板安装在所述机器人上，导轨和气缸均安装于末端底板上；法向压脚安装于导轨上，通过气缸实现驱动，测距单元测量法向压脚的直线位移量。
[0050]
其中，测距单元包括：光栅尺、读数头及其支架；光栅尺与导轨平行安装于末端底板上，读数头及其支架与法向压脚固连，法向压脚移动时，读数头及其支架结合光栅尺实现法向压脚伸出位置的测量。
[0051]
具体地，系统包括工具坐标系与基坐标系；
[0052]
工具坐标系位于测距单元读数为零时的法向压脚前端面；基坐标系位于机器人基座中心；
[0053]
基准点位的位姿包含孔的空间位置坐标和表面法线方向，通过视觉模块和法向压脚内置的传感器的反馈，系统将法向压脚中心和基准点位中心对齐，并保证法向压脚轴线和工件表面垂直。
[0054]
视觉模块包括：光源、镜头以及相机，光源提供视觉测量时的照明，镜头将工件表面的反射光聚焦至相机。
[0055]
将法向压脚中心和基准点位中心对齐具体包括：
[0056]
1)通过离线编程获得理论坐标，根据理论坐标将末端执行器定位至基准点位的位置；
[0057]
2)通过法向压脚压紧工件后，执行法向测量和调整，使得法向压脚轴线及相机轴线和工件表面垂直；
[0058]
3)根据法向压脚和光栅尺反馈，得到的工件距离，调整末端执行器与工件的距离，使得相机与工件的距离和标定状态时保持一致；其中，标定状态即为保持恒定；
[0059]
4)利用视觉模块反馈的基准点位中心坐标，进行工具坐标系下的闭环位置调整，实现法向压脚轴线和基准点位中心对齐。
[0060]
其中，法向测量和调整具体如下：
[0061]
步骤a：通过法向压脚内置的位移传感器测得工件表面法线方向，并计算其与压脚轴线的偏角；
[0062]
步骤b：若偏角小于设定阈值，则停止调整；否则，执行下一步；
[0063]
步骤c：机器人带动末端执行器进行绕制孔点位偏转测得的偏角，之后，执行步骤a。
[0064]
视觉模块反馈的基准点位中心坐标具体为：视觉模块中，通过光源提供视觉测量时的照明，镜头将工件表面的反射光聚焦至相机内的感光芯片，最终得到工件表面的平面图像，通过机器视觉算法识别基准点位的特征，进而实现其中心坐标的计算。
[0065]
闭环位置调整具体如下：
[0066]
步骤a：视觉模块测得基准点位的中心坐标后，计算其与法向压脚轴线在工具坐标系{tcs}下的位置偏差δy，δz；
[0067]
步骤b：若δy和δz均小于设定阈值，则停止调整；否则，执行下一步；
[0068]
步骤c：机器人驱动末端执行器在工具坐标系{tcs}下进行移动δy，δz，实现一次位置补偿，之后，执行步骤a。
[0069]
获取基准点位的空间坐标通过如下公式：
[0070][0071]
其中，c
α
、c
β
、c
γ
、s
α
、s
β
、s
γ
分别代表cos(αd)、cos(βd)、cos(γd)、sin(αd)、sin(βd)、sin(γd)；xd、yd、zd、αd、βd、γd代表控制系统中工具坐标系{tcs}在基坐标系{bcs}下的位姿坐标；δ
l
代表压力脚的伸出量；δy,δz代表基准点位找正后的相机测得的基准点位残余偏差；in、jn和kn代表精确定位完成后法向压脚内置的传感器测得的法矢量坐标。
[0072]
本发明还提供了一种基准点位的空间位姿测量方法，该方法具体包括：
[0073]
步骤s1：将末端执行器定位至基准点位的位置；
[0074]
步骤s2：使法向压脚轴线及相机轴线和工件表面垂直；
[0075]
步骤s3：将相机与工件的距离和标定状态时保持一致；
[0076]
步骤s4：利用视觉模块反馈的基准点位中心坐标，进行工具坐标系下的闭环位置调整，实现法向压脚轴线和基准点位中心对齐；
[0077]
步骤s5：法向压脚伸出并压紧工件，最终获得基准点位的位姿。
[0078]
接下来，对本发明进行更为具体的说明。
[0079]
本发明提供的一种基准点位的空间位姿测量系统，借助末端执行器上的法向压脚6、相机9，机器人10系统实现基准孔或基准钉的空间位置和法线方向的找正。同时，结合机器人10系统的坐标，实现基准孔或基准钉的空间位姿的精确测量。参照图1所示，该系统具体包括：机器人10、末端底板1、光栅尺2、读数头及其支架3、导轨4、气缸5、法向压脚6以及视觉模块；
[0080]
其中，末端底板1安装于机器人10上，导轨4、气缸5和光栅尺2均安装于末端底板1上；
[0081]
法向压脚6安装于导轨4上，通过气缸5实现驱动，读数头及其支架3与法向压脚6固连，结合光栅尺2用于实现法向压脚6伸出位置的测量。法向压脚6内置传感器，可以测量工件11表面法线方向。
[0082]
光源7、镜头8和相机9组成视觉模块，光源7靠近法向压脚6，镜头8和相机9依次与光源7连接。机器人末端法兰上安装的部件统称为末端执行器，视觉模块整体安装于末端执行器上，且视觉模块测量时轴线调整至与法向压脚6轴线同轴，能够识别工件11上的基准孔或基准钉的中心坐标。视觉模块中，光源可提供视觉测量时的照明，镜头将工件表面的反射光聚焦至相机内的感光芯片，最终得到工件表面的平面图像。通过机器视觉算法识别基准点位的特征，进而实现其中心坐标的计算。
[0083]
如图2所示，机器人系统工具坐标系{tcs}位于光栅尺2读数为零时的法向压脚6前端面，机器人基坐标系{bcs}位于机器人基座中心。基准点位的位姿包含孔的空间位置坐标pm和表面法线方向nm。通过视觉模块和法向压脚内置的传感器的反馈，系统能够将压力脚中心和基准点位中心对齐，并保证压脚轴线和工件11表面垂直。
[0084]
基准孔位姿测量的具体步骤如下：
[0085]
步骤s1：通过离线编程获得理论坐标，根据理论坐标将末端执行器定位至基准点位的位置；
[0086]
步骤s2：通过压脚压紧工件11后，执行法向测量和调整，使得相机9轴线和工件11表面垂直；法向测量和调整的流程如下：
[0087]
(1)通过法向压脚内置的位移传感器测得工件表面法线方向，并计算其与压脚轴线的偏角。
[0088]
(2)若偏角小于设定阈值，则停止调整；否则，执行步骤(3)。
[0089]
(3)机器人带动末端执行器进行绕制孔点位偏转测得的偏角。之后，执行步骤(1)。
[0090]
步骤s3：根据压力脚和光栅尺2反馈，得到的工件11距离，调整末端执行器与工件11的距离，使得相机9执行测量时其与工件11的距离保持恒定；
[0091]
步骤s4：利用视觉模块反馈的基准点位中心坐标，进行工具坐标系下的闭环位置调整，实现压力脚轴线和基准点位中心对齐；视觉模块反馈的基准点位中心坐标方式如下：
[0092]
视觉模块中，光源可提供视觉测量时的照明，镜头将工件表面的反射光聚焦至相机内的感光芯片，最终得到工件表面的平面图像。通过机器视觉算法识别基准点位的特征，进而实现其中心坐标的计算。
[0093]
闭环位置调整步骤如下：
[0094]
(1)视觉模块测得基准点位的中心坐标后，计算其与压力脚轴线在工具坐标系{tcs}下的位置偏差δy，δz。
[0095]
(2)若δy和δz均小于设定阈值，则停止调整；否则，执行步骤(3)。
[0096]
(3)机器人驱动末端执行器在工具坐标系{tcs}下进行移动δy，δz，实现一次位置补偿。之后，执行步骤(1)。
[0097]
步骤s5：压力脚伸出并压紧工件11实现精确定位，基准点位的位姿通过如下公式获得：
[0098][0099]
其中，c
α
、c
β
、c
γ
、s
α
、s
β
、s
γ
分别代表cos(αd)、cos(βd)、cos(γd)、sin(αd)、sin(βd)、sin(γd)；xd、yd、zd、αd、βd、γd代表控制系统中工具坐标系{tcs}在基坐标系{bcs}下的位姿坐标；δ
l
代表压力脚的伸出量；δy,δz代表基准点位找正后的相机9测得的基准点位残余偏差；in、jn和kn代表精确定位完成后法向压脚内置的传感器测得的法矢量坐标。
[0100]
本发明实施例提供了一种基准点位的空间位姿测量系统及方法，通过机器人结合末端执行器上的法向压脚和视觉系统，解决了工件上基准点位的找正问题，并实现了基准点位空间坐标和表面法线方向的精确测量。
[0101]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统
及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
[0102]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种基准点位的空间位姿测量系统，其特征在于，包括：机器人、末端执行器和控制模块，所述末端执行器包括法向压脚和视觉模块；在控制模块的控制下，所述末端执行器测量工件表面法线方向，所述视觉模块识别工件上的基准点位的中心坐标，得到基准点位与法向压脚轴线的位置偏差，机器人驱动末端执行器运动补偿位置偏差，直至满足基准点位与法向压脚轴线的位置偏差在预设的阈值范围内，法向压脚伸出与工件压接。2.根据权利要求1所述的基准点位的空间位姿测量系统，其特征在于，所述末端执行器还包括：测距单元、末端底板、导轨和气缸；所述末端底板安装在所述机器人上，所述导轨和气缸均安装于末端底板上；所述法向压脚安装于导轨上，通过气缸实现驱动，所述测距单元测量法向压脚的直线位移量。3.根据权利要求2所述的基准点位的空间位姿测量系统，其特征在于，所述测距单元包括：光栅尺、读数头及其支架；所述光栅尺与导轨平行安装于所述末端底板上，所述读数头及其支架与法向压脚固连，法向压脚移动时，读数头及其支架结合光栅尺实现法向压脚伸出位置的测量。4.根据权利要求1所述的基准点位的空间位姿测量系统，其特征在于，所述视觉模块包括：光源、镜头以及相机，光源提供视觉测量时的照明，镜头将工件表面的反射光聚焦至相机。5.根据权利要求4所述的基准点位的空间位姿测量系统，其特征在于，所述系统包括工具坐标系与基坐标系；所述工具坐标系位于测距单元读数为零时的法向压脚前端面；所述基坐标系位于机器人基座中心；基准点位的位姿包含孔的空间位置坐标和表面法线方向，通过视觉模块和法向压脚内置的传感器的反馈，系统将法向压脚中心和基准点位中心对齐，并保证法向压脚轴线和工件表面垂直。6.根据权利要求5所述的基准点位的空间位姿测量系统，其特征在于，将法向压脚中心和基准点位中心对齐具体包括：通过离线编程获得理论坐标，根据理论坐标将末端执行器定位至基准点位的位置；通过法向压脚压紧工件后，执行法向测量和调整，使得法向压脚轴线及相机轴线和工件表面垂直；调整末端执行器与工件的距离，使得相机与工件的距离和标定状态时保持一致；利用所述视觉模块反馈的基准点位中心坐标，进行工具坐标系下的闭环位置调整，实现法向压脚轴线和基准点位中心对齐。7.根据权利要求6所述的基准点位的空间位姿测量系统，其特征在于，所述法向测量和调整具体如下：步骤a：通过法向压脚内置的位移传感器测得工件表面法线方向，并计算其与压脚轴线的偏角；步骤b：若偏角小于设定阈值，则停止调整；否则，执行下一步；步骤c：机器人带动末端执行器进行绕制孔点位偏转测得的偏角之后，执行步骤a。8.根据权利要求6所述的基准点位的空间位姿测量系统，其特征在于，所述闭环位置调
整具体如下：步骤a：视觉模块测得基准点位的中心坐标后，计算其与法向压脚轴线在工具坐标系{tcs}下的位置偏差δy，δz；步骤b：若δy和δz均小于设定阈值，则停止调整；否则，执行下一步；步骤c：机器人驱动末端执行器在工具坐标系{tcs}下进行移动δy，δz，实现一次位置补偿之后，执行步骤a。9.根据权利要求8所述的基准点位的空间位姿测量系统，其特征在于，确定最终基准点位的空间坐标包括：获取基准点位的空间坐标通过如下公式：其中，c
α
、c
β
、c
γ
、s
α
、s
β
、s
γ
分别代表cos(α
d
)、cos(β
d
)、cos(γ
d
)、sin(α
d
)、sin(β
d
)、sin(γ
d
)；x
d
、y
d
、z
d
、α
d
、β
d
、γ
d
代表控制系统中工具坐标系{tcs}在基坐标系{bcs}下的位姿坐标；δ
l
代表压力脚的伸出量；δ
y
,δ
z
代表基准点位找正后的相机测得的基准点位残余偏差；i
n
、j
n
和k
n
代表精确定位完成后法向压脚内置的传感器测得的法矢量坐标。10.一种基准点位的空间位姿测量方法，基于权利要求1-9任意一项所述的基准点位的空间位姿测量系统，其特征在于，包括：步骤s1：将末端执行器定位至基准点位的位置；步骤s2：使法向压脚轴线及相机轴线和工件表面垂直；步骤s3：将相机与工件的距离和标定状态时保持一致；步骤s4：利用所述视觉模块反馈的基准点位中心坐标，进行工具坐标系下的闭环位置调整，实现法向压脚轴线和基准点位中心对齐；步骤s5：法向压脚伸出并压紧工件，最终获得基准点位的位姿。

技术总结
本发明提供一种基准点位的空间位姿测量系统及方法，包括：机器人、末端执行器和控制模块，所述末端执行器包括法向压脚和视觉模块；在控制模块的控制下，所述末端执行器测量工件表面法线方向，所述视觉模块识别工件上的基准点位的中心坐标，得到基准点位与法向压脚轴线的位置偏差，机器人驱动末端执行器运动补偿位置偏差，直至满足基准点位与法向压脚轴线的位置偏差在预设的阈值范围内，法向压脚伸出与工件压接。本发明能解决工件上基准点位的找正问题，实现基准点位空间坐标和表面法线方向的精确测量。确测量。确测量。


技术研发人员：王宇晗 范云飞
受保护的技术使用者：上海拓璞数控科技股份有限公司
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/10/11