基于視覺和移動機械臂的多坐標加工中心組合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及多坐標加工中心、移動機器人和視覺感知方法，特別涉及基于視覺和 移動機械臂的多坐標加工中心組合方法，屬于機械和信息技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 裝備制造業(yè)被譽為"工業(yè)母機"，是制造業(yè)的基石。工業(yè)現(xiàn)代化所需的各類裝備 和設(shè)施都離不開高檔加工中心和基礎(chǔ)制造裝備，其性能、質(zhì)量和擁有量已成為當今衡量一 個國家工業(yè)化水平、綜合國力的重要標志；綜觀全球，美國、日本、德國等世界裝備制造業(yè)強 國無不重視控制高端制造裝備這一產(chǎn)業(yè)制高點，重視用高技術(shù)優(yōu)化提升傳統(tǒng)裝備制造業(yè)， 支撐高端制造，保持產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢；隨著機床工業(yè)的發(fā)展，加工中心的技術(shù)水平也得到了較大發(fā) 展；加工中心具有以下主要特點：⑴加工中心萬能性大，大型工件裝夾及找正困難而且費 時，因此希望盡可能在一次安裝中將全部表面加工出來，所以加工中心的萬能性較大，數(shù)控 機床可以進行鏜、銑、鉆等各種工作；⑵由于加工中心龐大，為使操縱方便起見，通常是用 懸掛式操縱板或操縱臺集中操縱；⑶為了觀察部件位移方便，加工中心大多備有移動部件 立柱、主軸箱及鏜軸位移的數(shù)碼顯示裝置，以節(jié)省觀察及測量位移的時間和減輕工人勞動 強度；加工中心技術(shù)發(fā)展的總趨勢是高速、精密和多功能，其產(chǎn)品開發(fā)針對難加工材料的重 切削機種、針對復雜開關(guān)加工的智能多軸控制裝置和綜合多軸控制系統(tǒng)。
[0003] 以傳統(tǒng)金切削為主的五軸聯(lián)動加工中心價格很高，若大型龍門則更昂貴；該加工 中心扭矩大，精度高，速度慢，可加工各種金屬及非金屬；
[0004] 機器人技術(shù)是涉及機械學、傳感器技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和計算機 技術(shù)的一門綜合性高新技術(shù)，既是光機電一體化的重要基礎(chǔ)，又是光機電一體化技術(shù)的典 型代表，它是多學科科技革命的必然結(jié)果。近年來，隨著機器人研究的不斷發(fā)展，機器人技 術(shù)開始源源不斷地向人類活動的各個領(lǐng)域滲透，結(jié)合這些領(lǐng)域的應用特點，各種各樣的具 有不同功能的機器人被研制出來，并且在不同的應用領(lǐng)域都得到了廣泛的應用；例如，美 國Wolstenholme機器公司生產(chǎn)的MR5和MR7排爆機器人，能用于戶內(nèi)及戶外環(huán)境、適應各 種地形活動，完成排爆功能，已被美國軍方廣泛使用；排爆機器人是特種機器人的一種，主 要用于在事發(fā)現(xiàn)場排除處理爆炸物及其他危險物品；排爆機器人的多功能機械手，作為排 爆機器人的完成抓取任務(wù)的主要執(zhí)行器，應能完成包括抓取爆炸物在內(nèi)的一系列任務(wù)，對 于排爆機器人來講尤為重要；排爆是一個充滿變化而復雜的過程，在排爆機器人執(zhí)行任務(wù) 的過程中，最關(guān)鍵的一步就是控制機器人的多功能機械手去抓取目標物，即控制機械手精 確的定位到目標物位置，完成抓取動作；目前世界上已投入使用的排爆機器人，在工作方式 上，都需要一個經(jīng)驗豐富的操作員，對機械手進行遠程手動控制，達到機械手精確定位的目 的。這種工作方式，一方面對操作員的要求非常高，另一方面，手動控制也很難達到很高的 精度；因此，若能通過計算機視覺技術(shù)實現(xiàn)機械手的自動精確定位，而不需要去手動控制機 械手的各個關(guān)節(jié)，將會在很大程度上提高排爆機器人的性能。
[0005] 然而，移動機器人與鏜、銑、鉆等機床如何組合成多坐標加工中心還存在重大技術(shù) 缺陷，不能有效降低五軸聯(lián)動加工中心的昂貴價格。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服移動機器人與鏜、銑、鉆等機床不能直接組合成多坐標加工中心的重大 技術(shù)缺陷，本發(fā)明提出一種基于視覺和移動機械臂的多坐標加工中心組合方法，該方法通 過在在移動機械臂和鏜床、銑床、鉆床設(shè)置加工任務(wù)和工序；設(shè)置移動機械臂軌道和夾具， 并在移動機械臂上安裝CCD和激光測距或者安裝connect相機，在鏜床、銑床、鉆床面臨移 動機械臂軌道設(shè)置多個光標識點，然后由移動機械臂的多關(guān)節(jié)控制使得移動機械臂將待加 工工件移至預定位置，同時，在加工過程中進行在線定位監(jiān)測和誤差修正，對加工系統(tǒng)給出 故障報警，實現(xiàn)了多坐標加工中心組合，解決了移動機器人與鏜、銑、鉆等機床直接組合成 多坐標加工中心的重大技術(shù)問題。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，一種基于視覺和移動機械臂的多坐標 加工中心組合方法，其特征包括以下步驟：
[0008] (1)在移動機械臂和鏜床、銑床、鉆床設(shè)置加工任務(wù)和工序；設(shè)置移動機械臂軌 道，使得移動機械臂可以在該軌道上運動；在移動機械臂軌道的外側(cè)分布式排列鏜床、銑 床、鉆床，使得鏜床、銑床、鉆床刀具面向移動機械臂軌道并與軌道垂直，以該垂線作為移動 機械臂的夾具中心線，當移動機械臂重力中心線與第一道加工工序的鏜床、銑床或鉆床前 的夾具中心線相交時移動機械臂停止運動并被夾具鎖死，多坐標對準和準確定位后進行加 工，并進行在線加工積累誤差修正，加工完成后松開夾具，移動機械臂移動到下一道工序的 鏜床、銑床或鉆床前的夾具中心線；
[0009] (2)移動機械臂具有多關(guān)節(jié)控制功能；在移動機械臂上安裝CCD和激光測距或者 安裝connect相機，在鏜床、銑床、鉆床面臨移動機械臂軌道設(shè)置多個光標識點，移動機械 臂停止運動并被夾具鎖死后，根據(jù)在鏜床、銑床、鉆床上設(shè)置多點光標識點以及安裝CCD和 激光測距或者安裝connect相機進行對準定位，然后由移動機械臂的多關(guān)節(jié)控制使得移動 機械臂將待加工工件移至預定位置；
[0010] 假定某一個鏜床、銑床或鉆床上設(shè)置的多個光標識點的坐標分別為（〇, 〇, 〇)，（Xl， Y1,Z1)，（x2,y2,z2)，…，（xn,yn,zn)，且為已知量，n+1光標識點的個數(shù)，激光測距儀激光出口 或者connect相機中心的坐標為（X，y,z)，激光測距的定位要求為：
[0012] 以及[x-xpy_ypz-zp]T| " <enax
[0013]其中，r,1^，r2,…，rn分別為（x,y,z)到（0, 0, 0)，（xY1, Z1),(x2,y2, z2)，… ，（xn,yn,zn)的距離，誤差I(lǐng)i=I, 2,…，n滿足條件II丨I<e。，I121 <e。,…，IInI<e。，e。為 給定的正數(shù)，xp,yp,zp為在加工工藝中預先設(shè)定的位置，e_為給定的最大定位誤差，e。為給 定的最大圖像位置誤差，AI "為矩陣A的無窮范數(shù)；
[0014] 同時，要求先對準在該鏜床、銑床或鉆床上設(shè)置的坐標（0,0,0)圖像位置，其余多 個光標識點在CCD圖像中的坐標位置要滿足：
[0016]其中，（xlt,ylt), (x2t,y2t),…，（xnt,ynt)分別為在該鍵床、銑床或鉆床上設(shè)置的 多個光標識點的坐標（X1, Y1, Z1), (x2,y2,Z2)，…，（xn,yn,zn)在CCD圖像中的坐標位置， (xlpt,ylpt), (x2pt,y2pt)，"％ (xnpt,ynpt)分別為在該鍵床、銑床或鉆床上設(shè)置的多個光標識點 的坐標（X1, Y1, Z1), (x2,y2,Z2),…，（xn,yn,zn)在CCD圖像中的理想坐標位置，且為已知量； et(:為最大允許的圖像位置誤差；
[0017] (3)在鏜、銑、鉆的加工過程中，扭矩和機械振動會引起定位誤差，在加工過程中不 斷采用步驟（3)的方法檢測定位精度，移動機械臂控制多關(guān)節(jié)緩慢運動抵消扭矩和機械振 動作用，以在線減少加工積累誤差并進行誤差修正；
[0018] (4)當最大誤差e_、e。或et。不能控制時，加工精度不能滿足要求，對系統(tǒng)進行報 警；當最大誤差e_、e?；騟t。滿足要求，但隨著日期不斷增大而接近最大誤差e_、e。或et。， 對系統(tǒng)進行