焊接機(jī)器人TCP全自動(dòng)標(biāo)定方法研究

陳 鋒

(安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230000)

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平的快速發(fā)展，人工成本不斷提升，機(jī)器人在制造業(yè)各領(lǐng)域快速普及和發(fā)展。通過在機(jī)器人末端安裝各種不同工具，如噴槍、抓手等，完成各種作業(yè)任務(wù)。焊槍機(jī)器人就是通過在機(jī)器人末端法蘭安裝焊槍完成機(jī)械的焊接作業(yè)，但是工具中心點(diǎn)(TCP)相對(duì)末端位置的偏移量大多是未知的，即使在使用前對(duì)焊槍工具中心點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定，其準(zhǔn)確度也會(huì)隨著焊槍的長(zhǎng)時(shí)間使用或者工具的調(diào)整而變得不準(zhǔn)確。未經(jīng)過標(biāo)定或者不準(zhǔn)確的標(biāo)定都會(huì)直接影響機(jī)器人焊接的軌跡精度，因此，如何快速準(zhǔn)確地對(duì)工具中心點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，已經(jīng)成為焊接機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要問題。本文將針對(duì)工具坐標(biāo)原點(diǎn)的TCP自動(dòng)化標(biāo)定展開討論。目前，工具中心點(diǎn)(TCP)標(biāo)定方法有兩大類：一種是外部基準(zhǔn)法，其需要在機(jī)器人上安裝精確測(cè)量裝置，例如球桿儀、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、激光跟蹤儀、DYNACAL機(jī)器人標(biāo)定儀器等設(shè)備；另一種是多點(diǎn)標(biāo)定法，通過控制機(jī)器人以不同的姿態(tài)無限逼近固定參考點(diǎn)，并記錄機(jī)器人位置和姿態(tài)，由機(jī)器人系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)部算法計(jì)算出工具坐標(biāo)系的TCP值，其中以四點(diǎn)法和六點(diǎn)法居多。熊爍等[1]研究了機(jī)器人工具坐標(biāo)系的接觸式標(biāo)定的算法，采用最小二乘法進(jìn)行擬合，并且在工業(yè)機(jī)器人上進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。周星等[2]研究了六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人TCP 標(biāo)定模型的算法優(yōu)化。

利用外部基準(zhǔn)法進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定精度高，但現(xiàn)場(chǎng)施工難度較大，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用不便。儀器造價(jià)昂貴，標(biāo)定成本較高。但在實(shí)際操作過程中，多點(diǎn)標(biāo)定方法需要人工用肉眼實(shí)現(xiàn)點(diǎn)-點(diǎn)的精確重合操作，如對(duì)準(zhǔn)不準(zhǔn)確，容易造成較大誤差，尤其是當(dāng)四點(diǎn)都分布在參考點(diǎn)一側(cè)時(shí)，因分布位置的集中限制了機(jī)器人能做姿態(tài)的幅度，導(dǎo)致誤差增大和標(biāo)定失敗，因此，多點(diǎn)標(biāo)定方法效率較低，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定。

本文結(jié)合TCP標(biāo)定兩類方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種以四點(diǎn)法為基礎(chǔ)、基于機(jī)器視覺的全自動(dòng)標(biāo)定方法，該方法需要以兩臺(tái)相機(jī)作為輔助工具。利用圖像處理，得到圖像像素和空間距離的比例關(guān)系，計(jì)算出焊槍到標(biāo)定點(diǎn)位的位移數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡的控制，根據(jù)得到的點(diǎn)位信息，應(yīng)用最小二乘法計(jì)算出TCP的標(biāo)定坐標(biāo)值。

1 標(biāo)定過程及原理

1.1 視覺測(cè)量原理及誤差分析

本文中視覺測(cè)量過程如圖1所示。

圖1 視覺測(cè)量流程圖

通過兩臺(tái)高精度相機(jī)對(duì)焊槍進(jìn)行圖像捕獲，得到機(jī)器人焊槍運(yùn)動(dòng)固定距離前后的對(duì)比圖像。通過圖像分析預(yù)處理，主要包括圖像灰度和二值化以及濾波等，得到機(jī)器人焊槍的輪廓圖形[3]。經(jīng)過相機(jī)捕獲的圖像一般為RGB三通道圖像，為方便后期處理，需要對(duì)圖像進(jìn)行灰度化處理，這里采用加權(quán)平均法，灰度化計(jì)算公式為

H(i,j)=0.299×R(i,j)+0.578×G(i,j)+0.114×B(i,j),

(1)

其中，H(i,j)為坐標(biāo)(i,j)下的灰度像素值；R(i,j),G(i,j),B(i,j)分別為三個(gè)通道的像素值。

圖像的二值化處理是將經(jīng)過灰度處理后的像素根據(jù)閾值設(shè)置為0或者255。

(2)

其中，G為圖像單個(gè)像素點(diǎn)的灰度像素值，t為設(shè)置的閾值。

為了去除因灰塵顆粒等引起的圖像干擾，提高焊槍的輪廓識(shí)別，降低提取偏差，需要對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理。本文使用中值濾波算法對(duì)捕獲的圖像進(jìn)行處理，其主要原理是統(tǒng)計(jì)周圍像素值，取中值代替當(dāng)前像素值。將處理后的圖像焊絲部分輪廓點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，進(jìn)一步獲取焊槍底部像素坐標(biāo)。通過焊槍運(yùn)動(dòng)前后兩次焊絲位置的像素差，可以得到焊槍當(dāng)前位置像素與空間位置的比例關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算出焊槍到達(dá)標(biāo)定點(diǎn)像素坐標(biāo)的像素距離以及空間距離，從而控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到標(biāo)定點(diǎn)位置。焊槍在標(biāo)定點(diǎn)位停止后，再次采集圖像，計(jì)算焊槍底部像素點(diǎn)距離標(biāo)定點(diǎn)的距離，得到運(yùn)動(dòng)誤差Δd。

(3)

其中，xi,yi,zi為焊槍底部當(dāng)前像素點(diǎn)坐標(biāo)；x0,y0,z0為標(biāo)定點(diǎn)像素坐標(biāo)；ki為當(dāng)前點(diǎn)位像素與空間距離比例關(guān)系。

由式(3)得到通過視覺計(jì)算控制焊槍運(yùn)動(dòng)后的空間位置與實(shí)際標(biāo)定點(diǎn)的誤差，當(dāng)誤差較大時(shí)，再次運(yùn)行上述操作，可以將距離誤差降低。此時(shí)，記錄該點(diǎn)位下機(jī)器人的姿態(tài)信息和位置信息。

通識(shí)教育注重培養(yǎng)學(xué)生的優(yōu)良品質(zhì)和終身學(xué)習(xí)能力，注重培養(yǎng)學(xué)生完整的知識(shí)、人格及遠(yuǎn)見卓識(shí)，在教育中備受關(guān)注。

1.2 四點(diǎn)法標(biāo)定原理

圖2 六軸機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

(4)

按照四點(diǎn)法要求[4]，如圖3所示，機(jī)器人焊槍從四個(gè)任意不同的方向靠近同一個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，記錄四個(gè)位置到達(dá)標(biāo)定點(diǎn)后的點(diǎn)位矩陣Ni。

圖3 四點(diǎn)法標(biāo)定示意圖

(5)

對(duì)于得到的四個(gè)點(diǎn)位，有

(6)

(7)

(8)

將式(6)(7)(8)帶入式(4)，可得到

(9)

由式(9)可以得到

(10)

(11)

根據(jù)歐拉角和姿態(tài)矩陣之間的變換關(guān)系[5]，可以得到四個(gè)點(diǎn)位對(duì)應(yīng)的姿態(tài)矩陣:

(12)

(13)

1.3 TCP坐標(biāo)求解方法

Rx=P,

(14)

式(14)中，方程沒有精確解，將求方程的精確解轉(zhuǎn)換為求方程的最小值，即實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之間誤差最小問題。我們知道，應(yīng)用最小二乘法通過最小化誤差的平方獲取匹配方程的最優(yōu)解，利用最小二乘法可以快速求解方程，使求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和最小。

S(x)=‖Rx-P‖2.

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

以埃夫特公司的六軸工業(yè)機(jī)器人為運(yùn)動(dòng)主體，進(jìn)行TCP 標(biāo)定，如圖4所示。為了驗(yàn)證視覺測(cè)量以及標(biāo)定算法的正確性。機(jī)器視覺控制機(jī)器人焊槍運(yùn)動(dòng)到標(biāo)定點(diǎn)，獲取四個(gè)不同姿態(tài)下的機(jī)器人坐標(biāo)，使用標(biāo)定算法進(jìn)行計(jì)算，將結(jié)果與機(jī)器人示教器中計(jì)算的TCP結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4 六軸工業(yè)焊接機(jī)器人

2.1 視覺測(cè)量實(shí)驗(yàn)

搭建焊接機(jī)器人TCP標(biāo)定平臺(tái)如圖5所示。使用兩臺(tái)相機(jī)從不同維度進(jìn)行圖像采集，其中，右相機(jī)采集機(jī)器人x和z平面像素坐標(biāo)，左相機(jī)采集y平面像素坐標(biāo)。為了提高圖像像素處理精度，在相機(jī)背面增加了背板光源。相機(jī)采集的原始圖片和經(jīng)過圖像處理后的圖片對(duì)比如圖6所示，經(jīng)過灰度、二值化和濾波處理圖像，可以得到焊槍及焊絲的邊緣輪廓，通過對(duì)焊絲部分輪廓的線性擬合，可以得到焊槍底部的像素坐標(biāo)。

圖5 相機(jī)進(jìn)行圖像采集裝置

(a)相機(jī)原始圖 (b)提取焊槍輪廓圖6 相機(jī)原始圖和處理后的圖

讓焊槍沿垂直方向平移固定距離S，本實(shí)驗(yàn)取5 mm，對(duì)比平移前后像素點(diǎn)之差，可以得到該位置下像素與空間距離的比例關(guān)系，進(jìn)而得到距離標(biāo)定點(diǎn)的空間距離。

兩臺(tái)相機(jī)與機(jī)器人坐標(biāo)的映射關(guān)系：右相機(jī)水平方向?qū)?yīng)機(jī)器人X軸運(yùn)動(dòng)，右相機(jī)垂直方向?qū)?yīng)機(jī)器人Z軸運(yùn)動(dòng)，左相機(jī)水平方向?qū)?yīng)機(jī)器人Y軸運(yùn)動(dòng)。

從表1可以看出，利用視覺測(cè)量對(duì)機(jī)器人焊槍點(diǎn)坐標(biāo)提取和位置距離計(jì)算，能夠有效控制焊槍到達(dá)標(biāo)定點(diǎn)位，且誤差較小，滿足工業(yè)精度要求。特別地，當(dāng)焊槍初始距離標(biāo)定點(diǎn)位較遠(yuǎn)時(shí)，因距離較大，像素點(diǎn)誤差可能較大，此時(shí)進(jìn)行兩次操作，即可將誤差控制在3個(gè)像素約0.3 mm以內(nèi)。

表1 視覺測(cè)量像素坐標(biāo)、距離及運(yùn)動(dòng)關(guān)系測(cè)算

2.2 TCP標(biāo)定計(jì)算

通過視覺測(cè)量控制機(jī)器人焊槍到達(dá)標(biāo)定點(diǎn)位，記錄此時(shí)工具坐標(biāo)系末端點(diǎn)(TCP點(diǎn))相對(duì)于法蘭中心的位置偏移量。變換機(jī)器人姿態(tài)，依次得到四個(gè)點(diǎn)位信息，如表2所示。

表2 不同姿態(tài)下工具坐標(biāo)系末端點(diǎn)(TCP點(diǎn))相對(duì)于法蘭中心的位置偏移量

使用標(biāo)定算法,對(duì)表2記錄的點(diǎn)位信息與機(jī)器人示教器計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

表3 本文TCP計(jì)算結(jié)果與示教器結(jié)果的對(duì)比

3 結(jié)語

綜上所述，本文提出了一種基于視覺測(cè)量和四點(diǎn)法的TCP自動(dòng)標(biāo)定方法，通過獲取測(cè)量點(diǎn)位信息,經(jīng)計(jì)算得到TCP點(diǎn)位，將本文求解結(jié)果與商用機(jī)器人示教法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果基本一致。實(shí)驗(yàn)表明，使用四點(diǎn)法標(biāo)定，焊接機(jī)器人逼近標(biāo)定點(diǎn)的過程，利用視覺測(cè)量進(jìn)行坐標(biāo)和位移計(jì)算，精度較高。對(duì)標(biāo)記的點(diǎn)位應(yīng)用最小二乘法，計(jì)算得到的TCP結(jié)果與商用機(jī)器人計(jì)算結(jié)果吻合?？梢?，本文方法操作簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，計(jì)算快速準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了焊接機(jī)器人的自動(dòng)化標(biāo)定。