基于視覺的大型結構件移動機械臂多坐標加工中心實現方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及多坐標加工中屯、、移動機器人和視覺感知方法，特別設及基于視覺的 大型結構件移動機械臂多坐標加工中屯、實現方法，屬于機械和信息技術領域。
【背景技術】
[0002] 裝備制造業被譽為"工業母機"，是制造業的基石。工業現代化所需的各類裝備 和設施都離不開高檔加工中屯、和基礎制造裝備，其性能、質量和擁有量已成為當今衡量一 個國家工業化水平、綜合國力的重要標志；綜觀全球，美國、日本、德國等世界裝備制造業強 國無不重視控制高端制造裝備運一產業制高點，重視用高技術優化提升傳統裝備制造業， 支撐高端制造，保持產業優勢；隨著機床工業的發展，加工中屯、的技術水平也得到了較大發 展；加工中屯、具有W下主要特點：山加工中屯、萬能性大，大型工件裝夾及找正困難而且費 時，因此希望盡可能在一次安裝中將全部表面加工出來，所W加工中屯、的萬能性較大，數控 機床可W進行僮、銳、鉆等各種工作；似由于加工中屯、龐大，為使操縱方便起見，通常是用 懸掛式操縱板或操縱臺集中操縱；樹為了觀察部件位移方便，加工中屯、大多備有移動部件 立柱、主軸箱及僮軸位移的數碼顯示裝置，W節省觀察及測量位移的時間和減輕工人勞動 強度；加工中屯、技術發展的總趨勢是高速、精密和多功能，其產品開發針對難加工材料的重 切削機種、針對復雜開關加工的智能多軸控制裝置和綜合多軸控制系統。
[0003] W傳統金切削為主的五軸聯動加工中屯、價格很高，若大型龍口則更昂貴；該加工 中屯、扭矩大，精度高，速度慢，可加工各種金屬及非金屬；
[0004] 機器人技術是設及機械學、傳感器技術、驅動技術、控制技術、通信技術和計算機 技術的一口綜合性高新技術，既是光機電一體化的重要基礎，又是光機電一體化技術的典 型代表，它是多學科科技革命的必然結果。近年來，隨著機器人研究的不斷發展，機器人技 術開始源源不斷地向人類活動的各個領域滲透，結合運些領域的應用特點，各種各樣的具 有不同功能的機器人被研制出來，并且在不同的應用領域都得到了廣泛的應用；例如，美 國Wolstenholme機器公司生產的MR5和MR7排爆機器人，能用于戶內及戶外環境、適應各 種地形活動，完成排爆功能，已被美國軍方廣泛使用；排爆機器人是特種機器人的一種，主 要用于在事發現場排除處理爆炸物及其他危險物品；排爆機器人的多功能機械手，作為排 爆機器人的完成抓取任務的主要執行器，應能完成包括抓取爆炸物在內的一系列任務，對 于排爆機器人來講尤為重要；排爆是一個充滿變化而復雜的過程，在排爆機器人執行任務 的過程中，最關鍵的一步就是控制機器人的多功能機械手去抓取目標物，即控制機械手精 確的定位到目標物位置，完成抓取動作；目前世界上已投入使用的排爆機器人，在工作方式 上，都需要一個經驗豐富的操作員，對機械手進行遠程手動控制，達到機械手精確定位的目 的。運種工作方式，一方面對操作員的要求非常高，另一方面，手動控制也很難達到很高的 精度；因此，若能通過計算機視覺技術實現機械手的自動精確定位，而不需要去手動控制機 械手的各個關節，將會在很大程度上提高排爆機器人的性能。
[0005] 然而，移動機械臂對大型結構件（如飛機結構件等）還不能完成多坐標加工中屯、 的功能，不能有效降低多坐標聯動加工中屯、的昂貴價格。
【發明內容】
[0006] 為了克服移動機械臂對大型結構件不能完成多坐標加工中屯、功能的技術缺陷，本 發明提出一種基于視覺的大型結構件移動機械臂多坐標加工中屯、實現方法，該方法通過在 移動機械臂上設置加工任務和工序；在移動機械臂不同方向安裝僮、銳、鉆加工刀具、設置 軌道和自動夾具、在軌道周邊豎立多個光標識點，并在移動機械臂上安裝CCD和激光測距 或者安裝connect相機，在加工過程進行在線定位監測和誤差修正，對加工系統給出故障 報警，解決了移動機械臂對大型結構件多坐標加工中屯、功能的技術問題。
[0007] 本發明解決其技術問題采用的技術方案是，一種基于視覺的大型結構件移動機械 臂多坐標加工中屯、實現方法，其特征包括W下步驟：
[0008] (1)在移動機械臂上設置加工任務和工序；在移動機械臂不同方向安裝僮、銳、鉆 加工刀具、設置軌道和自動夾具、在軌道周邊豎立多個光標識點，并在移動機械臂上安裝 CCD和激光測距或者安裝connect相機；當移動機械臂移動至結構件的某一加工點時，移動 機械臂停止運動并自動鎖死，CCD和激光測距或者安裝connect相機根據軌道周邊豎立多 個光標識點進行多坐標對準和準確定位，通過移動機械臂多關節控制器控制加工過程，并 進行在線加工積累誤差修正，加工完成后松開夾具，移動機械臂移動到下一道工序；
[0009] (2)移動機械臂具有多關節控制功能；在移動機械臂上安裝CCD和激光測距或者 安裝connect相機，當移動機械臂移動至結構件的某一加工點時，移動機械臂停止運動并 自動鎖死，CCD和激光測距或者安裝connect相機根據軌道周邊豎立多個光標識點進行多 坐標對準和準確定位，通過移動機械臂多關節控制器控制加工過程；
[0010] 假定某一道工序檢測到某個軌道周邊豎立的光標識點坐標分別為（0, 0, 0)，（XI，yi ，Zi),(而，y2,Z2),…，（X。，y。，Z。)，，且為已知量；n+1光標識點的個數，激光測距儀激光出口或 者connect相機中屯、的坐標為（X,y,Z)，激光測距的定位要求為：
[001引其中，r,ri，。，…，r。分別為（X，y,Z)到（；0, 0, 0)，（X1，yi,Zi),(而，72,Z2),… ，（X。，y。，Z。）的距離，誤差寫1.i= 1，2,…，n滿足條件IC11 <e。，I。<e。，…，I。<e。，e。為 給定的正數，Xp，yp，Zp為在加工工藝中預先設定的位置，emJ%給定的最大定位誤差，e。為給 定的最大圖像位置誤差，AL為矩陣A的無窮范數；
[0014] 同時，要求先對準某個軌道周邊豎立的光標識點的坐標（0,0,0)圖像位置，其余 多個光標識點在CCD圖像中的坐標位置要滿足：
[0015]
[001引其中，（Xit，yit)，（而。yj，…，（X。。yj分別為在軌道周邊豎立的光標識點的坐標 (Xl，yi，Zi), (X2，y2，Z2)，…，（Xn，yn，Zn)在CCD圖像中的坐標位置，（Xipt，yipt)，（X2pt，y2pt)，… ，（Xnpt，ynpt)分別為在軌道周邊豎立的光標識點坐標（Xi,yi,Zi)，（而，72,Z2)，…，（X。，y。，Z。）在 CCD圖像中的理想坐標位置，且為已知量；et。為最大允許的圖像位置誤差；
[0017] 做在僮、銳、鉆的加工過程中，扭矩和機械振動會引起定位誤差，在加工過程中不 斷采用步驟（3)的方法檢測定位精度，移動機械臂控制多關節緩慢運動抵消扭矩和機械振 動作用，W在線減少加工積累誤差并進行誤差修正；
[0018] (4)當最大誤差em。、、e。或et。不能控制時，加工精度不能滿足要求，對系統進行報 警；當最大誤差e"_、e。或et。滿