專利名稱：：機(jī)器人直線軌跡特性測量方法及所用測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于機(jī)器人
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體地說是一種機(jī)器人直線軌跡特性測量方法及所用測量裝置。
背景技術(shù)：
：機(jī)器人直線軌跡特性是工業(yè)機(jī)器人的一項重要技術(shù)性能指標(biāo)。直線軌跡的檢測，為工業(yè)機(jī)器人的整體和單元的性能評估、品質(zhì)特性提供了重要的科學(xué)依據(jù)。因此，機(jī)器人直線軌跡檢測技術(shù)和裝備的研究對提高機(jī)器人學(xué)的研究水平，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展具有重要意義。測量機(jī)器人的直線軌跡特性方法可分為接觸式測量和非接觸式測量兩大類。接觸式測量的測量設(shè)備直接與機(jī)器人末端執(zhí)行器耦合，從耦合方式上又可分為機(jī)械耦合測量和球測量，如Bryan(參見文獻(xiàn)J.B.Bryan，“Asimplemethodfortestingmeasuringmachineandmachinetools，Part1Principlesandapplications，”PrecisionEng.，vol.4，no.2，pp.61～69，1982.)給出的機(jī)械耦合測量方法和Vira和Estler(參見文獻(xiàn)N.ViraandT.Estler，“Useofacontact-typemeasurementdevicetodetectrobots’handpositions，”ISATrans.，vol.29，no.4，pp.21-40，1990.)描述的球形坐標(biāo)測量裝置。由于這些方法都與機(jī)器人手臂產(chǎn)生動態(tài)干涉和機(jī)械耦合，缺乏安全性和真實性，因此實用性受到了限制。非接觸性測量由于沒有接觸，因此具有安全、真實的特點(diǎn)。根據(jù)測量原理的不同又可分為基于接近覺傳感器(參見文獻(xiàn)M.Priel，“Evaluatingtheperformanceofindustrialrobots”，inRoboticsRes.，WinterAnn.Mtg.ASME，Dec.1989，pp.63～67)，攝影測量(參見文獻(xiàn)SelcomAB，“AcompleteSystemforSophisticatedMotionAnalysis.”Partille，Sweden.)，光學(xué)三角測量(參見文獻(xiàn)J.H.GilbyandG.A.Parker，“Lasertrackingsystemtomeasurerobotarmperformance，”SensorRev.，pp.180～184，Oct.1982；J.R.R.MayerandG.A.Parker，“APortableInstrumentfor3DDynamicRobotMeasurementsUsingTriangulationandLaserTracking”，IEEETransactionsonRoboticsandAutomation，1994，10(4)504～516)，多邊測量(參見文獻(xiàn)L.G.Roberts，“TheLincolnWand”，MITLincolnLab.Rep.，Lexington，MA，June1966)和球坐標(biāo)測量(參見文獻(xiàn)K.Lau，R.Hocken，andW.Haight“Automaticlasertrackinginterferometersystemforrobotmetrology”，PrecisionEng.，vol.8，no.1，pp.3-8；Jan.1986)等。基于接近覺傳感器的測量方法受分辨率的限制其測量空間小，適應(yīng)性差。攝影測量也受制于分辨率和準(zhǔn)確率的限制而無法滿足在所需空間做精密檢測。光學(xué)三角測量(包括激光跟蹤)是目前研究較多的軌跡測量方法，但普遍造價高，使用條件苛刻。其他多邊測量和球坐標(biāo)測量等也都存在實用性不足的問題而受到應(yīng)用限制。上述各種機(jī)器人軌跡測試方法大多為國外研究開發(fā)的。國內(nèi)80年代也研究過接觸式軌跡測量系統(tǒng)，但并未實用化。90年代曾引進(jìn)過幾何激光軌跡測量設(shè)備，但價格極高。因此，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的機(jī)器人軌跡檢測設(shè)備在國內(nèi)尚屬空白。
發(fā)明內(nèi)容為了克服上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于視覺的、造價低廉、實用性強(qiáng)的機(jī)器人直線軌跡特性測量方法及所用測量裝置。本發(fā)明技術(shù)方案是利用結(jié)構(gòu)光3D視覺測量原理，采用線結(jié)構(gòu)光與CCD攝像機(jī)結(jié)合構(gòu)成傳感器，形成結(jié)構(gòu)光反射成象的幾何模型，通過傳感器在運(yùn)動中對參考物體連續(xù)掃描成象，運(yùn)用視覺圖象處理技術(shù)，計算出傳感器相對參考物體坐標(biāo)系的連續(xù)位姿關(guān)系；當(dāng)傳感器安裝在機(jī)器人末端關(guān)節(jié)且沿參考物體坐標(biāo)系中的一直線運(yùn)動時，這種連續(xù)的位姿關(guān)系就反映出機(jī)器人末端做直線運(yùn)動時的軌跡狀況，以實現(xiàn)對機(jī)器人直線軌跡性能的檢測；設(shè)定參考物體坐標(biāo)系F、機(jī)器人末端坐標(biāo)系E、傳感器坐標(biāo)系S，則這三個坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系如公式由公式(2)決定MFE＝MFS·MSE(2)所述MSE為機(jī)器人末端坐標(biāo)系E、傳感器坐標(biāo)系S之間的位姿關(guān)系，采用手眼標(biāo)定方法得出；所述參考物體坐標(biāo)系F和機(jī)器人末端坐標(biāo)系E之間位姿關(guān)系MFE計算為根據(jù)結(jié)構(gòu)光的3D視覺計算機(jī)理，當(dāng)線光源投射到所述軌道上時，在所述三個棱上的成像形成三個拐點(diǎn)A、B、C，確定這三個拐點(diǎn)在F和S下的坐標(biāo)，可求出S相對F的位姿關(guān)系MFS；其中三個拐點(diǎn)A、B、C在S下的坐標(biāo)可由傳感器形成的幾何模型和成象位置計算出；在F下的坐標(biāo)計算由下述方法計算定義F在量軌上，平面DCB′為量軌的橫切面，且與YFZF平面平行，F(xiàn)的原點(diǎn)始終定義在點(diǎn)C上，平面ABC為線結(jié)構(gòu)光投射在量軌上所形成，直線的長度由機(jī)械加工尺寸確定，直線的長度可以根據(jù)A、C兩點(diǎn)在S坐標(biāo)系下的坐標(biāo)求出，則點(diǎn)A在F下的坐標(biāo)AF(XAF，YAF，ZAF)為其中，h為量軌棱高；同理，可得到點(diǎn)B在F下的坐標(biāo)BF(XBF，YBF，ZBF)為根據(jù)結(jié)構(gòu)光投射的角度，定義XBF的正負(fù)；且指定S沿量軌長軸運(yùn)動時，各軸方向不變；所述MFS通過測量計算拐點(diǎn)A、B、C在量軌模型F和傳感器S下的坐標(biāo)求出后求解S與F間的位姿變換關(guān)系MFS，MFS與三個拐點(diǎn)的表達(dá)公式為(5)再利用矩陣求解法可解出MFS；(AF，BF，CF)＝MFS(AS，BS，CS)(5)所述機(jī)器人直線軌跡特性測量方法所用測量裝置，由傳感器(包含CCD攝像機(jī)、激光器、反射鏡)、量軌構(gòu)成，其中將所述CCD攝像機(jī)、激光器、反射鏡安裝在箱體內(nèi)構(gòu)成傳感器，激光器提供光源，反射鏡與傳感器成45度角安裝，量軌位于傳感器下方，整體倒“V”形，具有三個沿長棱，當(dāng)線光源投射到該軌道上時，在所述三個棱上的成像形成三個拐點(diǎn)A、B、C；場景在傳感器上成象后的圖象信號送至計算機(jī)處理；所述傳感器采用視覺傳感器。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1.本發(fā)明為基于視覺的、造價低廉、實用的非接觸式機(jī)器人直線軌跡測量系統(tǒng)，它利用結(jié)構(gòu)光幾何成像原理和視覺圖象處理技術(shù)，通過實時軌跡圖象記錄，離線處理方式，實現(xiàn)了機(jī)器人直線軌跡與重復(fù)性測量。2.使用方便、低成本，高性能。本發(fā)明采用結(jié)構(gòu)光視覺測量方式，對設(shè)備和使用條件無需苛刻的要求，使機(jī)器人直線軌跡性能檢測得以在低成本，使用簡便的情況下實現(xiàn)，滿足了我國現(xiàn)階段機(jī)器人學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)化的需求，且解決了機(jī)器人軌跡性能測量在機(jī)器人研究與開發(fā)中的一個難題。3.實用性強(qiáng)。本發(fā)明位置測量原理合理，技術(shù)實用，具有重要的應(yīng)用價值，可以應(yīng)用于類似非接觸3D位置(或位姿)檢測與計量場合。圖1為本發(fā)明測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明測量原理示意圖。圖3為本發(fā)明一個實施例中一組靜態(tài)測試軌跡曲線。圖4為本發(fā)明一個實施例在速度為20mm/s時的Y方向軌跡曲線。具體實施例方式下面根據(jù)附圖結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。實施例1利用結(jié)構(gòu)光3D視覺測量原理，采用線結(jié)構(gòu)光與CCD攝像機(jī)結(jié)合構(gòu)成傳感器，形成結(jié)構(gòu)光反射成象的幾何模型，通過傳感器在運(yùn)動中對參考物體連續(xù)掃描成象，運(yùn)用視覺圖象處理技術(shù)，計算出傳感器相對參考物體坐標(biāo)系的連續(xù)位姿關(guān)系；當(dāng)傳感器安裝在機(jī)器人末端關(guān)節(jié)且沿參考物體坐標(biāo)系中的一直線運(yùn)動時，這種連續(xù)的位姿關(guān)系就反映出機(jī)器人末端做直線運(yùn)動時的軌跡狀況，以實現(xiàn)對機(jī)器人直線軌跡性能的檢測。如圖1所示，測量裝置由傳感器(CCD攝像機(jī)、激光器、反射鏡和安裝支架)、量軌構(gòu)成，其中通過支架將所述CCD攝像機(jī)、激光器、反射鏡安裝在箱體內(nèi)，激光器提供光源，反射鏡與傳感器成45度角安裝，量軌位于反射鏡下方，整體倒“V”形，具有三個沿長棱，當(dāng)線光源投射到該軌道上時，在所述三個棱上的成像形成三個拐點(diǎn)；場景在傳感器上成象后的數(shù)據(jù)信號送至計算機(jī)；其中所述傳感器采用視覺傳感器。如圖1、2所示，設(shè)定參考物體坐標(biāo)系F、機(jī)器人末端坐標(biāo)系E、傳感器坐標(biāo)系S，則這三個坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系如公式由公式(2)決定MFE＝MFS·MSE(2)其中由于傳感器(坐標(biāo)系S)與機(jī)器人末端(坐標(biāo)系E)固定連接，所述機(jī)器人末端坐標(biāo)系E、傳感器坐標(biāo)系S之間的位姿關(guān)系MSE可采用一般手眼方法標(biāo)定得出；傳感器坐標(biāo)系S和參考坐標(biāo)系F位姿關(guān)系MFS的確定根據(jù)結(jié)構(gòu)光的3D信息計算機(jī)理，當(dāng)線光源投射到所述軌道上時，在所述三個棱上的成像形成三個拐點(diǎn)A、B、C，由三個拐點(diǎn)在F和S下的坐標(biāo)求出S相對F的位姿關(guān)系MFS；最后由已知MSE、MFS求出MFE；其中三個拐點(diǎn)A、B、C在S下的坐標(biāo)可由傳感器形成的幾何模型和成象位置計算出；在F下的坐標(biāo)計算由下述方法計算，矩陣MFE的定義如下，設(shè)空間點(diǎn)P在坐標(biāo)系F和E下的坐標(biāo)分別為(xf，yf，zy)，(xe，ye，ze)，則有xeyeze=MFExfyfzf=RFETFE01xfyfzfrfe00rfe01rfe02tfe0rfe10rfe11rf12tfe1rfe20rfe21rfe22tfe20001xfyfzf--(1)]]>其中，矩陣MFE中的RFE旋轉(zhuǎn)矩陣和TFE位置矢量，反映了F和E兩個坐標(biāo)系間的旋轉(zhuǎn)和位置關(guān)系，從TFE和RFE中可得出末端執(zhí)行器E相對于參考坐標(biāo)系F間的位置(Ex，Ey，Ez)和姿態(tài)角(α，β，γ)；當(dāng)E相對F運(yùn)動時可以得到連續(xù)的MFE，則E在F中相應(yīng)的運(yùn)動軌跡就可以描述出來。定義F在量軌上，且平面DCB′與YFZF平面平行，當(dāng)指定S沿量軌長軸運(yùn)動時，將F的原點(diǎn)始終定義在點(diǎn)C上，且各軸方向不變；平面DCB′為量軌的橫切面，平面ABC為結(jié)構(gòu)激光投射在量軌上射線形成的，直線的長度由機(jī)械加工尺寸確定，拐點(diǎn)在圖象中的坐標(biāo)確定之后，直線的長度可以根據(jù)A、C在S坐標(biāo)系下的坐標(biāo)求出，則點(diǎn)A在F下的坐標(biāo)AF(XAF，YAF，ZAF)為其中，h為量軌棱高；同理，可得到點(diǎn)B在F下的坐標(biāo)BF(XBF，YBF，ZBF)為根據(jù)激光投射的角度，定義XBF的正負(fù)；且指定S沿量軌長軸運(yùn)動時，各軸方向不變。通過確定的三個拐點(diǎn)A、B、C在F和S下的坐標(biāo)，求出S相對F的位姿關(guān)系MFS當(dāng)拐點(diǎn)A、B、C按上述方法確定之后，S與F間的位姿關(guān)系可以通過旋動理論(參見文獻(xiàn)董再勵，王建剛，徐心平，“一種基于立體視覺的多視點(diǎn)建模方法”，《中國圖象圖形學(xué)報》，Vol.2，No.7，1997，pp461-463)所介紹的方法計算出來，其MFS求解使用關(guān)系公式為(AF，BF，CF)＝MFS(AS，BS，CS)(5)這里需要指出的是，按此機(jī)理，XF方向的位移量是沒有意義的，因為指定機(jī)器人的運(yùn)動方向應(yīng)與其基本平行。將這個連續(xù)位姿關(guān)系通過規(guī)定的描述方式進(jìn)行描述，就得到了直線軌跡。這個軌跡直接反映了機(jī)器人系統(tǒng)的直線運(yùn)動性能。由于機(jī)器人帶動傳感器沿量軌長度方向做直線運(yùn)動檢測的速度是不定的，因此采樣速率希望高一些，以滿足在檢測機(jī)器人高速運(yùn)動時的直線運(yùn)動狀態(tài)。本發(fā)明的工作方式是在線采樣，離線處理。即按給定運(yùn)動速度設(shè)定采樣間隔以保證最大采樣次數(shù)，得到一組圖象序列。運(yùn)動結(jié)束后，對每幅圖象進(jìn)行處理和位姿計算，然后將各時刻的位姿關(guān)系連續(xù)，就得到傳感器相對于量軌的運(yùn)動軌跡。測試結(jié)果主控計算機(jī)采用工業(yè)PC機(jī)，CPU為PII500，內(nèi)存256M，并配有圖象采集卡和與機(jī)器人控制器通訊的I/O接口卡，測量傳感器安裝在機(jī)器人手臂末端，量軌可根據(jù)測量軌跡的需要放置。為提高采樣頻率，逼真地反映機(jī)器人直線運(yùn)動軌跡，本發(fā)明采用在線圖象采樣，離線數(shù)據(jù)處理的方式工作。采樣數(shù)和采樣頻率可以根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動速度自動調(diào)整，采樣數(shù)≤490/單次，采樣頻率≤25幅/秒。本實施例一組靜態(tài)測量的測量條件和統(tǒng)計結(jié)果見表1。表1靜態(tài)測量的測量條件和統(tǒng)計結(jié)果由圖3是該裝置的直線軌跡精度測量結(jié)果。圖4是機(jī)器人速度為2mm/s的軌跡測量結(jié)果。實驗可知，該測量系統(tǒng)的位置檢測精度滿足了對工業(yè)機(jī)器人直線軌跡的檢測要求；實際對機(jī)器人在0.2mm/s，11mm/s，20mm/s，40mm/s，60mm/s速度下進(jìn)行了實際測量。所得結(jié)果均反映了機(jī)器人運(yùn)動軌跡的真實狀況，反映了機(jī)器人的運(yùn)動軌跡和隨時間變化的規(guī)律，實現(xiàn)了定性檢測機(jī)器人直線運(yùn)動狀態(tài)的目標(biāo)。本發(fā)明主要技術(shù)指標(biāo)1.每次軌跡測量過程采樣點(diǎn)≤490次，可根據(jù)需要設(shè)定。2.采樣頻率達(dá)25幅/秒。3.測量維數(shù)5(2位置量，3旋轉(zhuǎn)量)4.特征點(diǎn)三維計算精度，平均誤差≤0.025mm，最大誤差≤0.15mm。5.提供用戶自標(biāo)定功能，因而可以根據(jù)實際需要改變攝像和激光的參數(shù)。6.圖象采集方式可自動或手動，即可均勻采樣，又可隨機(jī)采樣。7.可按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行軌跡性能評估。權(quán)利要求1.一種機(jī)器人直線軌跡特性測量方法，其特征在于利用結(jié)構(gòu)光3D視覺測量原理，采用線結(jié)構(gòu)光與CCD攝像機(jī)結(jié)合構(gòu)成傳感器，形成結(jié)構(gòu)光反射成象的幾何模型，通過傳感器在運(yùn)動中對參考物體連續(xù)掃描成象，運(yùn)用視覺圖象處理技術(shù)，計算出傳感器相對參考物體坐標(biāo)系的連續(xù)位姿關(guān)系；以實現(xiàn)對機(jī)器人直線軌跡性能的檢測。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人直線軌跡特性測量方法，其特征在于設(shè)定參考物體坐標(biāo)系F、機(jī)器人末端坐標(biāo)系E、傳感器坐標(biāo)系S，則這三個坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系如公式由公式(2)決定MFE＝MFS·MSE(2)3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機(jī)器人直線軌跡特性測量方法，其特征在于所述MSE為機(jī)器人末端坐標(biāo)系E、傳感器坐標(biāo)系S之間的位姿關(guān)系，采用手眼標(biāo)定方法得出。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機(jī)器人直線軌跡特性測量方法，其特征在于所述參考物體坐標(biāo)系F和機(jī)器人末端坐標(biāo)系E之間位姿關(guān)系MFE計算為根據(jù)結(jié)構(gòu)光的3D視覺計算機(jī)理，當(dāng)線光源投射到所述軌道上時，在所述三個棱上的成像形成三個拐點(diǎn)A、B、C，確定這三個拐點(diǎn)在F和S下的坐標(biāo)，可求出S相對F的位姿關(guān)系MFS；其中三個拐點(diǎn)A、B、C在S下的坐標(biāo)可由傳感器形成的幾何模型和成象位置計算出；在F下的坐標(biāo)計算由下述方法計算定義F在量軌上，平面DCB′為量軌的橫切面，且與YFZF平面平行，F(xiàn)的原點(diǎn)始終定義在點(diǎn)C上，平面ABC為線結(jié)構(gòu)光投射在量軌上所形成，直線的長度由機(jī)械加工尺寸確定，直線的長度可以根據(jù)A、C兩點(diǎn)在S坐標(biāo)系下的坐標(biāo)求出，則點(diǎn)A在F下的坐標(biāo)AF(XAF，YAF，ZAF)為其中，h為量軌棱高；同理，可得到點(diǎn)B在F下的坐標(biāo)BF(XBF，YBF，ZBF)為5.根據(jù)權(quán)利要求4描述的機(jī)器人直線軌跡特性測量方法，其特征在于根據(jù)結(jié)構(gòu)光投射的角度，定義XBF的正負(fù)；且指定S沿量軌長軸運(yùn)動時，各軸方向不變。6.根據(jù)權(quán)利要求3或4描述的機(jī)器人直線軌跡特性測量方法，其特征在于所述MFS通過測量計算拐點(diǎn)A、B、C在量軌模型F和傳感器S下的坐標(biāo)求出后求解S與F間的位姿變換關(guān)系MFS，MFS與三個拐點(diǎn)的表達(dá)公式為(5)再利用矩陣求解法可解出MFS；(AF，BF，CF)＝MFS(AS，BS，CS)(5)7.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人直線軌跡特性測量方法所用測量裝置，其特征在于由傳感器(包含CCD攝像機(jī)、激光器、反射鏡)、量軌構(gòu)成，其中將所述CCD攝像機(jī)、激光器、反射鏡安裝在箱體內(nèi)構(gòu)成傳感器，激光器提供光源，反射鏡與傳感器成45度角安裝，量軌位于傳感器下方，整體倒“V”形，具有三個沿長棱，當(dāng)線光源投射到該軌道上時，在所述三個棱上的成像形成三個拐點(diǎn)A、B、C；場景在傳感器上成象后的圖象信號送至計算機(jī)處理。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的機(jī)器人直線軌跡特性測量方法所用測量裝置，其特征在于所述傳感器采用視覺傳感器。全文摘要本發(fā)明屬于機(jī)器人
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體地說是一種機(jī)器人直線軌跡特性測量方法及所用測量裝置。利用結(jié)構(gòu)光3D視覺測量原理，采用線結(jié)構(gòu)光與CCD攝像機(jī)結(jié)合構(gòu)成傳感器，形成結(jié)構(gòu)光反射成象的幾何模型，通過傳感器在運(yùn)動中對參考物體連續(xù)掃描成象，運(yùn)用視覺圖象處理技術(shù)，計算出傳感器相對參考物體坐標(biāo)系的連續(xù)位姿關(guān)系；以實現(xiàn)對機(jī)器人直線軌跡性能的檢測。本發(fā)明造價低廉、使用方便，性能好，實用性強(qiáng)，可以完成非接觸式機(jī)器人直線軌跡與重復(fù)性測量。文檔編號G01B11/00GK1512135SQ0215888公開日2004年7月14日申請日期2002年12月30日優(yōu)先權(quán)日2002年12月30日發(fā)明者董再勵,郝穎明,周靜,朱楓,王俊,歐錦軍申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所