[发明专利]基于高精度位移传感器的引导机械手定位的方法及系统

权利要求书

1.基于高精度位移传感器的引导机械手定位的系统，包括六自由度机械手、高精度激光传感器、工业摄像机、环形光源、标定板、检测电阻电路系统、上位机、焊钉排队机构、PLC以及电焊机，其特征在于：所述上位机与PLC采用UDP的方式进行通讯，所述上位机与六自由度机械手采用TCP的方式通讯，所述工业相机安装在六自由度机械手的末端，且方向与机械手法兰盘保持垂直向外，所述工业相机与上位机之间的信号采用以太网传输，所述环形光源安装在工业相机的镜头外侧，所述环形光源的开关与PLC自带的数字量输出端相连，所述电焊机的焊枪安装在机械手法兰盘的中心，且方向与法兰盘垂直向外，所述高精度激光传感器安装在六自由度机械手的末端，且方向与机械手法兰盘保持垂直向外，所述高精度激光传感器与PLC自带的数字量输入端相连；

基于高精度位移传感器的引导机械手定位的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）设定高精度位移传感器的检测距离，距离以相机能够拍摄到待焊接物体的全貌且物体图像在整幅图的正中为最佳；

（2）制作特定的标定板，并将其安装在待焊接物体被放置的大致位置处；

（3）标定机械手的世界坐标系，该世界坐标系的X、Y方向与标定板画的X、Y方向平行，世界坐标系的Z方向为垂直指向标定板的方向；

（4）机械手移动至距离标定板正好为传感器输出高电平的位置处进行拍照，并记录标定板坐标系原点在世界坐标系下的坐标值；

（5）根据本发明提供的定距离定缩放方法求解特定的比例系数K;

（6）当上位机收到焊接的命令后，上位机启动相机准备拍照，上位机发送准备焊接命令给PLC，PLC启动焊钉排队机构将焊钉送至指定的位置，开启焊机进入充能模式，开启环形光源为相机提供补光，同时，上位机启动相机准备拍照并发送启动命令给机械手控制器；

（7）机械手控制器收到该命令后开始向待焊接物体处移动，当移动至距离传感器设定的距离值后，PLC读取到高电平，并将当移动至距离传感器设定的距离值后，PLC读取到高电平上传至上位机，上位机控制相机进行拍照，同时上位机发送指令给机械手控制器，机械手收到指令后，开始向焊钉排队机构处移动取钉；

（8）与此同时，上位机对拍摄的待焊接物体进行处理，获取焊接的像素坐标，并利用本发明提供的定距离定缩放方法进行求解世界坐标，求解完成后将该世界坐标发送给机械手控制器；

（9）机械手取完焊钉后向上位机计算得到的世界坐标移动，移动到世界坐标后，机械手转为向前探测模式，根据本发明提供的检测电阻的方法进行检测焊钉是否触碰到待焊接物体；

（10）当焊钉触碰到待焊接物体时，上位机向PLC发送指令，PLC启动焊机进行焊接，焊接结束后，机械手回到初始设定的位置，完成本次焊接；

所述定距离定缩放方法包括以下步骤：

1）提前准备一块标定板，在标定板上画出一个二维坐标系，标出X,Y方向和原点，并且在标定板上画出若干点，至少为二十个点，分别定义为P1-P20；

2）使用高精度测量工具测量出标定板定义的二十个点两两之间的物理距离并记录；

3）将标定板固定在后期待焊接物体的摆放的大致位置即可，标定板保持与待焊接面平行，带有坐标系的一侧面向机械手；

4）人工示教机械手的世界坐标系，使该世界坐标系的X、Y方向与标定板画的X、Y方向平行，世界坐标系的Z方向垂直指向标定板；

5）人工示教机械手向标定板移动，直到机械手移动至高精度位移传感器传出高电平为止，在此位置打开相机，对标定板进行拍照；

6）将机械手末端移动至标定板坐标系的原点处，记录标定板原点在机械手世界坐标系下的坐标(m,n)，

7）利用单目相机标定的方法计算出相机的畸变参数，包括内参与外参，利用求得的畸变参数矩阵对相机拍摄的标定板的图像进行矫正，获得一副矫正好的图像；

8）分别记录矫正好的图像中20个点的像素坐标，并计算出20个点两两之间的像素距离，同时记录坐标系原点在图像中的像素坐标(p,q)；

9）20个点两两之间的物理距离与像素距离做除法运算得到缩放的比例系数群，采用统计学中的格拉布斯方法剔除数据群中的异常数据，然后计算比例系数群的平均数K;

10）对待焊接物体的图像进行处理得到的待焊接位置的像素坐标（k,l）进行如下处理，得到实际待焊接的位置在世界坐标系下的世界坐标的（x，y），x=K(p-k)+n;y=K(q-l)+n；

将z设为一个安全位置的常量值，即得到了一个初步的世界坐标（x,y,z）。

2.根据权利要求1所述的基于高精度位移传感器的引导机械手定位的系统的方法，其特征在于：所述检测电阻的方法为：将一侧电路接在PLC自带的数字量输入的接口中，当该侧电路接通后，指定的PLC输入接口产生高电平，该侧电路未接通时，该接口为低电平；当焊钉移动至待焊接物体后，另一侧电路被接通，继电器吸合，使之前的一侧电路接通，产生高电平，PLC捕获高电平后将该信号上传至上位机，上位机做出停止机械手移动和焊接的指令输出。