[發(fā)明專利]一種基于編碼方位裝置的機(jī)械臂末端跟蹤測(cè)量系統(tǒng)及方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410135361.7
• 申請(qǐng)日: 2014-04-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103895023A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-07-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 于之靖;孫海龍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)民航大學(xué)
• 主分類號(hào): B25J13/08
• 分類號(hào): B25J13/08;G01B11/00
• 代理公司: 天津才智專利商標(biāo)代理有限公司 12108
• 代理人: 龐學(xué)欣

1.一種基于編碼方位裝置的機(jī)械臂末端跟蹤測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：其包括：機(jī)械臂（1）、多面體編碼點(diǎn)特征測(cè)量靶標(biāo)（2）、機(jī)械臂末端執(zhí)行器（3）、機(jī)械臂控制柜（4）、測(cè)量像機(jī)（5）和上位機(jī)（6）；其中：機(jī)械臂（1）為電動(dòng)多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)械臂，其活動(dòng)末端裝有多面體編碼點(diǎn)特征測(cè)量靶標(biāo)（2）和機(jī)械臂末端執(zhí)行器（3）；

多面體編碼點(diǎn)特征測(cè)量靶標(biāo)（2）為帶有編碼特征點(diǎn)的測(cè)量識(shí)別裝置，其安裝在機(jī)械臂（1）與機(jī)械臂末端執(zhí)行器（3）的連接部位；

機(jī)械臂末端執(zhí)行器（3）為機(jī)械臂（1）的操作執(zhí)行部件，機(jī)械臂（1）通過(guò)安裝在其末端的機(jī)械臂末端執(zhí)行器（3）完成預(yù)定動(dòng)作；

機(jī)械臂控制柜（4）為工業(yè)機(jī)械臂（1）的驅(qū)動(dòng)控制部件，其與機(jī)械臂（1）相連接，用于控制機(jī)械臂（1）工作；

測(cè)量像機(jī)（5）為單目CCD圖像采集裝置，其與上位機(jī)（6）相連接，用于采集整個(gè)操作區(qū)的圖像信息，并傳送給上位機(jī)（6）；

上位機(jī)（6）為控制計(jì)算機(jī)，為本系統(tǒng)的控制核心；其與機(jī)械臂控制柜（4）相連接。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于編碼方位裝置的機(jī)械臂末端跟蹤測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：所述的多面體編碼點(diǎn)特征測(cè)量靶標(biāo)（2）為多面體編碼方位裝置，其為一多面體形狀，其中軸部位設(shè)有連接軸（123），連接軸（123）的兩端分別與機(jī)械臂（1）的末端和機(jī)械臂末端執(zhí)行器（3）相連接；多面體編碼點(diǎn)特征測(cè)量靶標(biāo)（2）上具有多個(gè)矩形側(cè)面，每一側(cè)面構(gòu)成一個(gè)測(cè)量面，每個(gè)測(cè)量面的表面粘貼有一至多個(gè)編碼特征點(diǎn)；每個(gè)編碼特征點(diǎn)包含（5）個(gè)相對(duì)位置固定的特征位（121）和3個(gè)編碼位（120）。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于編碼方位裝置機(jī)械臂末端跟蹤測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：所述的編碼特征點(diǎn)采用黑色背景，在黑色背景上根據(jù)排列規(guī)則粘貼由高反射率反光材料制成的特征位（121）和編碼位（120）。

4.一種如權(quán)利要求1所述的基于編碼方位裝置的機(jī)械臂末端跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的跟蹤測(cè)量方法，其特征在于：所述的測(cè)量方法包括按順序執(zhí)行的下列步驟：

步驟一、工作空間整體布局和裝置固定的S01階段：根據(jù)機(jī)械臂（1）的運(yùn)動(dòng)軌跡、工作范圍，將測(cè)量像機(jī)（5）固定在待加工工件（7）上；

步驟二、測(cè)量像機(jī)與工件的預(yù)標(biāo)定、建立靶標(biāo)和末端執(zhí)行器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)的S02階段：將工件空間坐標(biāo)預(yù)先校準(zhǔn)，經(jīng)工件工裝定位與預(yù)定標(biāo)，像機(jī)坐標(biāo)系(OCXCYCZC)在工件坐標(biāo)系（OWXWYWZW）下的位姿（TCW,RCW）為固定值且已知；通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)校準(zhǔn)球（8）進(jìn)行校準(zhǔn)來(lái)確定機(jī)械臂末端執(zhí)行器（3）的位置在靶標(biāo)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而確定末端執(zhí)行器坐標(biāo)系（ODXDYDZD）在靶標(biāo)坐標(biāo)系（OEXEYEZE）下的位姿（TDE,RDE）；

步驟三、工作空間坐標(biāo)系建立的S03階段：在機(jī)械臂（1）基座處建立機(jī)械臂坐標(biāo)系（ORXRYRZR）；靶標(biāo)坐標(biāo)系（OEXEYEZE）在編碼特征點(diǎn)或靶標(biāo)其他位置上選取；末端執(zhí)行器坐標(biāo)系（ODXDYDZD）建立在機(jī)械臂末端執(zhí)行器（3）的末端；

步驟四、機(jī)械臂到達(dá)預(yù)定位置的S04階段：通過(guò)上位機(jī)（6）輸入目標(biāo)空間坐標(biāo)參數(shù)，利用機(jī)械臂控制柜（4）控制機(jī)械臂（1）到達(dá)預(yù)定位置；

步驟五、靶標(biāo)實(shí)時(shí)成像測(cè)量的S05階段：測(cè)量像機(jī)（5）對(duì)安裝在機(jī)械臂（1）與機(jī)械臂末端執(zhí)行器（3）之間的多面體編碼點(diǎn)特征測(cè)量靶標(biāo)（2）進(jìn)行實(shí)時(shí)成像測(cè)量，然后將圖像數(shù)據(jù)傳遞到上位機(jī)（6）；

步驟六、獲取機(jī)械臂末端執(zhí)行器姿態(tài)的S06階段：上位機(jī)（6）對(duì)上述測(cè)量圖像經(jīng)過(guò)編碼特征點(diǎn)掃描、質(zhì)心定位、編碼特征點(diǎn)識(shí)別，后方交會(huì)求解像機(jī)外方位和相對(duì)方位，利用外極線約束外極角匹配方法進(jìn)行編碼特征點(diǎn)匹配，基于共線性約束的優(yōu)化平差求解編碼特征點(diǎn)空間三維坐標(biāo)；像機(jī)基站成像中利用空間存在多于3點(diǎn)的相互之間空間距離已知的特征點(diǎn)與成像點(diǎn)之間的關(guān)系，采用基于空間共角約束條件下的交會(huì)姿態(tài)估計(jì)算法和多外部方位裝置優(yōu)化確定像機(jī)基站的絕對(duì)外部方位（TCW,RCW），即像機(jī)坐標(biāo)系(OCXCYCZC)在工件坐標(biāo)系（OWXWYWZW）下的位姿（TCW,RCW）；通過(guò)坐標(biāo)逆變換獲得靶標(biāo)坐標(biāo)系在像機(jī)坐標(biāo)系(OCXCYCZC)下的位姿（TEC，REC）；

步驟七、獲取機(jī)械臂末端執(zhí)行器精確空間坐標(biāo)的S07階段：利用機(jī)械臂末端執(zhí)行器（3）與多面體編碼點(diǎn)特征測(cè)量靶標(biāo)（2）之間的剛體連接關(guān)系和預(yù)校準(zhǔn)并建立的末端執(zhí)行器數(shù)據(jù)庫(kù)，最終獲得機(jī)械臂末端執(zhí)行器（3）在工件坐標(biāo)系下的精確坐標(biāo)位置及姿態(tài)；

步驟八、補(bǔ)償機(jī)械臂末端執(zhí)行器位姿偏差的S08階段：通過(guò)位姿檢測(cè)補(bǔ)償系統(tǒng)計(jì)算程序位姿和測(cè)量位姿偏差值，由上位機(jī)（6）發(fā)送補(bǔ)償位移給機(jī)械臂控制柜（4），從而精確控制機(jī)械臂（1）的動(dòng)作；

步驟九、判斷預(yù)定動(dòng)作是否完成的S09階段：判斷本次操作的預(yù)定動(dòng)作是否全部完成，如果判斷結(jié)果為“是”，則本操作流程結(jié)束，否則下一步返回S03階段的入口處，繼續(xù)下一步動(dòng)作。