一种面向机器人标准件安装的原位自适应测量方法及系统与流程

本发明属于复合材料机器人装配测量，尤其涉及一种面向机器人标准件安装的原位自适应测量方法及系统。

背景技术：

1、大尺寸复合材料凭借密度小、比强度高、耐腐蚀、成型可一体化的突出优势，近些年来在航空航天、舰船制造领域应用规模持续扩大。受复合材料固化成型工艺限制，工件脱模后在自身重力作用下会发生自然挠曲变形，工件装夹固定时，工装夹具的夹持载荷、生产现场环境温湿度变化带来的热胀冷缩作用，还会进一步加剧工件外形畸变，最终导致工件实际空间安放位姿、外形轮廓与原始设计的cad理论模型存在不可忽略的位置偏差，偏差范围普遍在零点几毫米至数毫米区间。

2、现阶段机器人标准件自动化装配方案，全部依托工件原始cad理论模型在仿真软件内离线规划机器人运动轨迹，预设深度相机测量点位与标准件压装点位，在工件完全无变形的理想工况下，预设路径能够精准对准标准件安装孔位，自动化装配效果稳定。但是当复合材料工件出现装夹形变后，机器人按照预设理论路径运行时，深度相机拍摄视野无法对准实际安装位置，后续标准件安装环节极易出现零件错装、漏装、安装深度不达标的各类装配缺陷，严重影响成品零部件装配质量，大批量生产工况下不良品返修工作量巨大。

3、目前为改善上述问题采用两种主流改良方案，第一种方案是采用高精度三维激光扫描仪对整台工件外表面进行全幅面扫描，依靠海量点云数据重构工件实际三维实体模型，基于重构后的实体模型重新规划机器人装配路径，该方案测量精度高，但大尺寸复合材料工件外形尺寸动辄数米乃至十余米，全幅扫描耗时极长，单次工件扫描用时往往达到数分钟甚至十几分钟，海量点云数据存储与模型重构对工控机硬件算力要求严苛，严重拖慢生产线流转节拍，无法满足流水线连续生产需求。第二种改良方案取消离线编程，依靠现场操作工手持示教器逐个点位手动标定机器人测量与安装位置，人工示教能够适配单件工件变形，但大批量生产过程中重复示教工作劳动强度大，装配点位定位精度受操作人员技术水平、疲劳状态影响波动较大，装配一致性难以管控，无法实现全流程无人化自动生产。

4、综上所述，现有改进方式分别存在测量效率低下、人工依赖度高的固有弊端，急需一种采集数据量小、修正速度快、自动化程度高的原位自适应测量方案，在不增加过多硬件投入的前提下，快速补偿大尺寸复合材料工件装夹变形带来的位置偏差。

技术实现思路

1、为解决现有大尺寸复合材料工件装夹变形后，离线规划的理论装配路径与工件实际型面不匹配、全幅面扫描路径修正效率偏低、人工示教生产成本高、装配精度稳定性差的问题，本发明提供一种面向机器人标准件安装的原位自适应测量方法及系统，本发明摒弃全工件大范围点云采集思路，仅选取工件两处预留基准工艺孔以及基准孔周边小范围局部型面作为数据采集对象，依靠少量实测数据完成工件实际坐标系重构，通过坐标系整体变换实现全路径统一修正，无需逐个点位人工微调，从源头适配复合材料工件各类形变工况，缩短路径调整周期，提升标准件自动化装配的合格率与生产效率；可用于航空复材产品等大尺寸零部件的紧固件、标准件自动化装配。所述技术方案如下：

2、第一方面，提供一种面向机器人标准件安装的原位自适应测量方法，包括：

3、s1、离线规划理论路径：基于复合材料机身壁板三维cad模型离线规划理论工件坐标系下的全部理论测量路径点位；

4、s2、采集原位三维点云数据，包括：相机坐标系下第一基准孔圆心的三维坐标、第二基准孔圆心的三维坐标，以及两处基准孔周边区域复合材料表面原始三维点云数据集合；

5、s3、将采集的相机坐标系下原位三维点云数据转换至机器人基坐标系；

6、s4、基于机器人基坐标系下原位三维点云数据构建实际工件坐标系，得到表征理论工件坐标系与实际工件坐标系的空间位置偏移关系的齐次变换矩阵：

7、s5、利用全部理论测量路径点位和齐次变换矩阵，得到机器人基坐标系下的全部实际测量路径点位；

8、s6、基于全部实际测量路径点位解算机器人位姿并完成自动测量装配。

9、其中，s1中，将复合材料机身壁板三维cad模型导入仿真软件，在仿真软件的理论工件坐标系中，根据图纸标准件分布位置离线规划理论工件坐标系下的全部理论测量路径点位，即得到理论路径，全部理论测量路径点位的表示形式为：，为第n个安装点位中心相对理论工件坐标系的4×4齐次变换矩阵，n为全部待装标准件数量，将理论路径数据存入机器人的控制单元。

10、其中，s2中，启动机器人，机器人自动运动至预设基准测量工位，使深度相机对准工件上两处基准孔，一次性拍摄采集相机坐标系下第一基准孔圆心的三维坐标、第二基准孔圆心的三维坐标，同时采集两处基准孔周边区域复合材料表面原始三维点云数据集合；采集完毕数据实时上传机器人的控制单元。

11、其中，s3具体包括：

12、s31、获取当前拍摄时刻自身六维实时位姿，解算得到机器人工具中心点tcp坐标系向机器人基坐标系的变换矩阵；六维实时位姿中的x，y，z分别为机器人末端位置相对于机器人基座的三维坐标；分别为机器人末端位置相对于机器人基座不同坐标轴的旋转角度；

13、s32、结合手眼标定得到的，通过矩阵连乘将相机坐标系下第一基准孔圆心的三维坐标、第二基准孔圆心的三维坐标转换至机器人基坐标系：

14、，

15、，

16、为第一基准孔圆心在机器人基坐标系下的三维坐标，为第二基准孔圆心在机器人基坐标系下的三维坐标；

17、s33、将相机坐标系下两处基准孔周边区域复合材料表面原始三维点云数据集合转换至机器人基坐标系：

18、，

19、为两处基准孔周边区域复合材料表面原始三维点云数据集合在机器人基坐标系下的三维坐标。

20、其中，s4具体包括：

21、（1）求解实际工件坐标系的x轴向量：利用第一基准孔圆心在机器人基坐标系下的三维坐标，以及第二基准孔圆心在机器人基坐标系下的三维坐标，做差值并单位化得到实际工件坐标系的x轴向量：

22、；

23、（2）求解实际工件坐标系的z轴向量：调用平面拟合函数对两处基准孔周边区域复合材料表面原始三维点云数据集合做最小二乘平面拟合，得到相机坐标系下的工件型面法向向量，经坐标变换，得到实际工件坐标系的z轴向量：；

24、（3）求解实际工件坐标系的y轴向量：；

25、（4）选用作为实际工件坐标系原点，基于x轴向量、y轴向量、z轴向量构建表征理论工件坐标系与实际工件坐标系的空间位置偏移关系的 4×4 齐次变换矩阵。

26、其中，s5中利用全部理论测量路径点位和齐次变换矩阵，得到机器人基坐标系下的全部实际测量路径点位；

27、其中，s6中利用位姿解析函数，将每一个4×4齐次变换矩阵逐一换算为机器人即将执行测量操作的六维运动位姿，生成连续运动位姿序列s；

28、之后，机器人依次运行至序列s内各个六维运动位姿，深度相机逐个完成标准件安装孔位原位测量，测量结束后末端执行器的标准件安装模块抓取螺钉下移，完成标准件压装固定，循环直至全部标准件装配完毕。

29、其中，设备正式投产之前完成深度相机与机器人工具中心点的手眼标定，确定深度相机与机器人工具中心点的位置变换关系矩阵。

30、第二方面，提供一种面向机器人标准件安装的原位自适应测量系统，执行第一方面任一所述的面向机器人标准件安装的原位自适应测量方法，所述系统包括机器人与末端执行器，末端执行器固定于机器人末端，末端执行器上设置有深度相机和标准件安装模块；

31、深度相机用于采集原位三维点云数据；

32、机器人的控制单元用于：将采集的相机坐标系下原位三维点云数据转换至机器人基坐标系；基于机器人基坐标系下原位三维点云数据构建实际工件坐标系，得到表征理论工件坐标系与实际工件坐标系的空间位置偏移关系的齐次变换矩阵；利用全部理论测量路径点位和齐次变换矩阵，得到机器人基坐标系下的全部实际测量路径点位；基于全部实际测量路径点位解算机器人位姿；

33、机器人依次运行至位姿序列内各六维运动位姿，深度相机逐个完成标准件安装孔位原位测量，测量结束后末端执行器的标准件安装模块抓取螺钉下移，完成标准件压装固定，循环直至全部标准件装配完毕。

34、本发明的有益效果至少在于：

35、1、本发明仅采集两处基准孔点位与周边局部型面点云，摒弃传统全工件大范围扫描模式，数据采集量大幅度缩减，单次基准数据采集十几秒即可完成，路径自动修正耗时短，显著提升产线流转效率，适配大批量连续自动化生产；

36、2、依托坐标齐次变换实现全部理论路径一次性整体修正，全程自动化运算，完全省去人工逐点位示教调试工序，消除人为操作带来的定位误差，提升批量产品装配一致性；

37、3、末端执行器集成深度相机测量单元与标准件压装单元，同一工装结构兼顾数据检测与零件装配功能，不用频繁更换工装夹具，简化现场设备布局，降低产线设备改造成本；

38、4、通过坐标系变换精准补偿复合材料工件自重、装夹带来的外形变形，从机器人运动路径源头规避标准件错装、漏装、装配干涉等缺陷，有效提升大尺寸复合材料零部件一次装配合格率，减少后期返修成本。