光学定位用于机器人操作的工件的设备和方法技术

机器人臂末端执行器上的相机用于通过连续测量附连到工件的目标与其预期位置之间的偏移来定位相对于末端执行器坐标系的旋转和平移的工件坐标系变换。目标反射来自由光束源提供的光束的能量。分束器用于将光束与相机的视线对准。

Apparatus and method for optically locating workpieces for robot operation

The robot arm end effector camera used by continuous measurement attached to the offset between the workpiece and the expected target position relative to the workpiece coordinate transformation to locate the end effector coordinate rotation and translation. The target reflects the energy of the beam provided by the free beam source. The beam splitter is used to align the beam with the camera's line of sight.

【技术实现步骤摘要】
光学定位用于机器人操作的工件的设备和方法
本公开总体上涉及机器人制造操作，并且更具体地涉及在制造操作期间识别工件坐标系相对于机器人坐标系的旋转和平移的变换。
技术介绍
飞行器制造过程依赖于机械固定装置来保持正在被组装的工件，并且依赖于技工来将在工件上执行制造操作的工具对准。逐渐地，带有工具的机器人用于执行先前需要这种手动对准操作的制造功能。然而，机器人工作操作的准确性依赖于知道工件相对于机器人及其相关联的一个或多个工具的放置。可以由机器人操作者使用安装在工具上的相机定位特定特征部诸如孔或基准标记来对准工具。通常，在手动干预的帮助下，使用数控程序命令，使相机非常缓慢地靠近工件放置，以便相对于杂乱的背景准确地配准小特征部。然而，必须防止其上定位有相机的机器人臂意外地接触工件，或者对相机、机器人臂或工件中的任何一个或全部的损坏的风险。这种紧密接近放置可涉及机械探针或光学传感器的使用，以及操作者的耗时的视觉检查。当半自主地识别了足够的特征部以在三维旋转和平移中导出工件坐标系时，工件能够配准到机器人的坐标系，并且操作者能够开始完全自主的机器人组装操作，诸如切割、钻孔、紧固或焊接。上述半自主对准操作是劳动密集型的，并且能够给制造操作周期增加10分钟或更长时间。除了工件特征部的机器视觉测量通常所依赖的末端执行器相机之外，3D定位装置诸如激光测距设备或激光投影仪是大且昂贵的，并且引入它们自己的后校准残余偏移误差。
技术实现思路
在本公开的方面，相对于机器的末端执行器定位工件的方法包括利用反射元件识别工件上的点，在联接到末端执行器的相机的成像器处接收包括从反射元件接收的光的光束，以及识别在成像器处从反射元件接收的光的质心。该方法也包括确定质心距从反射元件接收的光的质心的预测位置的偏移，以及使用该偏移确定工件相对于末端执行器的实际位置。在本公开的另一方面，一种用于相对于工件定向机器人臂的末端执行器的系统包括附接到末端执行器的相机。该相机具有在相机的透镜与相机中的成像器之间形成的视线。该系统也包括附接到末端执行器的光束源，该光束源投影光束；以及分束器，其将来自光束源的光束与相机的视线对准。该系统进一步包括控制器，其基于来自工件上的多个位置中的每一个的成像器上的返回光的相应质心，使用从所述多个位置反射的光束的返回光来计算从末端执行器坐标系到工件坐标系的变换。在本公开的又一方面，一种适合用于确定工件的位置的末端执行器包括附接到机器人臂的框架、用在制造操作中联接到框架的作业工具以及联接到框架的相机，该相机具有沿相机的视线对准的透镜和成像器。末端执行器也包括产生光束的光束子组件以及具有至少一个反射器的分束器，所述至少一个反射器沿相机的视线对准光束，并且允许光束的反射的至少一部分传递到成像器。已经讨论的特征、功能和优点能够在各种实施例中独立地实现或者可以在其他实施例中组合，其进一步的细节能够参考下面的描述和附图而见到。附图说明为了更完整地理解所公开的方法和设备，应当参考根据附图更详细地说明的实施例，在附图中：图1是示出根据本公开的工件和机器人的透视图；图2是图1的工件的进一步的图示；图3是另一个工件和机器人的透视图；图4是工作环境中的末端执行器的成像组件的图示；图5是工件和机器人的替代实施例的图示；图6是工作环境中的末端执行器的替代实施例；图7是图4的成像组件的相机的成像器处的反射光的质心的图示；图8是机器人臂和末端执行器相对于两个反射器的顶视图；以及图9是根据本公开的由光学定位用于机器人操作的工件的一个实施例执行的操作的图示。应当理解，附图不一定按比例绘制，并且所公开的实施例有时以图解的方式和以局部视图的方式进行说明。在某些情况下，可省略对于理解所公开的方法和设备不必要的或使得其他细节难以察觉的细节。当然，应当理解，本公开不限于本文所示的特定实施例。具体实施方式机器人制造操作的元素之一是机器人或更精确地机器人的末端执行器将以非常精确且可重复的方式沿着固定的空间轨迹操作。因此，工件在三维旋转和平移中相对于机器人的坐标系的位置对于成功的自主制造操作是重要的。在一些制造环境中，这种放置的误差容限会在三个维度中的每一个中均小于百分之一或甚至千分之一英寸。如上所述，工件坐标系相对于机器人的坐标系的确定可使用基准标记或其他参考点，诸如拐角，其能够使用末端执行器上的相机来识别。然而，通常这种相机在宏观水平上操作并且被放置得非常靠近基准标记或参考点，以便使用机器视觉检测和提取算法来针对杂乱的背景图像光学地辨别工件特征部。考虑到机器人与具有大的位置不确定性的工件的接近操作，通常需要手动操作者干预以防止意外的机器人与工件的碰撞。这经常需要操作者将相机移动到精确的特征部位置或使用机械探针(feeler)，以防止相机或末端执行器与工件无意的物理接触。一旦以合理的精度知道工件的主体姿态，机器人可以高精度高速地执行后续操作。以下讨论公开了用于使用从与工件相关联的已知点反射的光来确定工件相对于末端执行器坐标系的坐标系的系统和方法。现在转到附图，图1是诸如可以在制造操作中采用的工件100的图示。工件100可以是单个元件，或者可以是如图1所示的子组件。工件100可包括设置在精确已知的位置处的孔106、108、110、112，例如作为先前制造操作的一部分。孔106、108、110、112可以在先前的制造操作步骤中产生，在所述步骤中，工件100已经处于已知的位置。机器人臂102可具有末端执行器104，并且在图1所示的应用中，可具有工具105。末端执行器104还可包括相机组件，下面参照图4更详细地讨论该相机组件。图2示出一个或多个反射器120、122、124、126在工件100上的放置。反射器120、122、124、126中的每个可具有相应的安装柱121，其允许反射器120、122、124、126准确地但可移除地设置在工件100上。反射器120、122、124、126被设计成在被照射时提供漫射的高反射率、高对比度图像，如下面更详细讨论的。合适的反射器可商购自例如新罕布什尔州伦敦德里的激光投影技术公司(LaserProjectionTechnologiesInc.ofLondonderry，NewHampshire)。在图3中示出反射器120、122、124、126的使用的替代方案，其中，代替反射器120、122、124、126，由吸收环包围的反射涂料点130-138可以设置在工件100上的各个点处。反射涂料点130-138可提供漫反射表面。吸收环可以吸收与涂料点相邻的大多数入射光。反射点周围的吸收环产生高对比度辐射对象。反射涂料点130-138和吸收环也可以例如通过在先前的制造操作中的机器人准确地放置在工件100上。图4示出用于光学定位用于机器人操作的工件的成像组件160的实施例。成像组件160可附连到末端执行器104，使得其在末端执行器104内并且相应地与工具105的物理关系被准确地知道。成像组件160可包括光束子组件162和成像器子组件164。光束子组件162可包括光束源166、光束扩展器168和平面镜170。在一个实施例中，光束源166可以是产生窄带偏振光束186的激光器。光束扩展器168将光束源166的输出加宽到期望的直径187。例如，如果工件100的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种确定从机器的末端执行器(104)的末端执行器坐标系到工件(100)的坐标系的坐标系变换的方法，所述方法包括：识别(202)所述工件上的点；在联接到所述末端执行器的相机(172)的成像器(176)处接收(204)包括接收来自所述识别的点的光的光束(192)；识别(206)在所述成像器处接收来自所述识别的点中的每一个的所述光的相应质心(198)；确定(208)每个相应质心距接收自所述识别的点中的所述每一个的所述光的所述相应质心的预测位置(194)的偏移；以及使用(214)所述偏移，确定(214)所述工件的所述坐标系相对于所述末端执行器坐标系的旋转和平移的所述坐标系变换。

【技术特征摘要】
2016.01.22 US 15/004,4591.一种确定从机器的末端执行器(104)的末端执行器坐标系到工件(100)的坐标系的坐标系变换的方法，所述方法包括：识别(202)所述工件上的点；在联接到所述末端执行器的相机(172)的成像器(176)处接收(204)包括接收来自所述识别的点的光的光束(192)；识别(206)在所述成像器处接收来自所述识别的点中的每一个的所述光的相应质心(198)；确定(208)每个相应质心距接收自所述识别的点中的所述每一个的所述光的所述相应质心的预测位置(194)的偏移；以及使用(214)所述偏移，确定(214)所述工件的所述坐标系相对于所述末端执行器坐标系的旋转和平移的所述坐标系变换。2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述相机(172)的所述成像器(176)处接收(204)包括接收自所述识别的点的所述光的所述光束(192)进一步包括在所述成像器的焦平面(178)处接收所述光束，其中所述方法进一步包括：围绕所述成像器的所述焦平面的质心(198)旋转所述末端执行器(104)，以接收来自所述工件(100)上的所述识别的点中的每一个的所述光束。3.根据权利要求1所述的方法，其中识别(206)所述工件上的所述点包括利用相应反射元件(120)识别所述工件上的所述点中的每一个。4.根据权利要求3所述的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·A·赫尔，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国,US