[发明专利]基于视觉定位的工业机器人控制系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是基于视觉定位的工业机器人控制系统及其控制方法。

背景技术

工业机器人在各工业领域中获得了广泛应用，如机器人焊接、机器人喷漆、机器人搬运等。在这些领域中工业机器人代替人工做出可重复的精确的运动，从而保证了产品质量的一致性。机器人要完成特定动作必须沿特定轨迹运动，目前有两种方式规划机器人的运动轨迹，一是在线示教，二是离线编程示教。

在线示教是通过机器人的手控操纵盒控制机器人运动，在线示教的过程包括使机器人上安装的工具，如喷枪、焊枪等的末端运动到其操作部位，并记录下在这个位置机器人的坐标；根据需要控制机器人运动到多个位置，并记录这些轨迹；然后机器人沿示教时记录的轨迹自主运动，完成特定的操作任务。这种示教方法的优点是对机器人的模型精度要求低，使用机器人的理论模型即可；另外，不需标定机器人的工具坐标系。该方法的缺点是：(1)机器人的在线示教编程不但过程繁琐、效率低、占用宝贵的生产时间，而且使机器人系统成为一个相对独立的单元，难以实现与其他系统或生产过程的无缝集成；(2)示教的精度完全靠示教者的经验目测决定，精度较低，对于复杂焊缝等难以获得令人满意的示教效果；(3)示教过程中，人工控制机器人运动到一特定点，操作过程复杂，示教人员容易疲劳，而且还处于机器人工作空间的危险环境下。因此该方法仅适用于运动轨迹简单，即示教点数少、精度要求不高的场合，不能满足当今小批量、多品种的柔性生产的需要。

对复杂运动轨迹的示教通常采用离线编程方式。离线编程示教是基于精确的机器人模型，并建立工具坐标系，将工具末端的坐标精确地变换到机器人基准坐标系下，根据操作工件的CAD模型规划出实际操作时工具末端的连续运动轨迹。该方式的实现对机器人模型的精度，以及机器人工具坐标系的确定都有很高的精度要求。

机器人模型是表示机器人末端在机器人基准坐标系下的方位，通常是指机器人的理论模型，理论模型也是机器人的设计模型，即设计时所确定的杆长和各关节之间的关系。而机器人的实际制造和安装过程会产生误差，造成机器人的实际模型与理论模型有很大差异，以理论模型作为实际模型来使用必然造成机器人末端的位置误差。为了获得机器人的真实的模型就必须对机器人进行标定，即确定真实的关节关系和杆长。目前，常用的标定方法是用三坐标测量机、关节臂测量机或激光跟踪仪来测量各个关节的转动情况，从而确定各关节的轴线方向和位置，以此来重建机器人模型。通常将标记点固定在机器人的一个关节的臂上，机器人绕该关节可转动到多个位置，利用测量机或激光跟踪仪测量该标记点的位置，利用同一个标记点在不同位置下的坐标拟合圆可得圆心坐标和圆的法线方向，圆的法线方向可表示该关节的轴线方向。测量机和激光跟踪仪的误差会带来标记点的位置误差，从而造成关节轴线误差。因此，现有标定方法对机器人的标定精度没有大的提高，经过标定后的机器人的位置误差仍然会大于1毫米。

机器人末端安装不同的操作工具都要将工具末端的坐标转换到机器人基准坐标系中，根据上述方法已经确定机器人模型，只需将工具坐标系转换到机器人末端坐标系中即可。目前常用的方法是三点法，该方法是手工控制机器人与空间三个点接触从而实现工具坐标系的标定。然而，在实际操作中难以使操作工具末端完全与空间固定点接触，要么没有完全接触上，存在间隙，要么两者的接触量过大，发生碰撞。因此，对工具坐标系参数的求解必然存在误差。

综上所述，现有机器人示教方式存在以下问题：(1)在线示教操作过程繁琐，效率和精度都比较低，仅适用于操作轨迹较简单，且精度要求不高的场合；(2)离线编程示教对机器人模型的精度和工具坐标系参数的求解精度要求很高，而目前对机器人模型的标定精度和工具坐标系参数的标定精度较低，因此，离线编程生成的路径精度不高，不能满足高精度复杂轨迹的操作需要。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种基于视觉定位的工业机器人控制系统及其控制方法，其安全性好，对于操作工具的运动状态更加容易监控，并做到实时处理、精度高，可拓展机器人的应用领域。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于视觉定位的工业机器人控制系统，该系统包括机器人和机器人控制器，机器人的末端设有操作工具，其中，该系统还包括视觉测量装置，机器人通过机器人控制器与视觉测量装置连接，操作工具上固定有至少四个发光标记点，其中第一发光标记点、第二发光标记点之间的连线与第三发光标记点、第四发光标记点之间的连线相垂直并交于一点，且第一标记点、第二标记点与交点的距离不同，其余的发光标记点沿第一发光标记点与第二发光标记点的连线、以及第三发光标记点、第四发光标记点的连线设置。