[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

技術領域

本發明屬于機械臂跟蹤測量技術領域，特別是涉及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。

背景技術

傳統的工業機械臂一般采用示教或離線編程的方式對加工任務進行路徑規劃和運動編程。隨著技術的發展，工業生產對加工質量、加工精度、裝配效率提出了更高的要求。而利用視覺系統，可以實時反饋機械臂末端的精確位置信息，根據位置信息可以合理地調整機械臂的運動軌跡，提高生產效率，進一步提高產品的加工質量。如何提高機械臂末端位置姿態檢測和跟蹤精度是目前國內外研究的熱點，對機械臂末端位置姿態檢測跟蹤目前主要有以下幾種方法：基于激光跟蹤儀的視覺測量跟蹤補償系統，與跟蹤靶標、掃描頭、位姿測頭等組成視覺伺服系統，實現工業機械臂在線監控和測量并補償，該方法主要存在價格昂貴和工業環境復雜造成光路遮擋等問題。基于視覺測程法的機械臂測量跟蹤方法，該方法通過對特征點提取和特征點向量描述，建立關聯規則的特征點匹配策略，最后用數學方法求解剛體運動方程。此方法能夠跟蹤機械臂并繪制實時的運動軌跡，該方法難以精確建立動力學和運動狀態模型，特征點識別匹配受工業環境影響，誤匹配嚴重。基于Indoor?GPS的測量補償系統，主要由發射站、接收器、信號處理器以及終端計算機組成，通過跟蹤安裝在需要跟蹤定位部件上的接收器或接收器組實現跟蹤頭坐標測量或跟蹤目標位姿測量。該系統主要存在局部組網造價高，精度低，可靠性差等缺點。

發明內容

為了解決上述問題，本發明的目的在于提供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。

為了達到上述目的，本發明提供的基于編碼方位裝置的機械臂末端跟蹤測量系統及方法包括：機械臂、多面體編碼點特征測量靶標、機械臂末端執行器、機械臂控制柜、測量像機和上位機；其中：機械臂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和機械臂末端執行器；

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

機械臂末端執行器為機械臂的操作執行部件，機械臂通過安裝在其末端的機械臂末端執行器完成預定動作；

機械臂控制柜為工業機械臂的驅動控制部件，其與機械臂相連接，用于控制機械臂工作；

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

上位機為控制計算機，為本系統的控制核心；其與機械臂控制柜相連接。

所述的多面體編碼點特征測量靶標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，連接軸的兩端分別與機械臂的末端和機械臂末端執行器相連接；多面體編碼點特征測量靶標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個相對位置固定的特征位和3個編碼位。

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和編碼位。

本發明提供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：根據機械臂的運動軌跡、工作范圍，將測量像機固定在待加工工件上；

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；通過對基準校準球進行校準來確定機械臂末端執行器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的末端；

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

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