本發(fā)明屬于機器人位姿測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于plc的機器人末端伺服焊鉗位姿自動監(jiān)測設(shè)備及方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的機器人末端伺服焊鉗位姿檢測方法主要有三種：第一種是激光跟蹤儀測量法，其由激光跟蹤儀和坐標(biāo)靶配合測出多點的位置，結(jié)合相應(yīng)算法求出機器人末端伺服焊鉗位姿(即位置、姿態(tài))，測量精度高，但價格昂貴，測量準(zhǔn)備工作復(fù)雜，不能夠在線測量；第二種是三坐標(biāo)測量機測量法，三坐標(biāo)測量機由于自由度較少，累計誤差很小，可以高精度測出某點的位置，測量精度高，測量方便，常和激光跟蹤儀配合使用，用于標(biāo)定校正點的位置坐標(biāo)，但三坐標(biāo)測量機為機械式測量，容易磨損，不能在線測量；第三種是機器視覺檢測法，其通過在光桿上設(shè)置三個相機，從不同角度拍攝機器人末端伺服焊鉗的位置姿態(tài)，再根據(jù)機器視覺原理重塑測量機器人末端伺服焊鉗位姿，測量速度快，設(shè)備簡單，但只能測量較少的點，僅作為實驗工具使用，不能投入大規(guī)模生產(chǎn)，不能在線檢測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于plc的機器人末端伺服焊鉗位姿自動監(jiān)測設(shè)備及方法，以實現(xiàn)機器人末端伺服焊鉗位姿的高精度在線監(jiān)測，同時降低成本。

本發(fā)明所述的基于plc的機器人末端伺服焊鉗位姿自動監(jiān)測設(shè)備，包括布置在機器人末端伺服焊鉗上的紅外線感光坐標(biāo)靶、沿機器人末端伺服焊鉗的待測路徑(由若干個周期的已知待測點連接形成)布置的直線導(dǎo)軌和可在直線導(dǎo)軌上運動的監(jiān)測裝置；所述監(jiān)測裝置包括plc控制模塊，可在直線導(dǎo)軌上運動的底座，安裝在底座上的伺服驅(qū)動電機、激光測距儀和帶編碼器第一步進電機，與帶編碼器第一步進電機的輸出軸連接的絲桿，與絲桿通過螺紋配合的升降支撐柱，一端固定在底座上、另一端與升降支撐柱配合的導(dǎo)向桿，安裝在升降支撐柱頂部的帶編碼器第二步進電機，位于升降支撐柱頂部且與帶編碼器第二步進電機的輸出軸連接的相機支架，安裝在相機支架中部的可調(diào)光源，以及對稱安裝在相機支架上的兩組雙目紅外相機；導(dǎo)向桿用于升降支撐柱升降時的導(dǎo)向，可調(diào)光源用于改善兩組雙目紅外相機的拍照環(huán)境的光線，雙目紅外相機可以避免機器人末端伺服焊鉗因部分遮擋而出現(xiàn)測不準(zhǔn)的情況；所述plc控制模塊與伺服驅(qū)動電機電連接，控制伺服驅(qū)動電機驅(qū)動底座在直線導(dǎo)軌上運動，激光測距儀與plc控制模塊電連接，將檢測的底座在直線導(dǎo)軌上的直線運動位移發(fā)送給plc控制模塊，plc控制模塊與帶編碼器第一步進電機電連接，控制帶編碼器第一步進電機驅(qū)動絲桿轉(zhuǎn)動，以使升降支撐柱上升或者下降，并從帶編碼器第一步進電機的編碼器上獲取絲桿的轉(zhuǎn)動角位移(對應(yīng)于升降支撐柱相對于絲桿的升降距離)，plc控制模塊與帶編碼器第二步進電機電連接，控制帶編碼器第二步進電機驅(qū)動相機支架轉(zhuǎn)動，并從帶編碼器第二步進電機的編碼器上獲取相機支架的轉(zhuǎn)動角度，plc控制模塊與兩組雙目紅外相機電連接，控制兩組雙目紅外相機對所述紅外線感光坐標(biāo)靶進行拍照，并從兩組雙目紅外相機上獲取拍攝的照片的數(shù)字圖像信息，plc控制模塊對底座在直線導(dǎo)軌上的直線運動位移、絲桿的轉(zhuǎn)動角位移、相機支架的轉(zhuǎn)動角度以及拍攝的照片的數(shù)字圖像信息進行處理后，得到機器人末端伺服焊鉗的位姿。

所述底座的底部開設(shè)有與直線導(dǎo)軌配合的滑槽，并設(shè)置有與所述伺服驅(qū)動電機連接的滑動機構(gòu)，底座通過滑槽以及滑動機構(gòu)可在直線導(dǎo)軌上運動，底座在直線導(dǎo)軌上的運動更穩(wěn)定。

所述滑動機構(gòu)包括萬向?qū)л喓陀伤欧?qū)動電機驅(qū)動的驅(qū)動輪，萬向?qū)л喓万?qū)動輪將底座與直線導(dǎo)軌的滑動配合變?yōu)榱藵L動配合，減少了摩擦磨損，降低了伺服驅(qū)動電機的用電量。

所述伺服驅(qū)動電機為駐車充電式伺服電機，在監(jiān)測裝置未工作時(即未進行監(jiān)測時)，伺服驅(qū)動電機可自行充電。

所述直線導(dǎo)軌的末端連接有環(huán)形導(dǎo)軌，所述監(jiān)測裝置可在該環(huán)形導(dǎo)軌上運動，監(jiān)測裝置還可在環(huán)形導(dǎo)軌上停留、改變運動方向，也可在環(huán)形導(dǎo)軌上進行駐車充電。

所述紅外線感光坐標(biāo)靶為4個貼有紅外線反射紙的測量球連接構(gòu)成的測量靶，該測量靶安裝在機器人末端伺服焊鉗上，通過測量該測量靶的位姿來獲得機器人末端伺服焊鉗的位姿。

所述紅外線感光坐標(biāo)靶也可以是在機器人末端伺服焊鉗上選取的4個貼有紅外線反射紙的點的連線構(gòu)成的坐標(biāo)系。

采用上述自動監(jiān)測設(shè)備進行機器人末端伺服焊鉗位姿自動監(jiān)測的方法為：

第一步、將直線導(dǎo)軌沿機器人末端伺服焊鉗的待測路徑布置，并使直線導(dǎo)軌的起始端固定在已知點(x0,y0,z0)，且位姿已知為r；

第二步、plc控制模塊根據(jù)待測點的坐標(biāo)，控制伺服驅(qū)動電機驅(qū)動底座在直線導(dǎo)軌上運動，控制帶編碼器第一步進電機驅(qū)動絲桿轉(zhuǎn)動，升降支撐柱上升或者下降，控制帶編碼器第二步進電機驅(qū)動相機支架轉(zhuǎn)動，使兩組雙目紅外相機到達待測點，并控制兩組雙目紅外相機對所述紅外線感光坐標(biāo)靶進行拍照，同時plc控制模塊獲取底座在直線導(dǎo)軌上的直線運動位移l、絲桿的轉(zhuǎn)動角位移、相機支架的轉(zhuǎn)動角度φ和拍攝的照片的數(shù)字圖像信息；

第三步、plc控制模塊對絲桿的轉(zhuǎn)動角位移進行轉(zhuǎn)換得到升降支撐柱的升降距離d，對拍攝的照片的數(shù)字圖像信息進行處理，得到紅外線感光坐標(biāo)靶的4個點相對于相機支架的三維坐標(biāo)d1、d2、d3、d4；

第四步、plc控制模塊根據(jù)公式(1)、(2)、(3)、(4)計算得到紅外線感光坐標(biāo)靶的4個點相對于已知點(x0,y0,z0)和已知位姿r的三維空間坐標(biāo)d10、d20、d30、d40；其中，公式(1)為：

公式(2)為：

公式(3)為：

公式(4)為：

c0表示監(jiān)測裝置的匹配系數(shù)；

第五步、plc控制模塊對紅外線感光坐標(biāo)靶的4個點相對于已知點(x0,y0,z0)和已知位姿r的三維空間坐標(biāo)d10、d20、d30、d40進行向量計算，得到機器人末端伺服焊鉗的位姿r0＝f(d10,d20,d30,d40)；其中，f(d10,d20,d30,d40)表示由世界坐標(biāo)進行向量計算得到位姿的映射關(guān)系。

采用上述監(jiān)測方法的測量模式有兩種：第一種是快速測量模式，即plc控制模塊控制兩組雙目紅外相機對所述紅外線感光坐標(biāo)靶進行兩次拍照，對第一次拍攝的照片的數(shù)字圖像信息進行處理，得到紅外線感光坐標(biāo)靶的其中2個點相對于相機支架的三維坐標(biāo)d1、d2，對第二次拍攝的照片的數(shù)字圖像信息進行處理，得到紅外線感光坐標(biāo)靶的另外2個點相對于相機支架的三維坐標(biāo)d3、d4；第二種是高精度測量模式，即plc控制模塊控制兩組雙目紅外相機對所述紅外線感光坐標(biāo)靶進行四次拍照，對第一次拍攝的照片的數(shù)字圖像信息進行處理，得到紅外線感光坐標(biāo)靶的其中1個點相對于相機支架的三維坐標(biāo)d1，對第二次拍攝的照片的數(shù)字圖像信息進行處理，得到紅外線感光坐標(biāo)靶的第2個點相對于相機支架的三維坐標(biāo)d2，對第三次拍攝的照片的數(shù)字圖像信息進行處理，得到紅外線感光坐標(biāo)靶的第3個點相對于相機支架的三維坐標(biāo)d3，對第四次拍攝的照片的數(shù)字圖像信息進行處理，得到紅外線感光坐標(biāo)靶的第4個點相對于相機支架的三維坐標(biāo)d4。

本發(fā)明采用監(jiān)測裝置配合直線導(dǎo)軌、紅外線感光坐標(biāo)靶對機器人末端伺服焊鉗位姿進行在線自動監(jiān)測，其既滿足了監(jiān)測要求，又不妨礙在線生產(chǎn)，實現(xiàn)了高精度、高效率的在線定周期測量，同時也降低了成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明進行自動監(jiān)測時與機器人末端伺服焊鉗的位置關(guān)系示意圖。

圖2為本發(fā)明中的相機支架、可調(diào)光源以及兩組雙目紅外相機的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明中的監(jiān)測裝置的部分結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為圖3的左視圖。

圖5為圖4的a-a剖面圖。

圖6為本發(fā)明中底座與直線導(dǎo)軌的配合示意圖。

圖7為本發(fā)明中的測量靶的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細說明。

如圖1至圖7所示的基于plc的機器人末端伺服焊鉗位姿自動監(jiān)測設(shè)備，包括紅外線感光坐標(biāo)靶、沿機器人末端伺服焊鉗的待測路徑布置的直線導(dǎo)軌1和可在直線導(dǎo)軌1上運動的監(jiān)測裝置。直線導(dǎo)軌1的末端連接有可供監(jiān)測裝置在其上運動的環(huán)形導(dǎo)軌14，紅外線感光坐標(biāo)靶為4個貼有紅外線反射紙的測量球連接構(gòu)成的測量靶13，該測量靶13通過連接桿15安裝在機器人末端伺服焊鉗上，通過測量該測量靶13的位姿，來獲得機器人末端伺服焊鉗的位姿。監(jiān)測裝置包括plc控制模塊(圖中未示出)，可在直線導(dǎo)軌1上運動的底座2，安裝在底座靠近機器人末端伺服焊鉗一側(cè)的伺服驅(qū)動電機3，安裝在底座靠近直線導(dǎo)軌1起始端一側(cè)的激光測距儀4和安裝在底座2中部的帶編碼器第一步進電機5，與帶編碼器第一步進電機5的輸出軸連接的絲桿6，與絲桿6通過螺紋配合的升降支撐柱7，一端固定在底座2上、另一端與升降支撐柱7配合的兩根導(dǎo)向桿8，安裝在升降支撐柱7頂部的帶編碼器第二步進電機9，位于升降支撐柱7頂部且與帶編碼器第二步進電機9的輸出軸連接的相機支架10，安裝在相機支架10中部的可調(diào)光源11，以及對稱安裝在相機支架10上的兩組雙目紅外相機12。導(dǎo)向桿8用于升降支撐柱7升降時的導(dǎo)向，可調(diào)光源11用于改善兩組雙目紅外相機12的拍照環(huán)境的光線，通過人工調(diào)節(jié)，雙目紅外相機12可以避免機器人末端伺服焊鉗因部分遮擋而出現(xiàn)測不準(zhǔn)的情況；伺服驅(qū)動電機3為駐車充電式伺服電機(駐車充電技術(shù)為公知技術(shù))，底座2的底部開設(shè)有與直線導(dǎo)軌1配合的滑槽21，并設(shè)置有與伺服驅(qū)動電機3連接的滑動機構(gòu)，該滑動機構(gòu)包括萬向?qū)л?2和由伺服驅(qū)動電機3驅(qū)動的驅(qū)動輪23，底座2通過滑槽21、萬向?qū)л?2和驅(qū)動輪23可在直線導(dǎo)軌1上運動。plc控制模塊與伺服驅(qū)動電機3電連接，控制伺服驅(qū)動電機3驅(qū)動底座2在直線導(dǎo)軌1上運動，激光測距儀4與plc控制模塊電連接，將檢測的底座2在直線導(dǎo)軌1上的直線運動位移發(fā)送給plc控制模塊，plc控制模塊與帶編碼器第一步進電機5電連接，控制帶編碼器第一步進電機5驅(qū)動絲桿6轉(zhuǎn)動，以使升降支撐柱7上升或者下降，并從帶編碼器第一步進電機5的編碼器上獲取絲桿6的轉(zhuǎn)動角位移(對應(yīng)于升降支撐柱7相對于絲桿6的升降距離)，plc控制模塊與帶編碼器第二步進電機9電連接，控制帶編碼器第二步進電機9驅(qū)動相機支架10轉(zhuǎn)動，并從帶編碼器第二步進電機9的編碼器上獲取相機支架10的轉(zhuǎn)動角度，plc控制模塊與兩組雙目紅外相機12電連接，控制兩組雙目紅外相機12對測量靶13進行拍照，并從兩組雙目紅外相機12上獲取拍攝的照片的數(shù)字圖像信息，plc控制模塊對底座2在直線導(dǎo)軌1上的直線運動位移、絲桿6的轉(zhuǎn)動角位移、相機支架10的轉(zhuǎn)動角度以及兩組雙目紅外相機12拍攝的照片的數(shù)字圖像信息進行處理后，得到機器人末端伺服焊鉗的位姿。

另外，對于某些機器人末端伺服焊鉗而言，由于其上可以找到4點構(gòu)成坐標(biāo)系，因此紅外線感光坐標(biāo)靶也可以是在機器人末端伺服焊鉗上選取的4點連線構(gòu)成的坐標(biāo)系，構(gòu)成該坐標(biāo)系的4點都貼有紅外線反射紙。

采用上述基于plc的機器人末端伺服焊鉗位姿自動監(jiān)測設(shè)備進行機器人末端伺服焊鉗位姿自動監(jiān)測的方法為：

第一步、將直線導(dǎo)軌1沿機器人末端伺服焊鉗的待測路徑布置，并使直線導(dǎo)軌1的起始端固定在已知點(x0,y0,z0)，且位姿已知為r。

第二步、plc控制模塊根據(jù)待測點的坐標(biāo)，控制伺服驅(qū)動電機3驅(qū)動底座2在直線導(dǎo)軌1上運動，控制帶編碼器第一步進電機5驅(qū)動絲桿6轉(zhuǎn)動，升降支撐柱7上升或者下降，控制帶編碼器第二步進電機9驅(qū)動相機支架10轉(zhuǎn)動，使兩組雙目紅外相機12到達待測點，并控制兩組雙目紅外相機12對測量靶13進行拍照，同時plc控制模塊獲取底座2在直線導(dǎo)軌1上的直線運動位移l、絲桿6的轉(zhuǎn)動角位移、相機支架10的轉(zhuǎn)動角度φ和兩組雙目紅外相機12拍攝的照片的數(shù)字圖像信息。

第三步、plc控制模塊對絲桿6的轉(zhuǎn)動角位移進行轉(zhuǎn)換得到升降支撐柱7的升降距離d(該轉(zhuǎn)換方法為公知技術(shù))，plc控制模塊對兩組雙目紅外相機12拍攝的照片的數(shù)字圖像信息進行處理(該處理方法為公知技術(shù))，得到測量靶13的4個點相對于相機支架12的三維坐標(biāo)d1、d2、d3、d4。

第四步、plc控制模塊根據(jù)公式(1)、(2)、(3)、(4)計算得到測量靶13的4個點相對于已知點(x0,y0,z0)和已知位姿r的三維空間坐標(biāo)d10、d20、d30、d40；其中，公式(1)為：

公式(2)為：

公式(3)為：

公式(4)為：

c0表示監(jiān)測裝置的匹配系數(shù)(通過實驗采集數(shù)據(jù)、統(tǒng)計分析標(biāo)定而得到，在本申請中為已知參數(shù))。

第五步、plc控制模塊對測量靶13的4個點相對于已知點(x0,y0,z0)和已知位姿r的三維空間坐標(biāo)d10、d20、d30、d40進行向量計算，得到機器人末端伺服焊鉗的位姿r0＝f(d10,d20,d30,d40)；其中，f(d10,d20,d30,d40)表示由世界坐標(biāo)進行向量計算得到位姿的映射關(guān)系(為公知技術(shù))。

采用上述監(jiān)測方法的測量模式有兩種：

第一種是快速測量模式：plc控制模塊控制兩組雙目紅外相機12對測量靶13進行兩次拍照，對第一次拍攝的照片的數(shù)字圖像信息進行處理，得到測量靶13的其中2個點相對于相機支架10的三維坐標(biāo)d1、d2，對第二次拍攝的照片的數(shù)字圖像信息進行處理，得到測量靶13的另外2個點相對于相機支架的三維坐標(biāo)d3、d4；然后再執(zhí)行第四步、第五步，計算得到機器人末端伺服焊鉗的位姿r0。

第二種是高精度測量模式：plc控制模塊控制兩組雙目紅外相機12對測量靶13進行四次拍照，對第一次拍攝的照片的數(shù)字圖像信息進行處理，得到測量靶13的其中1個點相對于相機支架10的三維坐標(biāo)d1，對第二次拍攝的照片的數(shù)字圖像信息進行處理，得到測量靶13的第2個點相對于相機支架10的三維坐標(biāo)d2，對第三次拍攝的照片的數(shù)字圖像信息進行處理，得到測量靶13的第3個點相對于相機支架的三維坐標(biāo)d3，對第四次拍攝的照片的數(shù)字圖像信息進行處理，得到測量靶13的第4個點相對于相機支架的三維坐標(biāo)d4；然后再執(zhí)行第四步、第五步，計算得到機器人末端伺服焊鉗的位姿r0。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實際情況選擇上述兩種測量模式中的一種。