一种面向自动装配的基于结构特征的零件坐标标定方法技术

本发明专利技术涉及一种面向自动装配的基于结构特征的零件坐标标定方法。根据零件结构确定能够准确对零件姿态、位置作出判断的特征结构，该结构能够完全实现零件在空间中的位置姿态的限定。通过非接触式测量，测量出当前坐标系下的零件的坐标值。通过多坐标系转换算法，将零件坐标位置进行标定。通过坐标值、零件特征和零件配合面间的几何关系，获取零件配合面的位姿数据，将数据传递给机器人控制系统，驱动机器人将零件定位至被装配位置。

【技术实现步骤摘要】
一种面向自动装配的基于结构特征的零件坐标标定方法
本专利技术涉及一种面向自动装配的基于结构特征的零件坐标标定方法，属于装配制造领域。
技术介绍
目前，自动化、数字化、智能化是生产制造业的主要方向之一。航空航天领域复合材料舱段装配过程中自动化程度较低，导致产品质量一致性不稳定、生产效率较低。其中，复合材料结构件变形影响自动化加工、装配等制造工序的实施。运载火箭等箭体舱段部件为柱形或锥形薄壁回转体结构，结构尺寸较大，在舱段内壁或外壁上安装装配有大量的支架类零件。该支架类零件为钣金结构或机加结构，在舱段中具有较为严格的安装位置精度要求，零件和舱段侧壁贴合面为装配配合面。目前零件的定位依靠传统的手工划线方式进行，即通过舱段上的基准，通过钢板尺或其他工具在零件安装位置画出零件的安装中心线，零件上也画上中心线，通过中心线对齐完成零件的定位。零件定位过程工作量大，定位效率低，定位精度一致性较差，由于零件定位过程全部为人工操作，还容易存在较大的质量隐患。为此，在自动化装配设备的基础上，通过建立零件的关键结构特征数据库，通过零件关键特征与零件间的几何关系，间接评价零件的姿态及位置，并通过一系列的坐标转换，将零件上的关键特征的几何坐标值转化为自动装配设备下的坐标值，从而能够驱动自动化设备将零件定位至被装配位置，保证零件的位置精度要求，满足复合材料舱段装配过程中零件自动定位的生产需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种面向自动装配的基于结构特征的零件坐标标定方法，本专利技术目的通过如下技术方案予以实现：提供一种面向自动装配装置的基于结构特征的零件坐标标定方法，自动装配装置包括一个具有末端执行器的零件抓取机器人；其特征在于，包括以下步骤：步骤一、定义零件识别的双目系统坐标系Oc1，零件抓取机器人的基坐标系Ob与末端执行器坐标系Oe，舱体装配平台坐标系Op，舱体坐标系Oo，测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统坐标系Oc2；步骤二、零件识别的双目系统对零件进行特征识别，建立零件在零件识别的双目系统下的起始坐标系Ow1，获取零件起始位置特征向量Mw1；步骤三、标定获得零件识别的双目系统坐标系到机器人末端执行器坐标系的转换关系标定获得测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统到机器人末端执行器坐标系的转换关系步骤四、在零件抓取机器人控制器中读取机器人末端执行器坐标系到机器人基坐标系的下的转换关系计算获得零件起始坐标系到机器人基坐标系的转换关系为零件起始坐标系在机器人基坐标系下的坐标系为在机器人基坐标系下的特征向量为步骤五、标定获得舱体坐标系到装配平台的坐标系的转换关系步骤六、测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统通过测量舱体装配平台的标志点，获得标志点在双目系统坐标系Oc2下的坐标，从而计算出舱体装配平台坐标系Op到测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统坐标系Oc2的转换矩阵步骤七、获得舱体坐标系到在机器人基坐标系下的坐标系的转换关系为步骤八、获取零件安装在舱体坐标系Oo下的目标位置坐标点坐标OW2(xw2，yw2，zw2)与目标位置特征向量Mw2；计算目标位置坐标在机器人基坐标系下的坐标为则目标位置特征向量Mw2在机器人基坐标系下的特征向量为步骤九、在零件抓取机器人控制器内输入零件起始位置点坐标特征向量和目标位置点坐标特征向量控制末端执行器通过零件识别的双目系统从存放零件的物料托盘中定位并抓取零件，通过测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统的定位舱体中零件安装的指定位置并将零件放置到指定位置。优选的，零件识别的双目系统坐标系Oc1和测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统坐标系是以双目系统的光心作为坐标原点，其Z轴与双目视觉系统的光轴平行。优选的，零件识别的双目系统与测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统是通过手眼标定方法与机器人末端执行器进行坐标系标定。优选的，零件识别的双目系统标定方法为：4.1固定平面标定板，控制零件抓取机器人运动到一定位姿，双目视觉系统采集标定板图像；4.2双目视觉系统获得当前位置图像，按照角点检测算法检测标定板中的角点，在标定板平面上建立一个世界坐标系W，利用双目视觉系统求解出当前位置下，标定板世界坐标到双目视觉系统坐标系Oc1的转换4.3从机器人控制器读取当前机器人末端位姿即当前机器人基座标系Ob到末端坐标系Oe的变换关系；4.4控制机器人移动n个位置，从第i个位置运动到i+1个位置处，机器人末端位姿的变换关系为对应的双目视觉系统的变换为从双目视觉系统坐标系到机器人末端坐标系的转换关系为需要标定的手眼转换关系，即满足优选的，零件抓取机器人的基坐标系Ob以零件抓取机器人的基座底面中心为原点，以基座底面所在平面为基准建立三维坐标。优选的，末端执行器坐标系Oe，实时从零件抓取机器人控制器中读取。优选的，舱体装配平台坐标系Op，以舱体装配平台的一个端点为坐标原点Op0，平台所在平面的水平线为Xp轴，以平台所在平面的竖直线为Yp轴。优选的，零件起始位置坐标系Ow1，以零件特征的中心作为圆心，零件表面所在平面为Xw1Ow1Yw1平面，Xw1Ow1Yw1平面的法向为Zw1轴建立三维坐标，特征向量Mw1表征Zw1轴的方向。优选的，舱体坐标系Oo；舱体底部中心为原点O，以原点指向舱体的I象限0度为X轴，以原点指向舱体的II象限0度为Y轴。优选的，标定获得舱体坐标系到装配平台的坐标系的转换关系的标定方法为：将舱体置于装配平台上，使用装配平台上的定位装置定位并固定舱体，使舱体的Xo轴与装配平台的Xp轴平行，舱体的Yo轴与装配平台Yp轴平行；使用激光跟踪仪分别测量舱体与装配平台特征，获取两者的坐标系原点坐标，并计算转换，获取舱体坐标系到装配平台的坐标系的转换关系优选的，双目系统的特征识别速度为2s/个，零件特征的识别精度为0.2mm。优选的，判定零件放置到指定位置方法为：以零件特征的中心作为圆心Ow2，零件表面所在平面为Xw2Ow2Yw2平面，Xw2Ow2Yw2平面的法向为Zw2轴建立三坐标系Ow2；特征向量Mw2的方向与Zw2轴方向重合；目标位置点坐标与圆心Ow2重合。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：(1)本专利技术提出了一种通过识别零件结构特征获取零件的安装信息的方法。该方法适用具有关键结构特征的支架类零件。零件结构特征包含结构特征、结构尺寸、安装信息等。结构特征包含轮廓、孔位、面形等零件自身的特征，结构尺寸包括零件各个特征结构的设计尺寸和分布关系，安装信息表示用于装配和调姿的位置和姿态信息。通过测量数据处理，根据零件轮廓面积、长度、主方向、轮廓矩、长宽比等信息建立图像描述向量，同时利用零件表面已有特征识别定位。通过结构特征提取与标记该获取零件空间位置精度。(2)本专利技术提出了通过非接触式测量获取零件的位置及姿态精度的方法。该方法从采集的图像中识别出零件的关键特征，根据关键特征在零件上的实际拓扑关系，求解图像上零件的定位点的对应关系，根据位姿检测算法解算出位姿。从而达到获取特征结构的位置精度的目的。该方法具有特征测量与识别精度高，识别速度响应快等特点。(3)本专利技术提出了一种多坐标系转换算法。该方法包括全局坐标系标定和坐标转换关系求解。实现了双目视觉系统标定，机器人动力学标定；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向自动装配装置的基于结构特征的零件坐标标定方法，自动装配装置包括一个具有末端执行器的零件抓取机器人；其特征在于，包括以下步骤：步骤一、定义零件识别的双目系统坐标系Oc1，零件抓取机器人的基坐标系Ob与末端执行器坐标系Oe，舱体装配平台坐标系Op，舱体坐标系Oo，测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统坐标系Oc2；步骤二、零件识别的双目系统(1)对零件(5)进行特征识别，建立零件(5)在零件识别的双目系统(1)下的起始坐标系Ow1，获取零件起始位置特征向量Mw1；步骤三、标定获得零件识别的双目系统坐标系到机器人末端执行器坐标系的转换关系

【技术特征摘要】
1.一种面向自动装配装置的基于结构特征的零件坐标标定方法，自动装配装置包括一个具有末端执行器的零件抓取机器人；其特征在于，包括以下步骤：步骤一、定义零件识别的双目系统坐标系Oc1，零件抓取机器人的基坐标系Ob与末端执行器坐标系Oe，舱体装配平台坐标系Op，舱体坐标系Oo，测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统坐标系Oc2；步骤二、零件识别的双目系统(1)对零件(5)进行特征识别，建立零件(5)在零件识别的双目系统(1)下的起始坐标系Ow1，获取零件起始位置特征向量Mw1；步骤三、标定获得零件识别的双目系统坐标系到机器人末端执行器坐标系的转换关系标定获得测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统到机器人末端执行器坐标系的转换关系步骤四、在零件抓取机器人控制器中读取机器人末端执行器坐标系到机器人基坐标系的下的转换关系计算获得零件起始坐标系到机器人基坐标系的转换关系为零件起始坐标系在机器人基坐标系下的坐标系为在机器人基坐标系下的特征向量为步骤五、标定获得舱体坐标系到装配平台的坐标系的转换关系步骤六、测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统(7)通过测量舱体装配平台(4)的标志点，获得标志点在双目系统坐标系Oc2下的坐标，从而计算出舱体装配平台坐标系Op到测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统坐标系Oc2的转换矩阵步骤七、获得舱体坐标系到在机器人基坐标系下的坐标系的转换关系为步骤八、获取零件(5)安装在舱体坐标系Oo下的目标位置坐标点坐标OW2(xw2，yw2，zw2)与目标位置特征向量Mw2；计算目标位置坐标在机器人基坐标系下的坐标为则目标位置特征向量Mw2在机器人基坐标系下的特征向量为步骤九、在零件抓取机器人控制器内输入零件起始位置点坐标特征向量和目标位置点坐标特征向量控制末端执行器通过零件识别的双目系统(1)从存放零件的物料托盘中定位并抓取零件(5)，通过测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统(7)的定位舱体(6)中零件安装的指定位置并将零件放置到指定位置。2.根据权利要求1所述面向自动装配的基于结构特征的零件坐标标定方法，其特征在于，零件识别的双目系统坐标系Oc1和测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统坐标系是以双目系统的光心作为坐标原点，其Z轴与双目视觉系统的光轴平行。3.根据权利要求2所述面向自动装配的基于结构特征的零件坐标标定方法，其特征在于，零件识别的双目系统与测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统是通过手眼标定方法与机器人末端执行器进行坐标系标定。4.根据权利要求2所述面向自动装配的基于结构特征的零件坐标标定方法，其特征在于，零件识别的双目系统标定方法为：4.1固定平面标定板，控制零件抓取机器人运动到一定位姿，双目视觉系统采集标定板图像；4...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新，杨志波，宋彰桓，辛红，李兰柱，
申请(专利权)人：航天材料及工艺研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11