[發明專利]一種基于編碼方位裝置的機械臂末端跟蹤測量系統及方法

無效

• 申請號: 201410135361.7
• 申請日: 2014-04-04
• 公開（公告）號: CN103895023A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 于之靖;孫海龍
• 申請（專利權）人: 中國民航大學
• 主分類號: B25J13/08
• 分類號: B25J13/08;G01B11/00
• 代理公司: 天津才智專利商標代理有限公司 12108
• 代理人: 龐學欣

1.一種基于編碼方位裝置的機械臂末端跟蹤測量系統，其特征在于：其包括：機械臂（1）、多面體編碼點特征測量靶標（2）、機械臂末端執行器（3）、機械臂控制柜（4）、測量像機（5）和上位機（6）；其中：機械臂（1）為電動多關節工業機械臂，其活動末端裝有多面體編碼點特征測量靶標（2）和機械臂末端執行器（3）；

多面體編碼點特征測量靶標（2）為帶有編碼特征點的測量識別裝置，其安裝在機械臂（1）與機械臂末端執行器（3）的連接部位；

機械臂末端執行器（3）為機械臂（1）的操作執行部件，機械臂（1）通過安裝在其末端的機械臂末端執行器（3）完成預定動作；

機械臂控制柜（4）為工業機械臂（1）的驅動控制部件，其與機械臂（1）相連接，用于控制機械臂（1）工作；

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

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

2.根據權利要求1所述的基于編碼方位裝置的機械臂末端跟蹤測量系統，其特征在于：所述的多面體編碼點特征測量靶標（2）為多面體編碼方位裝置，其為一多面體形狀，其中軸部位設有連接軸（123），連接軸（123）的兩端分別與機械臂（1）的末端和機械臂末端執行器（3）相連接；多面體編碼點特征測量靶標（2）上具有多個矩形側面，每一側面構成一個測量面，每個測量面的表面粘貼有一至多個編碼特征點；每個編碼特征點包含（5）個相對位置固定的特征位（121）和3個編碼位（120）。

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

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

步驟一、工作空間整體布局和裝置固定的S01階段：根據機械臂（1）的運動軌跡、工作范圍，將測量像機（5）固定在待加工工件（7）上；

步驟二、測量像機與工件的預標定、建立靶標和末端執行器校準數據庫的S02階段：將工件空間坐標預先校準，經工件工裝定位與預定標，像機坐標系(OCXCYCZC)在工件坐標系（OWXWYWZW）下的位姿（TCW,RCW）為固定值且已知；通過對基準校準球（8）進行校準來確定機械臂末端執行器（3）的位置在靶標坐標系下的坐標轉換關系，從而確定末端執行器坐標系（ODXDYDZD）在靶標坐標系（OEXEYEZE）下的位姿（TDE,RDE）；

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

步驟四、機械臂到達預定位置的S04階段：通過上位機（6）輸入目標空間坐標參數，利用機械臂控制柜（4）控制機械臂（1）到達預定位置；

步驟五、靶標實時成像測量的S05階段：測量像機（5）對安裝在機械臂（1）與機械臂末端執行器（3）之間的多面體編碼點特征測量靶標（2）進行實時成像測量，然后將圖像數據傳遞到上位機（6）；

步驟六、獲取機械臂末端執行器姿態的S06階段：上位機（6）對上述測量圖像經過編碼特征點掃描、質心定位、編碼特征點識別，后方交會求解像機外方位和相對方位，利用外極線約束外極角匹配方法進行編碼特征點匹配，基于共線性約束的優化平差求解編碼特征點空間三維坐標；像機基站成像中利用空間存在多于3點的相互之間空間距離已知的特征點與成像點之間的關系，采用基于空間共角約束條件下的交會姿態估計算法和多外部方位裝置優化確定像機基站的絕對外部方位（TCW,RCW），即像機坐標系(OCXCYCZC)在工件坐標系（OWXWYWZW）下的位姿（TCW,RCW）；通過坐標逆變換獲得靶標坐標系在像機坐標系(OCXCYCZC)下的位姿（TEC，REC）；

步驟七、獲取機械臂末端執行器精確空間坐標的S07階段：利用機械臂末端執行器（3）與多面體編碼點特征測量靶標（2）之間的剛體連接關系和預校準并建立的末端執行器數據庫，最終獲得機械臂末端執行器（3）在工件坐標系下的精確坐標位置及姿態；

步驟八、補償機械臂末端執行器位姿偏差的S08階段：通過位姿檢測補償系統計算程序位姿和測量位姿偏差值，由上位機（6）發送補償位移給機械臂控制柜（4），從而精確控制機械臂（1）的動作；

步驟九、判斷預定動作是否完成的S09階段：判斷本次操作的預定動作是否全部完成，如果判斷結果為“是”，則本操作流程結束，否則下一步返回S03階段的入口處，繼續下一步動作。