本發(fā)明屬于工業(yè)機器人技術領域，特別涉及一種基于視覺傳感器的工業(yè)機器人現(xiàn)場實時溫度補償方法。

背景技術：

工業(yè)機器人是現(xiàn)代制造的重要組成部分，隨著現(xiàn)代制造精度的提升，對工業(yè)機器人運動精度要求也越來越高。而工業(yè)機器人在連續(xù)高速運動過程中會產生非常明顯的溫度誤差，即機器人經過一段時間連續(xù)的高速運動之后，機器人末端tcp(toolcenterpoint，工具末端中心點)會產生非常明顯的位置漂移。以臂展為3m的工業(yè)機器人為例，以100％速度連續(xù)運動1小時后，對于同一個目標點，機器人末端tcp達到的位置變化最大可達0.5mm，即機器人運動軌跡將存在較大的位置或姿態(tài)誤差。

機器人溫度誤差是由于機械臂溫度變化引起桿件和關節(jié)膨脹變形，使模型參數(shù)改變從而導致定位誤差增大，它既與機器人所處姿態(tài)有關又與溫度變化有關。溫度變化主要包括兩個方面：一方面，機器人自身的往復運動會主動發(fā)熱，如電機散熱、齒輪和驅動帶等機械構件相對運動摩擦生熱；另一方面，環(huán)境溫度的變化也會影響到機器人自身的熱平衡狀態(tài)，如四季交替帶來的氣候溫差等。

機器人溫度誤差是一種動態(tài)產生的誤差，與機器人自身的熱效應有關，在未到達熱平衡狀態(tài)之前是不斷變化的。環(huán)境溫度變化或機器人在連續(xù)高速運動過程中自身熱脹冷縮，引起機器人內部結構參數(shù)發(fā)生變化，最終反應到機器人末端發(fā)生位置變化。由于機器人是多關節(jié)串聯(lián)鉸接結構，內部結構極其復雜，溫度變化對其內部結構的作用機理及影響過程也非常復雜，最終反應到機器人末端tcp上的位置漂移的方向及大小也是不確定的。因此，機器人溫度誤差在線實時補償對于保證機器人運動軌跡精度、提高機器人工作軌跡穩(wěn)定性，進一步拓寬工業(yè)機器人在高端精密制造行業(yè)中的應用具有重要的意義。

現(xiàn)有的在線動態(tài)溫度誤差補償技術是通過在工業(yè)機器人基座附近安裝溫度較準球，同時機器人工作工程中帶動末端視覺傳感器對溫度較準球上的基準孔進行測量。該方法可以計算出機器人溫度誤差，并根據(jù)這個溫度誤差對機器人測量特征的測量值進行補償，即本方法只是對機器人的測量特征的測量值進行誤差修正，并沒有真正去補償機器人溫度誤差導致的機器人末端tcp位置漂移，機器人運動軌跡仍然存在誤差。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術的不足，提出了一種基于視覺傳感器的工業(yè)機器人現(xiàn)場實時溫度補償方法，可以解決由于環(huán)境溫度變化或機器人連續(xù)高速運動中自身產熱導致的機器人運動軌跡發(fā)生偏差的問題。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：基于視覺傳感器的工業(yè)機器人現(xiàn)場實時溫度補償方法，包括以下步驟：

(1)在工業(yè)機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相機的工作范圍將覆蓋溫度補償過程中機器人tcp運動范圍；

(2)在機器人冷態(tài)下，示教一條機器人溫度補償軌跡，并在機器人控制器中記錄該軌跡，補償軌跡包括較準測量點和軌跡過渡點，較準測量點是指機器人運動至該位置時，視覺傳感器可以對機器人末端tcp進行清晰的成像并實現(xiàn)對tcp點的定位測量，部分較準測量點之間通過軌跡過渡點銜接；

(3)冷態(tài)下機器人運行補償軌跡，保存校準點冷態(tài)坐標，機器人運行溫度補償軌跡時，運動至校準測量點機器人控制器的io端口會向觸發(fā)視覺傳感器輸出一個電平信號，視覺傳感器收到該電平信號后通過視覺測量模型對末端工具tcp點進行測量，運動至軌跡過渡點時，不觸發(fā)傳感器進行測量；

(4)控制工業(yè)機器人在冷態(tài)下以慢速運行溫度補償軌跡，在軌跡中的校準測量點處觸發(fā)視覺傳感器對工具末端tcp點進行測量，并保存各個位置處末端tcp點在視覺傳感器坐標系下的坐標，記為冷態(tài)坐標psci；

(5)解算溫度誤差引起的機器人運動學模型參數(shù)誤差

機器人每完成一個工作循環(huán)后，都以正常運動速度運行一遍溫度補償軌跡，并保存各個位置處末端tcp點在視覺傳感器坐標系下的坐標，記為熱態(tài)坐標pswi；

冷態(tài)下，機器人運動學模型參數(shù)x為理論值，機器人在第i個較準測量點處各關節(jié)的旋轉角度為θ，則機器人末端tcp在機器人基坐標系下的坐標為：

pbci＝t(x,θ)×tcp

其中t(x,θ)為機器人運動學模型，tcp為機器人末端tcp點的理論坐標；

熱態(tài)下，機器人運動學模型x參數(shù)為x+δx，機器人同樣以關節(jié)旋轉角θ運動至第i個較準測量點，則該軌跡點處末端tcp在機器人基坐標系下的坐標為：

pbwi＝t(x+δx,θ)×tcp；

(6)更新機器人運動學模型參數(shù)，并修正機器人工作軌跡中各關節(jié)旋轉角：

根據(jù)步驟(5)解算出的機器人運動學模型參數(shù)實際值，將機器人運動軌跡的末端點調整至冷臺下的位置t(x+δx,θ+δθ)，即

t(x+δx,θ+δθ)＝t(x,θ)；

(7)機器人進入下一個工作循環(huán)，機器人以(θ+δθ)關節(jié)旋轉角進行運動，重復步驟(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、兩個相機及照明光源，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相機，傳感器安裝支架的頂部中點處安裝有照明光源。

作為優(yōu)選，上述步驟(2)中所述的軌跡包含5～20個較準測量點。

作為優(yōu)選，上述步驟(4)中的冷態(tài)是指工業(yè)機器人停止運行2個小時后。

作為優(yōu)選，上述步驟(4)中的單個較準測量點處的測量過程如下：

a.機器人運行至某一校準測量點；

b.觸發(fā)視覺傳感器光源點亮；

c.視覺傳感器左右相機同時對末端tcp進行拍照；

d.進行圖像處理，提取tcp點在左右圖像中的像素坐標；

e.建立雙目立體視覺模型，即：解算tcp點在視覺傳感器坐標系下的三維坐標；

f.傳感器光源關閉，機器人運行至下一點。

與現(xiàn)有技術相比，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)生產中從事一般工作的工業(yè)機器人，既可以保證機器人工作軌跡的重復定位精度，也可以使工業(yè)機器人滿足高端精密制造中的精度要求；對從事一般工作的工業(yè)機器人進行溫度補償，修正環(huán)境溫度變化或機器人自身熱脹冷縮引起的機器人運動軌跡變化，真正實現(xiàn)機器人溫度誤差補償?shù)男Ч?；本方法系統(tǒng)結構簡單，機器人軌跡調試工作量較小，較準過程簡單方便。

附圖說明

圖1是工業(yè)機器人及視覺傳感器的位置關系圖；

圖2是本發(fā)明中雙目視覺傳感器的結構示意圖；

圖3是本發(fā)明中以左右相機建立的坐標系示意圖；

圖4是本發(fā)明所公開的溫度補償方法的流程圖；

圖5是本發(fā)明所公開的溫度補償方法的步驟(4)的流程圖；

圖6是本發(fā)明中一條補償軌跡的坐標示意圖。

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

具體實施方式

為使本領域技術人員更好的理解本發(fā)明的技術方案，下面結合附圖與具體實施例對本發(fā)明作詳細說明。

本實施例公開一種基于視覺傳感器的工業(yè)機器人現(xiàn)場實時溫度補償方法，該溫度補償方法是通過雙目立體視覺傳感器來實現(xiàn)測量定位機器人末端tcp點的：

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

如圖2所示，雙目立體視覺傳感器包括兩個相機、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加強筋10，加強筋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5和右相機6，左相機5和右相機6都向橫梁8的上方中垂線方向傾斜，左相機5和右相機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5和右相機6的鏡頭中心點為原點，建立三維坐標系。

如圖3所示，o-xlylzl為左相機坐標系，o-xryrzr為右相機坐標系，以左相機坐標系作為傳感器測量坐標系，即視覺傳感器測量對空間點測量結果為該點在左相機坐標系o-xlylzl下的三維坐標。機器人末端tcp點運動至雙目視覺傳感器的測量范圍內，如圖3中p點所示，左右相機同時對該點進行拍照。經過圖像處理，可以提取該點在左相機圖像平面il上的像素坐標為pl＝(ul,vl)，及在右相機圖像平面ir上的像素坐標為pr＝(ur,vr)，結合左右相機的相機鏡頭焦距，相機ccd像元尺寸，相機鏡頭畸變參數(shù)及右相機坐標系到左相機坐標系之間的轉換關系，兩個坐標系之間的轉換關系就是一個表示兩個坐標系之間位置和方向關系的4*4矩陣，可以計算出該點在傳感器坐標系下的三維坐標p＝(xs,ys,zs)。

如圖4所示，本實施例公開一種基于視覺傳感器的工業(yè)機器人現(xiàn)場實時溫度補償方法，包括如下步驟：

(1)在工業(yè)機器人基座附近安裝固定視覺傳感器；

(2)在機器人冷態(tài)下，示教機器人運行補償軌跡；

(3)冷態(tài)下機器人運行補償軌跡，保存校準點冷態(tài)坐標；

(4)熱態(tài)下機器人再次運行補償軌跡，保存校準點熱態(tài)坐標；

(5)解算溫度效應引起的機器人運動學模型參數(shù)誤差；

(6)更新機器人運動學模型參數(shù)，并解算機器人工作軌跡中各關節(jié)旋轉角修正值；

(7)機器人進入下一個工作循環(huán)，重復步驟(4)至步驟(6)；

具體的步驟如下：

(1)在工業(yè)機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相機的工作范圍將覆蓋溫度補償過程中機器人tcp運動范圍；；

(2)在機器人冷態(tài)下，示教一條機器人溫度補償軌跡，并在機器人控制器中記錄該軌跡，補償軌跡包括較準測量點和軌跡過渡點，較準測量點是指機器人運動至該位置時，視覺傳感器可以對機器人末端tcp進行清晰的成像并實現(xiàn)對tcp點的定位測量，部分較準測量點之間通過軌跡過渡點銜接；

(3)冷態(tài)下機器人運行補償軌跡，保存校準點冷態(tài)坐標，機器人運行溫度補償軌跡時，運動至校準測量點機器人控制器的io端口會向觸發(fā)視覺傳感器輸出一個電平信號，視覺傳感器收到該電平信號后通過視覺測量模型對末端工具tcp點進行測量，運動至軌跡過渡點時，不觸發(fā)傳感器進行測量；

(4)控制工業(yè)機器人在冷態(tài)下以慢速運行溫度補償軌跡，在軌跡中的校準測量點處觸發(fā)視覺傳感器對工具末端tcp點進行測量，并保存各個位置處末端tcp點在視覺傳感器坐標系下的坐標，記為冷態(tài)坐標psci；

(5)解算溫度誤差引起的機器人運動學模型參數(shù)誤差

機器人每完成一個工作循環(huán)后，都以正常運動速度運行一遍溫度補償軌跡，并保存各個位置處末端tcp點在視覺傳感器坐標系下的坐標，記為熱態(tài)坐標pswi；

冷態(tài)下，機器人運動學模型參數(shù)x為理論值，機器人在第i個較準測量點處各關節(jié)的旋轉角度為θ，則機器人末端tcp在機器人基坐標系下的坐標為：

pbci＝t(x,θ)×tcp

其中t(x,θ)為機器人運動學模型，tcp為機器人末端tcp點的理論坐標；

熱態(tài)下，機器人運動學模型x參數(shù)為x+δx，機器人同樣以關節(jié)旋轉角θ運動至第i個較準測量點，則該軌跡點處末端tcp在機器人基坐標系下的坐標為：

pbwi＝t(x+δx,θ)×tcp；

(6)更新機器人運動學模型參數(shù)，并修正機器人工作軌跡中各關節(jié)旋轉角：

根據(jù)步驟(5)解算出的機器人運動學模型參數(shù)實際值，將機器人運動軌跡的末端點調整至冷臺下的位置t(x+δx,θ+δθ)，即

t(x+δx,θ+δθ)＝t(x,θ)；

(7)機器人進入下一個工作循環(huán)，機器人以(θ+δθ)關節(jié)旋轉角進行運動，重復步驟(4)至步驟(6)。

如圖5所示，步驟(4)中的單個較準測量點處的測量過程如下：

a.機器人運行至某一校準測量點；

b.觸發(fā)視覺傳感器光源點亮；

c.視覺傳感器左右相機同時對末端tcp進行拍照；

d.進行圖像處理，提取tcp點在左右圖像中的像素坐標；

e.建立雙目立體視覺模型，即：解算tcp點在視覺傳感器坐標系下的三維坐標；

f.傳感器光源關閉，機器人運行至下一點。

如圖6所示，圖中為一條補償軌跡的坐標示意圖，其中，實心圓為校準測量點，空心圓為過渡點，為了保證機器人運動的柔順性并防止機器人與傳感器碰撞，部分校準測量點之間通過過渡點連接。

以上實施例僅為本發(fā)明的示例性實施例，不用于限制本發(fā)明，本發(fā)明的保護范圍由權利要求書限定。本領域技術人員可以在本發(fā)明的實質和保護范圍內，對本發(fā)明做出各種修改或等同替換，這種修改或等同替換也應視為落在本發(fā)明的保護范圍內。