專利名稱：基于激光跟蹤測(cè)量的附加外軸機(jī)器人自動(dòng)標(biāo)定裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于激光跟蹤測(cè)量的附加外軸機(jī)器人自動(dòng)標(biāo)定裝置及方法。
背景技術(shù)：
飛機(jī)數(shù)字化裝配系統(tǒng)中的大量模塊化工裝和自動(dòng)化設(shè)備系統(tǒng)，比如系統(tǒng)平臺(tái)、靶 標(biāo)法蘭、靶標(biāo)、機(jī)器人導(dǎo)軌、機(jī)器人、激光跟蹤儀、工件、數(shù)控精加工機(jī)床、三坐標(biāo)數(shù)控定位 器，都是在自身的局部坐標(biāo)系下伺服運(yùn)動(dòng)。為了提高系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能和精度，必須構(gòu)建系統(tǒng) 全局坐標(biāo)系與各組成子系統(tǒng)局部坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。各組成子系統(tǒng)局部坐標(biāo)系的創(chuàng)建與標(biāo) 定是系統(tǒng)初始化必須完成的重要工作之一，其創(chuàng)建與標(biāo)定將直接影響到系統(tǒng)的精度。帶附加外軸的機(jī)器人以其極高的重復(fù)定位精度、較高的絕對(duì)定位精度、高度的柔 性、較小的安裝空間需求和可編程控制等特點(diǎn)，保證其具有比較大的靈活作業(yè)空間的同時(shí)， 保證了裝配系統(tǒng)總體布局設(shè)計(jì)上的結(jié)構(gòu)緊湊性和作業(yè)空間開(kāi)敞性，在飛機(jī)數(shù)字化裝配系統(tǒng) 中具有廣泛應(yīng)用。構(gòu)建和標(biāo)定機(jī)器人坐標(biāo)系可以較為精確地確定靶標(biāo)、工具、工件、移動(dòng)導(dǎo)軌坐標(biāo)系 在全局坐標(biāo)系下的位姿，機(jī)器人移動(dòng)時(shí)便可準(zhǔn)確定位機(jī)器人及其工具。構(gòu)建和標(biāo)定機(jī)器人坐標(biāo)系的傳統(tǒng)方法僅僅提出了個(gè)別坐標(biāo)系的構(gòu)建和標(biāo)定過(guò)程 而不夠系統(tǒng)全面，有的要求特殊的標(biāo)準(zhǔn)試件而難以加工，大多數(shù)沒(méi)有給出標(biāo)定后具體精度 的數(shù)值指標(biāo)。帶附加外軸的機(jī)器人系統(tǒng)坐標(biāo)系的構(gòu)建與標(biāo)定過(guò)程是一個(gè)極其繁瑣而復(fù)雜的過(guò) 程，本發(fā)明提出了一種快速簡(jiǎn)單、精度較高的方法來(lái)構(gòu)建與標(biāo)定系統(tǒng)各坐標(biāo)系，采用激光跟 蹤儀來(lái)測(cè)量一系列點(diǎn)并進(jìn)行擬合計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)大批量全自動(dòng)化構(gòu)建與標(biāo)定坐標(biāo)系組。該 方法具有操作簡(jiǎn)單、精度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述帶附加外軸的機(jī)器人系統(tǒng)坐標(biāo)系的構(gòu)建，提供一種基于 激光跟蹤測(cè)量的附加外軸機(jī)器人自動(dòng)標(biāo)定裝置及方法?；诩す飧櫆y(cè)量的附加外軸機(jī)器人自動(dòng)標(biāo)定裝置包括系統(tǒng)平臺(tái)、靶標(biāo)法蘭、靶 標(biāo)安裝孔、機(jī)器人導(dǎo)軌、機(jī)器人、激光跟蹤儀、工件、數(shù)控精加工機(jī)床、三坐標(biāo)數(shù)控定位器、上 位機(jī)；系統(tǒng)平臺(tái)上安裝有9個(gè)通過(guò)高精密數(shù)控機(jī)床加工出的靶標(biāo)安裝孔、三坐標(biāo)數(shù)控定位 器、機(jī)器人導(dǎo)軌，在三坐標(biāo)數(shù)控定位器上固定有工件，在機(jī)器人導(dǎo)軌上安裝有機(jī)器人，機(jī)器 人上安裝有靶標(biāo)法蘭，靶標(biāo)法蘭上有6個(gè)靶標(biāo)安裝孔，在靶標(biāo)安裝孔上設(shè)有靶標(biāo)，系統(tǒng)平臺(tái) 外側(cè)設(shè)有數(shù)控精加工機(jī)床、激光跟蹤儀、上位機(jī)。所述的機(jī)器人的定位精度為士 0.692mm。所述的上位機(jī)、機(jī)器人、激光跟蹤儀之間通過(guò)RS485以太網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)Socket通訊， 以字符串的形式發(fā)送數(shù)據(jù)、命令、請(qǐng)求，通過(guò)上位機(jī)完成測(cè)量數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)的備份和保存。
基于激光跟蹤測(cè)量的附加外軸機(jī)器人自動(dòng)標(biāo)定方法包括標(biāo)定世界坐標(biāo)系、標(biāo)定靶 標(biāo)工具坐標(biāo)系、標(biāo)定BASE坐標(biāo)系和標(biāo)定TRACK坐標(biāo)系，標(biāo)定BASE坐標(biāo)系包括標(biāo)定BASE坐 標(biāo)系各坐標(biāo)軸方向和標(biāo)定BASE坐標(biāo)系原點(diǎn)，標(biāo)定世界坐標(biāo)系的步驟a)測(cè)量9個(gè)靶標(biāo)在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的位置；b)將靶標(biāo)在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的空間實(shí)際位置與理論位置進(jìn)行匹配計(jì)算，獲取 激光跟蹤儀坐標(biāo)系在世界坐標(biāo)系下的姿態(tài)；c)根據(jù)激光跟蹤儀坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的位姿轉(zhuǎn)換關(guān)系，將激光跟蹤儀測(cè)量坐標(biāo) 系轉(zhuǎn)站到世界坐標(biāo)系下；標(biāo)定BASE坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸方向的步驟d)使機(jī)器人沿BASE坐標(biāo)系的X軸運(yùn)動(dòng)，連續(xù)測(cè)量靶標(biāo)的位置，擬合一條直線即機(jī) 器人BASE坐標(biāo)系的X軸方向；使機(jī)器人沿BASE坐標(biāo)系的Y軸運(yùn)動(dòng)，連續(xù)測(cè)量靶標(biāo)的位置， 擬合一條直線即機(jī)器人BASE坐標(biāo)系Y軸的方向；e)通過(guò)機(jī)器人BASE坐標(biāo)系的X軸和Y軸叉乘，計(jì)算出Z = XXY,即機(jī)器人BASE 坐標(biāo)系Z軸的方向；標(biāo)定靶標(biāo)工具坐標(biāo)系的步驟f)激光跟蹤儀坐標(biāo)系轉(zhuǎn)站，使激光跟蹤儀坐標(biāo)系的方向轉(zhuǎn)站后與機(jī)器人BASE坐 標(biāo)系的方向一致；g)激光跟蹤儀控制機(jī)器人以4種不同的姿態(tài)使靶標(biāo)達(dá)到空間同一點(diǎn)，分別記錄機(jī) 器人的工具中心點(diǎn)在BASE坐標(biāo)系下的位姿；h)經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)矩陣變換，計(jì)算靶標(biāo)在T00L0坐標(biāo)系中的位置；標(biāo)定BASE坐標(biāo)系原點(diǎn)的步驟i)根據(jù)激光跟蹤儀坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的位姿轉(zhuǎn)換關(guān)系，將激光跟蹤儀測(cè)量坐 標(biāo)系轉(zhuǎn)站到世界坐標(biāo)系下；i)上位機(jī)控制機(jī)器人回零，激光跟蹤儀測(cè)量靶標(biāo)在世界坐標(biāo)系下的位置；k)經(jīng)過(guò)位姿矩陣變換，計(jì)算BASE坐標(biāo)系原點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的位置；標(biāo)定TRACK 坐標(biāo)系的步驟1)上位機(jī)控制機(jī)器人沿TRACK坐標(biāo)系X軸運(yùn)動(dòng)一段直線，每隔一段距離激光跟蹤 儀測(cè)量靶標(biāo)在世界坐標(biāo)系下的位置；m)將測(cè)量得到的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，得到TRACK坐標(biāo)系X軸在世界坐標(biāo)系下 的姿態(tài)作為TRACK坐標(biāo)系的方向。步驟b)所述的將靶標(biāo)在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的空間實(shí)際位置與設(shè)定位置進(jìn)行匹 配計(jì)算，獲取激光跟蹤儀坐標(biāo)系在世界坐標(biāo)系下的姿態(tài)的步驟為記測(cè)量3 9個(gè)靶標(biāo)的實(shí)際坐標(biāo)為Pa、理論坐標(biāo)為PB，PAi，i = 1,2,... ,m為空間 固定靶標(biāo)的實(shí)際坐標(biāo)，PBi, i = 1,2,... ,m為空間固定靶標(biāo)的理論坐標(biāo)；姿態(tài)計(jì)算是實(shí)際測(cè)量坐標(biāo)值到理論坐標(biāo)值一個(gè)剛性轉(zhuǎn)換aTB PB = ATBXPA(1)該剛性變換aTb可表達(dá)為一個(gè)旋轉(zhuǎn)變化R和一個(gè)平移變換t的組合，即Pb = aTbXPa = RX PA+t (2)
由于測(cè)量誤差的存在，變換后的結(jié)果不能完全等于理論的坐標(biāo)值，即ζ = PBi-(RXPAi+t), ζ 為誤差矩陣。(3)式中，{xAi’，yAi’，zAi’ }為PAi經(jīng)旋轉(zhuǎn)變化和一個(gè)平移變換后的坐標(biāo)值，{xAi，yAi， ZaJ為PBi的坐標(biāo)值。令Di;i = 1，2，...，m為靶標(biāo)對(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)轉(zhuǎn)換后與理論點(diǎn)之間的距離，即 A = λΙ(χα'-χβι)2+(ya'-yJ2 +( ,'- )權(quán)利要求
1.一種基于激光跟蹤測(cè)量的附加外軸機(jī)器人自動(dòng)標(biāo)定裝置，其特征在于包括系統(tǒng)平 臺(tái)(1)、靶標(biāo)法蘭(2)、靶標(biāo)安裝孔(3)、機(jī)器人導(dǎo)軌(4)、機(jī)器人(5)、激光跟蹤儀(6)、工件 (7)、數(shù)控精加工機(jī)床(8)、三坐標(biāo)數(shù)控定位器(9)、上位機(jī)(10)；系統(tǒng)平臺(tái)(1)上安裝有9個(gè) 通過(guò)高精密數(shù)控機(jī)床加工出的靶標(biāo)安裝孔(3)、三坐標(biāo)數(shù)控定位器(9)、機(jī)器人導(dǎo)軌，在 三坐標(biāo)數(shù)控定位器(9)上固定有工件(7)，在機(jī)器人導(dǎo)軌(4)上安裝有機(jī)器人(5)，機(jī)器人 (5)上安裝有靶標(biāo)法蘭O)，靶標(biāo)法蘭( 上有6個(gè)靶標(biāo)安裝孔(3)，在靶標(biāo)安裝孔C3)上設(shè) 有靶標(biāo)，系統(tǒng)平臺(tái)(1)外側(cè)設(shè)有數(shù)控精加工機(jī)床(8)、激光跟蹤儀(6)、上位機(jī)(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光跟蹤測(cè)量的附加外軸機(jī)器人自動(dòng)標(biāo)定裝置，其 特征在于所述的機(jī)器人(5)的定位精度為士0.692mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光跟蹤測(cè)量的附加外軸機(jī)器人自動(dòng)標(biāo)定裝置，其 特征在于所述的上位機(jī)(10)、機(jī)器人(5)、激光跟蹤儀(6)之間通過(guò)RS485以太網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn) Socket通訊，以字符串的形式發(fā)送數(shù)據(jù)、命令、請(qǐng)求，通過(guò)上位機(jī)(10)完成測(cè)量數(shù)據(jù)和計(jì)算 數(shù)據(jù)的備份和保存。
4.一種使用如權(quán)利要求1所述裝置的基于激光跟蹤測(cè)量的附加外軸機(jī)器人自動(dòng)標(biāo)定 方法，其特征在于包括標(biāo)定世界坐標(biāo)系(11)、標(biāo)定靶標(biāo)工具坐標(biāo)系(12)、標(biāo)定BASE坐標(biāo)系 (13)和標(biāo)定TRACK坐標(biāo)系(14)，標(biāo)定BASE坐標(biāo)系(13)包括標(biāo)定BASE坐標(biāo)系(13)各坐標(biāo) 軸方向和標(biāo)定BASE坐標(biāo)系(13)原點(diǎn)，其中，標(biāo)定世界坐標(biāo)系(11)的步驟為a)測(cè)量9個(gè)靶標(biāo)在激光跟蹤儀坐標(biāo)系(16)下的位置；b)將靶標(biāo)在激光跟蹤儀坐標(biāo)系(16)下的空間實(shí)際位置與理論位置進(jìn)行匹配計(jì)算，獲 取激光跟蹤儀坐標(biāo)系(16)在世界坐標(biāo)系(11)下的姿態(tài)；c)根據(jù)激光跟蹤儀坐標(biāo)系(16)與世界坐標(biāo)系(11)的位姿轉(zhuǎn)換關(guān)系，將激光跟蹤儀測(cè) 量坐標(biāo)系(16)轉(zhuǎn)站到世界坐標(biāo)系(11)下；標(biāo)定BASE坐標(biāo)系(13)各坐標(biāo)軸方向的步驟為d)使機(jī)器人( 沿BASE坐標(biāo)系(1 的X軸運(yùn)動(dòng)，連續(xù)測(cè)量靶標(biāo)C3)的位置，擬合一條 直線即機(jī)器人BASE坐標(biāo)系(13)的X軸方向；使機(jī)器人沿BASE坐標(biāo)系(13)的Y軸運(yùn)動(dòng)，連 續(xù)測(cè)量靶標(biāo)的位置，擬合一條直線即機(jī)器人BASE坐標(biāo)系(U)Y軸的方向；e)通過(guò)機(jī)器人BASE坐標(biāo)系(13)的X軸和Y軸叉乘，計(jì)算出Z= XXY,即機(jī)器人BASE 坐標(biāo)系(13)Z軸的方向；標(biāo)定靶標(biāo)工具坐標(biāo)系(1 的步驟為f)激光跟蹤儀(6)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)站，使激光跟蹤儀坐標(biāo)系(16)的方向轉(zhuǎn)站后與機(jī)器人 BASE坐標(biāo)系(13)的方向一致；g)激光跟蹤儀(6)控制機(jī)器人(5)以4種不同的姿態(tài)使靶標(biāo)達(dá)到空間同一點(diǎn)，分別記 錄機(jī)器人(5)的工具中心點(diǎn)在BASE坐標(biāo)系(13)下的位姿；h)經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)矩陣變換，計(jì)算靶標(biāo)在T00L0坐標(biāo)系中的位置；標(biāo)定BASE坐標(biāo)系(13)原點(diǎn)的步驟為i)根據(jù)激光跟蹤儀坐標(biāo)系(16)與世界坐標(biāo)系(11)的位姿轉(zhuǎn)換關(guān)系，將激光跟蹤儀測(cè) 量坐標(biāo)系(16)轉(zhuǎn)站到世界坐標(biāo)系(11)下；j)上位機(jī)(10)控制機(jī)器人(5)回零，激光跟蹤儀(6)測(cè)量靶標(biāo)在世界坐標(biāo)系(11)下的位置；k)經(jīng)過(guò)位姿矩陣變換，計(jì)算BASE坐標(biāo)系(13)原點(diǎn)在世界坐標(biāo)系(11)中的位置； 標(biāo)定TRACK坐標(biāo)系(14)的步驟為1)上位機(jī)(10)控制機(jī)器人(5)沿TRACK坐標(biāo)系(14)X軸運(yùn)動(dòng)一段直線，每隔一段距離 激光跟蹤儀(6)測(cè)量靶標(biāo)(3)在世界坐標(biāo)系(11)下的位置；m)將測(cè)量得到的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，得到TRACK坐標(biāo)系(14) X軸在世界坐標(biāo)系 (11)下的姿態(tài)作為TRACK坐標(biāo)系(14)的方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于激光跟蹤測(cè)量的附加外軸機(jī)器人自動(dòng)標(biāo)定方法，其 特征在于步驟b)所述的將靶標(biāo)在激光跟蹤儀坐標(biāo)系(16)下的空間實(shí)際位置與設(shè)定位置進(jìn) 行匹配計(jì)算，獲取激光跟蹤儀坐標(biāo)系(16)在世界坐標(biāo)系(11)下的姿態(tài)的步驟為記測(cè)量3 9個(gè)靶標(biāo)的實(shí)際坐標(biāo)為Pa、理論坐標(biāo)為PB，PAi，i = 1，2，...，m為空間固定 靶標(biāo)的實(shí)際坐標(biāo)，PBi, i = 1,2,... ,m為空間固定靶標(biāo)的理論坐標(biāo)； 姿態(tài)計(jì)算是實(shí)際測(cè)量坐標(biāo)值到理論坐標(biāo)值一個(gè)剛性轉(zhuǎn)換aTb pb = atbxpa(1)該剛性變換aTb可表達(dá)為一個(gè)旋轉(zhuǎn)變化R和一個(gè)平移變換t的組合，即 Pb = aTbXPA = RXPA+t (2)由于測(cè)量誤差的存在，變換后的結(jié)果不能完全等于理論的坐標(biāo)值，即 ζ = PBi-(RXPAi+t), ζ 為誤差矩陣。(3)式中，{xAi’，yAi’，zAi’ }為PAi經(jīng)旋轉(zhuǎn)變化和一個(gè)平移變換后的坐標(biāo)值，lxAi，yAi，zAi}為 PBi的坐標(biāo)值。令Di, i = 1，2，...，m為靶標(biāo)對(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)轉(zhuǎn)換后與理論點(diǎn)之間的距離，即A =^( /- )2 +(>V- )2 +(zA'-ζΒ,)2 (4)1 m令導(dǎo)出相對(duì)應(yīng)點(diǎn)的位置誤差的均方差表達(dá)式為Σ (A-^)2/=1___W-I(5)以位置誤差的均方差為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行最小二乘擬合求解得到R和t，從而得到測(cè)量的 實(shí)際坐標(biāo)值到理論坐標(biāo)值的位姿變換矩陣，即可將當(dāng)前激光跟蹤儀坐標(biāo)系(16)轉(zhuǎn)站到世 界坐標(biāo)系(11)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于激光跟蹤測(cè)量的附加外軸機(jī)器人自動(dòng)標(biāo)定方法，其 特征在于步驟d)所述的擬合一條直線即機(jī)器人BASE坐標(biāo)系(13)的X軸方向的步驟為 [a,x + hy + c,z + l = 0設(shè)表達(dá)式1 ‘,。為在激光跟蹤儀坐標(biāo)系(16)下機(jī)器人BASE坐標(biāo)系[a2x + b2y + c2z + I = U(13)的X軸的擬合曲線方程，需要擬合計(jì)算出各系數(shù)％、bp C1, a2、b2、C2的值。采用激光跟蹤儀(6)測(cè)量m，m ^ 3個(gè)點(diǎn)都在該直線上，將這些點(diǎn)的坐標(biāo)代入到該直線 方程，構(gòu)成m個(gè)方程組，寫成矩陣形式
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于激光跟蹤測(cè)量的附加外軸機(jī)器人自動(dòng)標(biāo)定方法，其 特征在于步驟e)所述的通過(guò)機(jī)器人BASE坐標(biāo)系(13)的X軸和Y軸叉乘的步驟為設(shè)擬合出來(lái)坐標(biāo)系的X、Y軸方向分別用矢量[nx3M oxM axS] ]、！_ 測(cè) Oym j表示。測(cè)量過(guò)程中X、Y軸不一定正交，需要進(jìn)行正交化處理，
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于激光跟蹤測(cè)量的附加外軸機(jī)器人自動(dòng)標(biāo)定裝置及方法。它包括系統(tǒng)平臺(tái)、靶標(biāo)法蘭、靶標(biāo)安裝孔、機(jī)器人導(dǎo)軌、機(jī)器人、激光跟蹤儀、工件、數(shù)控精加工機(jī)床、三坐標(biāo)數(shù)控定位器、上位機(jī)；系統(tǒng)平臺(tái)上安裝有9個(gè)通過(guò)高精密數(shù)控機(jī)床加工出的靶標(biāo)安裝孔、三坐標(biāo)數(shù)控定位器、機(jī)器人導(dǎo)軌，在三坐標(biāo)數(shù)控定位器上固定有工件，在機(jī)器人導(dǎo)軌上安裝有機(jī)器人，機(jī)器人上安裝有靶標(biāo)法蘭，靶標(biāo)法蘭上有6個(gè)靶標(biāo)安裝孔，在靶標(biāo)安裝孔上設(shè)有靶標(biāo)，系統(tǒng)平臺(tái)外側(cè)設(shè)有數(shù)控精加工機(jī)床、激光跟蹤儀、上位機(jī)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)能夠自動(dòng)化標(biāo)定帶附加外軸的機(jī)器人坐標(biāo)系統(tǒng)；(2)標(biāo)定精度高、標(biāo)定結(jié)果可靠；(3)標(biāo)定操作簡(jiǎn)單、效率高。
文檔編號(hào)G01B11/00GK102062576SQ20101054541
公開(kāi)日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月12日
發(fā)明者俞慈君, 曲巍崴, 李江雄, 柯映林, 董輝躍, 謝坤, 郭英杰 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)