一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法。本發(fā)明的掃描測量機器人的硬件由通用工業(yè)機器人、掃描測頭和光學(xué)跟蹤系統(tǒng)構(gòu)成，首先在CAD軟件中虛擬裝配工件CAD模型與專用夾具CAD模型；然后自動規(guī)劃掃描測量路徑；接著在真實環(huán)境中，測量夾具相對于工業(yè)機器人的三維空間位置；然后在工業(yè)機器人仿真軟件中，根據(jù)步驟上面的測量結(jié)果，調(diào)整夾具和工件CAD模型以及上面步驟中規(guī)劃的掃描測量路徑的位置；其次測量路徑遮擋和碰撞分析；如果有遮擋或者碰撞，調(diào)整真實環(huán)境中夾具及工件的位置，并重復(fù)上面步驟直到無遮擋和碰撞為止，否則，利用生成工業(yè)機器人運動程序；最后進行工件檢測。本發(fā)明的掃描測量機器人可以直接用于現(xiàn)場生產(chǎn)。
【專利說明】一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及復(fù)雜曲面檢測與機器人離線編程【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中，復(fù)雜曲面的應(yīng)用日益廣泛，特別是在飛機、船舶、汽車、高速列車等產(chǎn)品設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品的制造精度越來越高，復(fù)雜曲面的檢測也變得尤為重要。傳統(tǒng)的復(fù)雜曲面檢測一般采用坐標(biāo)測量機，但無論是測量效率還是采樣密度都無法滿足現(xiàn)代制造業(yè)的要求。近年來，出現(xiàn)了一些三維光學(xué)掃描儀器，目前需要人工手持/操控這類儀器，依據(jù)經(jīng)驗對曲面進行檢測。這種人工檢測方法的測量路徑不可重復(fù)，并且，對復(fù)雜自由曲面來說很難實現(xiàn)一個合理的測量路徑，例如，人工檢測可能導(dǎo)致部分區(qū)域掃描不到，而又有部分重復(fù)掃描，產(chǎn)生數(shù)據(jù)贅余。
[0003]精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人是一種基于工業(yè)機器人的高精度掃描測量設(shè)備。隨著機器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，機器人編程技術(shù)越來越被人們所重視。機器人編程通常可以分為在線示教編程和離線編程兩種方式。
[0004]在線示教編程簡單直接。目前，國內(nèi)外應(yīng)用的工業(yè)機器人系統(tǒng)大多采用示教再現(xiàn)模式，但是示教再現(xiàn)模式在實際生產(chǎn)中存在如下缺點:(I)編程者處于機器人工作空間中，危險系數(shù)高；(2)運動規(guī)劃的失誤容易導(dǎo)致工裝夾具或者機器人的損壞。對于掃描測量應(yīng)用，磕碰容易導(dǎo)致價格昂貴的掃描測頭器件損壞；(3)示教編程很難實現(xiàn)復(fù)雜的機器人作業(yè)。對于復(fù)雜曲面的掃描測量應(yīng)用，采用示教編程無法得到優(yōu)化的測量路徑；(4)編程質(zhì)量取決于編程者的經(jīng)驗；(5)示教編程需要占用機器人的作業(yè)時間。
[0005]離線編程是應(yīng)用計算機圖形學(xué)技術(shù)實現(xiàn)一個交互式軟件環(huán)境，機器人作業(yè)的全過程在數(shù)字化環(huán)境里實現(xiàn)。與傳統(tǒng)的在線示教編程相比，離線編程具有如下優(yōu)點:(1)編程者遠離危險的工作環(huán)境，安全系數(shù)高；(2)在編程期間不會損壞工裝夾具及機器人等相關(guān)設(shè)備；(3)容易生成復(fù)雜的運動軌跡，且便于編輯機器人程序，有利于提高編程效率和編程質(zhì)量；(4)對編程人員的經(jīng)驗要求不高；(5)編程時不影響機器人的正常生產(chǎn)；(6)便于和CAD/CAM系統(tǒng)結(jié)合，做到CAD/CAM/機器人一體化。目前國際市場時已有商用機器人離線編程軟件，但是，已有的商用軟件還不具備掃描測量路徑規(guī)劃功能。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的是提供一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法，以克服現(xiàn)有檢測手段的缺點，實現(xiàn)批量復(fù)雜曲面類零部件的高精度、自動測量。
[0007]為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法，所述掃描測量機器人的硬件包括通用工業(yè)機器人、掃描測頭和光學(xué)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于:包括以下步驟:
(I)、在CAD軟件中采用虛擬裝配方法，將工件CAD模型裝夾定位到夾具CAD模型上； (2)、根據(jù)工件的CAD模型，自動規(guī)劃掃描測量路徑；
(3)、在真實環(huán)境中，測量夾具相對于工業(yè)機器人的三維空間位置；
(4)、在工業(yè)機器人仿真軟件中，根據(jù)步驟(3)測量的夾具與工業(yè)機器人相對位置，定位夾具及工件CAD模型，并相應(yīng)調(diào)整步驟(2)中規(guī)劃的掃描測量路徑的位置；
(5)、在機器人仿真軟件中，對步驟(4)中生成的測量路徑進行遮擋和碰撞分析；
(6)、如果有遮擋或者碰撞，調(diào)整真實環(huán)境中夾具及工件相對于工業(yè)機器人的位置，并重復(fù)步驟(3)、(4)、(5)直到工業(yè)機器人及掃描測頭與工件及夾具無遮擋和碰撞為止；否貝1J，利用機器人仿真軟件生成工業(yè)機器人運動程序；
(7)、在真實環(huán)境中，將步驟(6)中生成的工業(yè)機器人運動程序輸入至工業(yè)機器人控制器中，在控制器的控制下帶動掃描測頭，并配合光學(xué)跟蹤系統(tǒng)對工件進行檢測。
[0008]所述的一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法，其特征在于:掃描測頭上帶有系列測量標(biāo)記，光學(xué)跟蹤系統(tǒng)跟蹤測量三個及三個以上測量標(biāo)記確定測量過程中掃描測頭的位置和姿態(tài)。
[0009]所述的一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法，其特征在于:在測量過程中，光學(xué)跟蹤系統(tǒng)跟蹤測量的掃描測頭上的測量標(biāo)記不共線。
[0010]所述的一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法，其特征在于:步驟
(2)中，掃描測量機器人掃描路徑規(guī)劃分為線掃描和面掃描兩種類型。
[0011]所述的一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法，其特征在于:步驟
(3)中，夾具帶有系列測量標(biāo)記。
[0012]所述的一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法，其特征在于:步驟
(3)中測量夾具相對于工業(yè)機器人的三維空間位置的具體步驟為:
(a)、在實際環(huán)境中擺放好工業(yè)機器人、夾具和激光跟蹤儀；
(b)、采用激光跟蹤儀測量并記錄夾具上三個及三個以上測量標(biāo)記的三維坐標(biāo)；
(C)、操作機器人運動到三個以上的位置，在工業(yè)機器人上讀取這些點的三維坐標(biāo)，并用激光跟蹤儀測量并記錄以上這些點的三維坐標(biāo)；
(d)、采用激光跟蹤儀的轉(zhuǎn)站功能，將測得的工業(yè)機器人各移動點及各測量標(biāo)記的三維坐標(biāo)統(tǒng)一到機器人的坐標(biāo)系，得到夾具相對于工業(yè)機器人的位置。
[0013]所述的一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法，其特征在于:步驟(b)中，激光跟蹤儀測量的夾具上的三個及三個以上測量標(biāo)記不共線。
[0014]所述的一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法，其特征在于:步驟(C)中，操作機器人運動到的三個以上位置不共線。
[0015]所述的一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法，其特征在于:為了使用基于CAD模型規(guī)劃的掃描測量路徑，通過專用夾具將虛擬環(huán)境中工件模型與工業(yè)機器人模型的相對位置與真實環(huán)境中工件與工業(yè)機器人的相對位置統(tǒng)一起來，首先采用CAD軟件中的虛擬裝配方法，將工件CAD模型裝配到夾具CAD模型，形成一個包含工件和夾具的CAD模型；然后測量真實環(huán)境中夾具與工業(yè)機器人的相對位置；最后根據(jù)測量結(jié)果，在機器人仿真軟件中調(diào)整夾具與工件模型的位置，統(tǒng)一工件模型與工業(yè)機器人模型的相對位置與真實環(huán)境中工件與工業(yè)機器人的相對位置，并相應(yīng)調(diào)整掃描測量路徑的位置。
[0016]所述的一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法，其特征在于:步驟(4)中，調(diào)整掃描測量路徑的三維坐標(biāo)變換與夾具與工件模型位置調(diào)整時采用的三維坐標(biāo)變換一致；步驟(7)中，采用光學(xué)跟蹤系統(tǒng)而非機器人確定測量過程中掃描測頭的位置和姿態(tài)。
[0017]本發(fā)明用于批量復(fù)雜曲面類零件部外形的高精度、自動檢測。本發(fā)明的方法相對于已有技術(shù)方案的優(yōu)點在于:
(I)采用光學(xué)跟蹤系統(tǒng)而非機器人確定測量過程中掃描測頭的位姿，系統(tǒng)測量精度與機器人精度無關(guān)，消除了機器人相對較低的定位精度對系統(tǒng)測量精度的影響，實現(xiàn)高精度的曲面檢測。
[0018](2)采用離線編程進行掃描測量規(guī)劃，提高了系統(tǒng)的自動化程度，并且有利于提高采樣質(zhì)量，從而提高檢測結(jié)果的可靠性。
[0019](3)給出了一種基于激光跟蹤儀的“虛” “實”環(huán)境坐標(biāo)系統(tǒng)一方法，這里的“虛”環(huán)境指工業(yè)機器人仿真軟件，“實”環(huán)境指工業(yè)機器人工作的現(xiàn)場真實環(huán)境，這種方法簡單可靠。
[0020](4)工件表面不需附加任何測量標(biāo)記，可以用于批量零部件的在線測量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明的精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人及應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2是本發(fā)明的精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人應(yīng)用實施步驟的流程圖；
圖3是本發(fā)明的精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人采用線掃描測頭掃描被測工件的示意圖。
[0023]圖4是本發(fā)明的精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人采用面掃描測頭掃描被測工件的示意圖。
[0024]圖5是本發(fā)明的精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人應(yīng)用中測量夾具相對于工業(yè)機器人的三維空間位置的示意圖。
【具體實施方式】
[0025]如圖1所示。本發(fā)明中精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人包括通用工業(yè)機器人
1、法蘭盤2、掃描測頭3、掃描測頭上的測量標(biāo)識4、光學(xué)跟蹤系統(tǒng)5、帶有錐窩7的夾具6以及裝夾在夾具6上的待測工件8、激光跟蹤儀9、線掃描測頭的光平面10，掃描測頭3通過法蘭盤2固定在機器人上。
[0026]流程圖如圖2所示的本發(fā)明的掃描測量機器人的應(yīng)用步驟包括:
S1.在CAD軟件中采用虛擬裝配方法，將工件CAD模型定位到專用夾具CAD模型上。為了使用基于CAD模型規(guī)劃的掃描測量路徑，必須將虛擬環(huán)境中工件模型與工業(yè)機器人模型的相對位置與真實環(huán)境中工件與工業(yè)機器人的相對位置統(tǒng)一起來。由于待測工件是曲面類零件，不易通過測量進行定位，同時為了方便本發(fā)明的精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人在生產(chǎn)線上對零部件進行批量檢測，本發(fā)明通過采用專用夾具實現(xiàn)“虛”、“實”環(huán)境中工件與工業(yè)機器人相對位置的統(tǒng)一。在設(shè)計夾具時，為了定位工件，需要設(shè)計相應(yīng)的定位裝置，利用工件CAD模型與夾具CAD模型之間的定位約束關(guān)系，采用CAD軟件中的虛擬裝配方法，將工件CAD模型“裝配”到夾具CAD模型，形成一個包含工件和夾具的CAD模型。工件裝夾在夾具上時，在虛擬環(huán)境中的相對位置和在實際環(huán)境中的相對位置理論上是一致的，這樣就可以通過確定機器人與夾具的相對位置來實現(xiàn)確定機器人與工件的相對位置的目的；
52.根據(jù)待測工件的CAD模型，自動規(guī)劃掃描測量路徑。首先，將待測工件及夾具的CAD模型輸入到自主開發(fā)的測量規(guī)劃軟件中；由于待測工件是曲面類零部件，在CAD模型中主要采用裁剪NURBS曲面模型表達，而掃描采樣是離散的。為了計算分析，首先需要根據(jù)NURBS裁剪曲面表達的工件CAD模型，計算離散的理論采樣點。理論采樣點的計算分為兩種情況:線掃描和面掃描。根據(jù)計算出的理論采樣點，計算掃描測頭的位置和視角方向，最后計算優(yōu)化的掃描路徑；
53.在真實環(huán)境中，測量夾具相對于工業(yè)機器人的三維空間位置。在不安裝掃描測頭的情況下，在實際環(huán)境中擺放好激光跟蹤儀9。在測量時，首先采用激光干涉儀9測量夾具6上三個及三個以上測量標(biāo)記7的空間位置，要求這些點不能共線；然后操作機器人I的手動控制器，將機器人的手部運動至三個以上不同位置，記錄控制器上顯示的手部位置并同時采用激光干涉儀9測量其空間位置，同樣，這些位置在空間不能共線。最后，采用激光跟蹤儀9的轉(zhuǎn)站功能，將測得的工業(yè)機器人I各移動點及各錐窩7的三維坐標(biāo)統(tǒng)一到機器人的坐標(biāo)系，即獲得夾具6相對于工業(yè)機器人I的位置。激光干涉儀在本發(fā)明中只用于測量夾具相對于工業(yè)機器人的三維空間位置，完成后，即可以撤走；
54.在工業(yè)機器人仿真軟件中，根據(jù)步驟S3測量的夾具與工業(yè)機器人相對位置，定位夾具及工件CAD模型，并相應(yīng)調(diào)整步驟S2中規(guī)劃的掃描測量路徑的位置。調(diào)整掃描測量路徑的三維變換與夾具及工件模型位置調(diào)整時采用的三維變換一致；
55.在機器人仿真軟件中，對步驟S4中生成的測量路徑進行遮擋和碰撞分析；
56.如果有遮擋或者碰撞，調(diào)整真實環(huán)境中工裝夾具相對于工業(yè)機器人的位置，并重復(fù)步驟S3，S4, S5直到工業(yè)機器人與工件及夾具在路徑仿真中無遮擋和碰撞為止；否則，利用機器人仿真軟件生成工業(yè)機器人運動程序；
57.在真實環(huán)境中，將步驟S6中生成的工業(yè)機器人運動程序輸入至工業(yè)機器人控制器中，在控制器的控制下帶動掃描測頭，并配合光學(xué)跟蹤系統(tǒng)對工件進行檢測。在機器人運動過程中，掃描測頭3的位置和姿態(tài)由采用光學(xué)跟蹤系統(tǒng)5跟蹤測量掃描測頭上的三個及三個以上測量標(biāo)記4確定，要求這些點不能共線。
[0027]以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限制，有關(guān)【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的保護范疇。
【權(quán)利要求】
1.一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法，所述掃描測量機器人的硬件包括通用工業(yè)機器人、掃描測頭和光學(xué)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于:包括以下步驟: (1)、在CAD軟件中采用虛擬裝配方法，將工件CAD模型裝夾定位到夾具CAD模型上； (2)、根據(jù)工件的CAD模型，自動規(guī)劃掃描測量路徑； (3)、在真實環(huán)境中，測量夾具相對于工業(yè)機器人的三維空間位置； (4)、在工業(yè)機器人仿真軟件中，根據(jù)步驟(3)測量的夾具與工業(yè)機器人相對位置，定位夾具及工件CAD模型，并相應(yīng)調(diào)整步驟(2)中規(guī)劃的掃描測量路徑的位置； (5)、在機器人仿真軟件中，對步驟(4)中生成的測量路徑進行遮擋和碰撞分析； (6)、如果有遮擋或者碰撞，調(diào)整真實環(huán)境中夾具及工件相對于工業(yè)機器人的位置，并重復(fù)步驟(3)、(4)、(5)直到工業(yè)機器人及掃描測頭與工件及夾具無遮擋和碰撞為止；否貝1J，利用機器人仿真軟件生成工業(yè)機器人運動程序； (7)、在真實環(huán)境中，將步驟(6)中生成的工業(yè)機器人運動程序輸入至工業(yè)機器人控制器中，在控制器的控制下 帶動掃描測頭，并配合光學(xué)跟蹤系統(tǒng)對工件進行檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法，其特征在于:掃描測頭上帶有系列測量標(biāo)記，光學(xué)跟蹤系統(tǒng)跟蹤測量三個及三個以上測量標(biāo)記確定測量過程中掃描測頭的位置和姿態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法，其特征在于:在測量過程中，光學(xué)跟蹤系統(tǒng)跟蹤測量的掃描測頭上的測量標(biāo)記不共線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法，其特征在于:步驟(2)中，掃描測量機器人掃描路徑規(guī)劃分為線掃描和面掃描兩種類型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法，其特征在于:步驟(3)中，夾具帶有系列測量標(biāo)記。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法，其特征在于:步驟(3)中測量夾具相對于工業(yè)機器人的三維空間位置的具體步驟為: (a)、在實際環(huán)境中擺放好工業(yè)機器人、夾具和激光跟蹤儀； (b)、采用激光跟蹤儀測量并記錄夾具上三個及三個以上測量標(biāo)記的三維坐標(biāo)； (C)、操作機器人運動到三個以上的位置，在工業(yè)機器人上讀取這些點的三維坐標(biāo)，并用激光跟蹤儀測量并記錄以上這些點的三維坐標(biāo)； (d)、采用激光跟蹤儀的轉(zhuǎn)站功能，將測得的工業(yè)機器人各移動點及各測量標(biāo)記的三維坐標(biāo)統(tǒng)一到機器人的坐標(biāo)系，得到夾具相對于工業(yè)機器人的位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法，其特征在于:步驟(b)中，激光跟蹤儀測量的夾具上的三個及三個以上測量標(biāo)記不共線。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法，其特征在于:步驟(C)中，操作機器人運動到的三個以上位置不共線。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法，其特征在于:為了使用基于CAD模型規(guī)劃的掃描測量路徑，通過專用夾具將虛擬環(huán)境中工件模型與工業(yè)機器人模型的相對位置與真實環(huán)境中工件與工業(yè)機器人的相對位置統(tǒng)一起來，首先采用CAD軟件中的虛擬裝配方法，將工件CAD模型裝配到夾具CAD模型，形成一個包含工件和夾具的CAD模型；然后測量真實環(huán)境中夾具與工業(yè)機器人的相對位置；最后根據(jù)測量結(jié)果，在機器人仿真軟件中調(diào)整夾具與工件模型的位置，統(tǒng)一工件模型與工業(yè)機器人模型的相對位置與真實環(huán)境中工件與工業(yè)機器人的相對位置，并相應(yīng)調(diào)整掃描測量路徑的位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種精度與機器人無關(guān)的掃描測量機器人檢測方法，其特征在于:步驟(4) 中，調(diào)整掃描測量路徑的三維坐標(biāo)變換與夾具與工件模型位置調(diào)整時采用的三維坐標(biāo)變換一致；步驟(7)中，采用光學(xué)跟蹤系統(tǒng)而非機器人確定測量過程中掃描測頭的位置和姿態(tài)。
【文檔編號】G01B11/00GK103759635SQ201310727450
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月25日
【發(fā)明者】李維詩, 肖海軍, 于連棟, 夏豪杰, 李 浩 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)