本發(fā)明屬于工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于視覺傳感器的工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償方法。

背景技術(shù)：

工業(yè)機(jī)器人是現(xiàn)代制造的重要組成部分，隨著現(xiàn)代制造精度的提升，對(duì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度要求也越來越高。而工業(yè)機(jī)器人在連續(xù)高速運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生非常明顯的溫度誤差，即機(jī)器人經(jīng)過一段時(shí)間連續(xù)的高速運(yùn)動(dòng)之后，機(jī)器人末端tcp(toolcenterpoint，工具末端中心點(diǎn))會(huì)產(chǎn)生非常明顯的位置漂移。以臂展為3m的工業(yè)機(jī)器人為例，以100％速度連續(xù)運(yùn)動(dòng)1小時(shí)后，對(duì)于同一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，機(jī)器人末端tcp達(dá)到的位置變化最大可達(dá)0.5mm，即機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡將存在較大的位置或姿態(tài)誤差。

機(jī)器人溫度誤差是由于機(jī)械臂溫度變化引起桿件和關(guān)節(jié)膨脹變形，使模型參數(shù)改變從而導(dǎo)致定位誤差增大，它既與機(jī)器人所處姿態(tài)有關(guān)又與溫度變化有關(guān)。溫度變化主要包括兩個(gè)方面：一方面，機(jī)器人自身的往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)主動(dòng)發(fā)熱，如電機(jī)散熱、齒輪和驅(qū)動(dòng)帶等機(jī)械構(gòu)件相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦生熱；另一方面，環(huán)境溫度的變化也會(huì)影響到機(jī)器人自身的熱平衡狀態(tài)，如四季交替帶來的氣候溫差等。

機(jī)器人溫度誤差是一種動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的誤差，與機(jī)器人自身的熱效應(yīng)有關(guān)，在未到達(dá)熱平衡狀態(tài)之前是不斷變化的。環(huán)境溫度變化或機(jī)器人在連續(xù)高速運(yùn)動(dòng)過程中自身熱脹冷縮，引起機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化，最終反應(yīng)到機(jī)器人末端發(fā)生位置變化。由于機(jī)器人是多關(guān)節(jié)串聯(lián)鉸接結(jié)構(gòu)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，溫度變化對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理及影響過程也非常復(fù)雜，最終反應(yīng)到機(jī)器人末端tcp上的位置漂移的方向及大小也是不確定的。因此，機(jī)器人溫度誤差在線實(shí)時(shí)補(bǔ)償對(duì)于保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡精度、提高機(jī)器人工作軌跡穩(wěn)定性，進(jìn)一步拓寬工業(yè)機(jī)器人在高端精密制造行業(yè)中的應(yīng)用具有重要的意義。

現(xiàn)有的在線動(dòng)態(tài)溫度誤差補(bǔ)償技術(shù)是通過在工業(yè)機(jī)器人基座附近安裝溫度較準(zhǔn)球，同時(shí)機(jī)器人工作工程中帶動(dòng)末端視覺傳感器對(duì)溫度較準(zhǔn)球上的基準(zhǔn)孔進(jìn)行測量。該方法可以計(jì)算出機(jī)器人溫度誤差，并根據(jù)這個(gè)溫度誤差對(duì)機(jī)器人測量特征的測量值進(jìn)行補(bǔ)償，即本方法只是對(duì)機(jī)器人的測量特征的測量值進(jìn)行誤差修正，并沒有真正去補(bǔ)償機(jī)器人溫度誤差導(dǎo)致的機(jī)器人末端tcp位置漂移，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡仍然存在誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于視覺傳感器的工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償方法，可以解決由于環(huán)境溫度變化或機(jī)器人連續(xù)高速運(yùn)動(dòng)中自身產(chǎn)熱導(dǎo)致的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏差的問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：基于視覺傳感器的工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償方法，包括以下步驟：

(1)在工業(yè)機(jī)器人基座附近安裝視覺傳感器，滿足傳感器工作距離及測量景深，即傳感器安裝高度要滿足傳感器內(nèi)相機(jī)的工作范圍將覆蓋溫度補(bǔ)償過程中機(jī)器人tcp運(yùn)動(dòng)范圍；

(2)在機(jī)器人冷態(tài)下，示教一條機(jī)器人溫度補(bǔ)償軌跡，并在機(jī)器人控制器中記錄該軌跡，補(bǔ)償軌跡包括較準(zhǔn)測量點(diǎn)和軌跡過渡點(diǎn)，較準(zhǔn)測量點(diǎn)是指機(jī)器人運(yùn)動(dòng)至該位置時(shí)，視覺傳感器可以對(duì)機(jī)器人末端tcp進(jìn)行清晰的成像并實(shí)現(xiàn)對(duì)tcp點(diǎn)的定位測量，部分較準(zhǔn)測量點(diǎn)之間通過軌跡過渡點(diǎn)銜接；

(3)冷態(tài)下機(jī)器人運(yùn)行補(bǔ)償軌跡，保存校準(zhǔn)點(diǎn)冷態(tài)坐標(biāo)，機(jī)器人運(yùn)行溫度補(bǔ)償軌跡時(shí)，運(yùn)動(dòng)至校準(zhǔn)測量點(diǎn)機(jī)器人控制器的io端口會(huì)向觸發(fā)視覺傳感器輸出一個(gè)電平信號(hào)，視覺傳感器收到該電平信號(hào)后通過視覺測量模型對(duì)末端工具tcp點(diǎn)進(jìn)行測量，運(yùn)動(dòng)至軌跡過渡點(diǎn)時(shí)，不觸發(fā)傳感器進(jìn)行測量；

(4)控制工業(yè)機(jī)器人在冷態(tài)下以慢速運(yùn)行溫度補(bǔ)償軌跡，在軌跡中的校準(zhǔn)測量點(diǎn)處觸發(fā)視覺傳感器對(duì)工具末端tcp點(diǎn)進(jìn)行測量，并保存各個(gè)位置處末端tcp點(diǎn)在視覺傳感器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，記為冷態(tài)坐標(biāo)psci；

(5)解算溫度誤差引起的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型參數(shù)誤差

機(jī)器人每完成一個(gè)工作循環(huán)后，都以正常運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)行一遍溫度補(bǔ)償軌跡，并保存各個(gè)位置處末端tcp點(diǎn)在視覺傳感器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，記為熱態(tài)坐標(biāo)pswi；

冷態(tài)下，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型參數(shù)x為理論值，機(jī)器人在第i個(gè)較準(zhǔn)測量點(diǎn)處各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度為θ，則機(jī)器人末端tcp在機(jī)器人基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為：

pbci＝t(x,θ)×tcp

其中t(x,θ)為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，tcp為機(jī)器人末端tcp點(diǎn)的理論坐標(biāo)；

熱態(tài)下，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型x參數(shù)為x+δx，機(jī)器人同樣以關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角θ運(yùn)動(dòng)至第i個(gè)較準(zhǔn)測量點(diǎn)，則該軌跡點(diǎn)處末端tcp在機(jī)器人基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為：

pbwi＝t(x+δx,θ)×tcp；

(6)更新機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型參數(shù)，并修正機(jī)器人工作軌跡中各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角：

根據(jù)步驟(5)解算出的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型參數(shù)實(shí)際值，將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的末端點(diǎn)調(diào)整至冷臺(tái)下的位置t(x+δx,θ+δθ)，即

t(x+δx,θ+δθ)＝t(x,θ)；

(7)機(jī)器人進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)，機(jī)器人以(θ+δθ)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，重復(fù)步驟(4)至步驟(6)。

作為優(yōu)選，上述步驟(1)中安裝的固定視覺傳感器為雙目立體視覺傳感器，包括傳感器安裝支架、兩個(gè)相機(jī)及照明光源，傳感器安裝支架為工字型，傳感器安裝支架的下端固定在工業(yè)機(jī)器人基座附近，滿足傳感器工作距離及測量景深的要求；傳感器安裝支架的頂部兩端各安裝一個(gè)相機(jī)，傳感器安裝支架的頂部中點(diǎn)處安裝有照明光源。

作為優(yōu)選，上述步驟(2)中所述的軌跡包含5～20個(gè)較準(zhǔn)測量點(diǎn)。

作為優(yōu)選，上述步驟(4)中的冷態(tài)是指工業(yè)機(jī)器人停止運(yùn)行2個(gè)小時(shí)后。

作為優(yōu)選，上述步驟(4)中的單個(gè)較準(zhǔn)測量點(diǎn)處的測量過程如下：

a.機(jī)器人運(yùn)行至某一校準(zhǔn)測量點(diǎn)；

b.觸發(fā)視覺傳感器光源點(diǎn)亮；

c.視覺傳感器左右相機(jī)同時(shí)對(duì)末端tcp進(jìn)行拍照；

d.進(jìn)行圖像處理，提取tcp點(diǎn)在左右圖像中的像素坐標(biāo)；

e.建立雙目立體視覺模型，即：解算tcp點(diǎn)在視覺傳感器坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)；

f.傳感器光源關(guān)閉，機(jī)器人運(yùn)行至下一點(diǎn)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供的方法適用于工業(yè)生產(chǎn)中從事一般工作的工業(yè)機(jī)器人，既可以保證機(jī)器人工作軌跡的重復(fù)定位精度，也可以使工業(yè)機(jī)器人滿足高端精密制造中的精度要求；對(duì)從事一般工作的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行溫度補(bǔ)償，修正環(huán)境溫度變化或機(jī)器人自身熱脹冷縮引起的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡變化，真正實(shí)現(xiàn)機(jī)器人溫度誤差補(bǔ)償?shù)男Ч?；本方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)器人軌跡調(diào)試工作量較小，較準(zhǔn)過程簡單方便。

附圖說明

圖1是工業(yè)機(jī)器人及視覺傳感器的位置關(guān)系圖；

圖2是本發(fā)明中雙目視覺傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明中以左右相機(jī)建立的坐標(biāo)系示意圖；

圖4是本發(fā)明所公開的溫度補(bǔ)償方法的流程圖；

圖5是本發(fā)明所公開的溫度補(bǔ)償方法的步驟(4)的流程圖；

圖6是本發(fā)明中一條補(bǔ)償軌跡的坐標(biāo)示意圖。

1-機(jī)器人基座；2-工業(yè)機(jī)器人；3-工具；4-底座；5-左相機(jī)；6-右相機(jī)；7-支撐柱；8-橫梁；9-照明光源；10-加強(qiáng)筋。

具體實(shí)施方式

為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好的理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。

本實(shí)施例公開一種基于視覺傳感器的工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償方法，該溫度補(bǔ)償方法是通過雙目立體視覺傳感器來實(shí)現(xiàn)測量定位機(jī)器人末端tcp點(diǎn)的：

如圖1所示，在滿足傳感器工作距離及測量景深的前提下，在機(jī)器人基座1的附近安裝雙目立體視覺傳感器，機(jī)器人基座1的頂部中央為工業(yè)機(jī)器人2，工業(yè)機(jī)器人2的末端連接工具3；以機(jī)器人基座1的底部中心點(diǎn)建立坐標(biāo)系。

如圖2所示，雙目立體視覺傳感器包括兩個(gè)相機(jī)、照明光源9和傳感器支架，傳感器支架包括底座4、支撐柱7、橫梁8和加強(qiáng)筋10，底座4的頂部中央垂直焊接支撐柱7，支撐柱7的頂部與橫梁8的底部中心處焊接，為了提高支撐柱7的穩(wěn)定性，在支撐柱7的中部偏下處焊接兩個(gè)加強(qiáng)筋10，加強(qiáng)筋10的另一端焊接在底座4上；橫梁8的兩端處分別安裝左相機(jī)5和右相機(jī)6，左相機(jī)5和右相機(jī)6都向橫梁8的上方中垂線方向傾斜，左相機(jī)5和右相機(jī)6與橫梁的夾角為60°，橫梁8的頂部中心處安裝有照明光源9，分別以左相機(jī)5和右相機(jī)6的鏡頭中心點(diǎn)為原點(diǎn)，建立三維坐標(biāo)系。

如圖3所示，o-xlylzl為左相機(jī)坐標(biāo)系，o-xryrzr為右相機(jī)坐標(biāo)系，以左相機(jī)坐標(biāo)系作為傳感器測量坐標(biāo)系，即視覺傳感器測量對(duì)空間點(diǎn)測量結(jié)果為該點(diǎn)在左相機(jī)坐標(biāo)系o-xlylzl下的三維坐標(biāo)。機(jī)器人末端tcp點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至雙目視覺傳感器的測量范圍內(nèi)，如圖3中p點(diǎn)所示，左右相機(jī)同時(shí)對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行拍照。經(jīng)過圖像處理，可以提取該點(diǎn)在左相機(jī)圖像平面il上的像素坐標(biāo)為pl＝(ul,vl)，及在右相機(jī)圖像平面ir上的像素坐標(biāo)為pr＝(ur,vr)，結(jié)合左右相機(jī)的相機(jī)鏡頭焦距，相機(jī)ccd像元尺寸，相機(jī)鏡頭畸變參數(shù)及右相機(jī)坐標(biāo)系到左相機(jī)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，兩個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系就是一個(gè)表示兩個(gè)坐標(biāo)系之間位置和方向關(guān)系的4*4矩陣，可以計(jì)算出該點(diǎn)在傳感器坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)p＝(xs,ys,zs)。

如圖4所示，本實(shí)施例公開一種基于視覺傳感器的工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償方法，包括如下步驟：

(1)在工業(yè)機(jī)器人基座附近安裝固定視覺傳感器；

(2)在機(jī)器人冷態(tài)下，示教機(jī)器人運(yùn)行補(bǔ)償軌跡；

(3)冷態(tài)下機(jī)器人運(yùn)行補(bǔ)償軌跡，保存校準(zhǔn)點(diǎn)冷態(tài)坐標(biāo)；

(4)熱態(tài)下機(jī)器人再次運(yùn)行補(bǔ)償軌跡，保存校準(zhǔn)點(diǎn)熱態(tài)坐標(biāo)；

(5)解算溫度效應(yīng)引起的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型參數(shù)誤差；

(6)更新機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型參數(shù)，并解算機(jī)器人工作軌跡中各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角修正值；

(7)機(jī)器人進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)，重復(fù)步驟(4)至步驟(6)；

具體的步驟如下：

(1)在工業(yè)機(jī)器人基座附近安裝視覺傳感器，滿足傳感器工作距離及測量景深的要求，即傳感器安裝高度要滿足傳感器內(nèi)相機(jī)的工作范圍將覆蓋溫度補(bǔ)償過程中機(jī)器人tcp運(yùn)動(dòng)范圍；；

(2)在機(jī)器人冷態(tài)下，示教一條機(jī)器人溫度補(bǔ)償軌跡，并在機(jī)器人控制器中記錄該軌跡，補(bǔ)償軌跡包括較準(zhǔn)測量點(diǎn)和軌跡過渡點(diǎn)，較準(zhǔn)測量點(diǎn)是指機(jī)器人運(yùn)動(dòng)至該位置時(shí)，視覺傳感器可以對(duì)機(jī)器人末端tcp進(jìn)行清晰的成像并實(shí)現(xiàn)對(duì)tcp點(diǎn)的定位測量，部分較準(zhǔn)測量點(diǎn)之間通過軌跡過渡點(diǎn)銜接；

(3)冷態(tài)下機(jī)器人運(yùn)行補(bǔ)償軌跡，保存校準(zhǔn)點(diǎn)冷態(tài)坐標(biāo)，機(jī)器人運(yùn)行溫度補(bǔ)償軌跡時(shí)，運(yùn)動(dòng)至校準(zhǔn)測量點(diǎn)機(jī)器人控制器的io端口會(huì)向觸發(fā)視覺傳感器輸出一個(gè)電平信號(hào)，視覺傳感器收到該電平信號(hào)后通過視覺測量模型對(duì)末端工具tcp點(diǎn)進(jìn)行測量，運(yùn)動(dòng)至軌跡過渡點(diǎn)時(shí)，不觸發(fā)傳感器進(jìn)行測量；

(4)控制工業(yè)機(jī)器人在冷態(tài)下以慢速運(yùn)行溫度補(bǔ)償軌跡，在軌跡中的校準(zhǔn)測量點(diǎn)處觸發(fā)視覺傳感器對(duì)工具末端tcp點(diǎn)進(jìn)行測量，并保存各個(gè)位置處末端tcp點(diǎn)在視覺傳感器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，記為冷態(tài)坐標(biāo)psci；

(5)解算溫度誤差引起的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型參數(shù)誤差

機(jī)器人每完成一個(gè)工作循環(huán)后，都以正常運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)行一遍溫度補(bǔ)償軌跡，并保存各個(gè)位置處末端tcp點(diǎn)在視覺傳感器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，記為熱態(tài)坐標(biāo)pswi；

冷態(tài)下，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型參數(shù)x為理論值，機(jī)器人在第i個(gè)較準(zhǔn)測量點(diǎn)處各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度為θ，則機(jī)器人末端tcp在機(jī)器人基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為：

pbci＝t(x,θ)×tcp

其中t(x,θ)為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，tcp為機(jī)器人末端tcp點(diǎn)的理論坐標(biāo)；

熱態(tài)下，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型x參數(shù)為x+δx，機(jī)器人同樣以關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角θ運(yùn)動(dòng)至第i個(gè)較準(zhǔn)測量點(diǎn)，則該軌跡點(diǎn)處末端tcp在機(jī)器人基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為：

pbwi＝t(x+δx,θ)×tcp；

(6)更新機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型參數(shù)，并修正機(jī)器人工作軌跡中各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角：

根據(jù)步驟(5)解算出的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型參數(shù)實(shí)際值，將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的末端點(diǎn)調(diào)整至冷臺(tái)下的位置t(x+δx,θ+δθ)，即

t(x+δx,θ+δθ)＝t(x,θ)；

(7)機(jī)器人進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)，機(jī)器人以(θ+δθ)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，重復(fù)步驟(4)至步驟(6)。

如圖5所示，步驟(4)中的單個(gè)較準(zhǔn)測量點(diǎn)處的測量過程如下：

a.機(jī)器人運(yùn)行至某一校準(zhǔn)測量點(diǎn)；

b.觸發(fā)視覺傳感器光源點(diǎn)亮；

c.視覺傳感器左右相機(jī)同時(shí)對(duì)末端tcp進(jìn)行拍照；

d.進(jìn)行圖像處理，提取tcp點(diǎn)在左右圖像中的像素坐標(biāo)；

e.建立雙目立體視覺模型，即：解算tcp點(diǎn)在視覺傳感器坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)；

f.傳感器光源關(guān)閉，機(jī)器人運(yùn)行至下一點(diǎn)。

如圖6所示，圖中為一條補(bǔ)償軌跡的坐標(biāo)示意圖，其中，實(shí)心圓為校準(zhǔn)測量點(diǎn)，空心圓為過渡點(diǎn)，為了保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的柔順性并防止機(jī)器人與傳感器碰撞，部分校準(zhǔn)測量點(diǎn)之間通過過渡點(diǎn)連接。

以上實(shí)施例僅為本發(fā)明的示例性實(shí)施例，不用于限制本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書限定。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明做出各種修改或等同替換，這種修改或等同替換也應(yīng)視為落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。