一种大型构件的机器人初始寻位系统及方法

1.本发明涉及机器人初始寻位技术领域，具体涉及一种大型构件的机器人初始寻位系统及方法。


背景技术：

2.目前，在大型工程机械、船舶等行业中，涉及许多大型构件的加工制造。在大型构件的生产过程中，往往应用机器人来进行焊接、抓取等操作，但是，由于大型构件难以移动且结构复杂，若大型构件摆放位置出现偏差，则机器人不可避免的会出现工作上的误差，并且，因为大型构件体积较大，人工移动到正确位置上比较困难，且人工移动大型构件也会出现误差，因此，使用机器人对大型构件进行加工时，大型构件的初始寻位一直是这一领域的难点。
3.在大型构件的生产过程中，机器人的初始寻位多使用的是机器人“示教-再现”的方式，但是，这种类型的初始寻位对示教轨迹偏差没有适应性，同时，实际生产中的工况复杂多变，大型构件摆放位置偏移并不能及时更正；传统的构件寻位机器人沿规定位置移动进行寻位，多用于工件较小的场景，而大构件长度动辄几十米，机器人移动进行寻位速度过慢，效率低下；视觉传感技术应用于机器人寻位中，但常常会因为复杂的现场而识别不稳定、工件过大以及成本高，不满足实际应用。
4.因此，目前使用机器人进行加工前的寻位，对大型构件进行寻位时，效率较低，不能满足实际需求。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大型构件的机器人初始寻位系统及方法，以解决现有技术中对大型构件进行寻位时，效率较低，不能满足实际需求的问题。
6.根据本发明实施例的第一方面，提供一种大型构件的机器人初始寻位系统，包括：
7.测距模块，用于检测预先设置在大型构件上的标志物并生成实际标识信息，所述标志物的数量至少为三个；
8.处理模块，用于与测距模块建立通讯，采集测距模块检测到的实际标志信息；还用于根据实际标识信息与预存的工位坐标系及预设标志信息，计算得出偏移数据，并将所述偏移数据发送至执行模块，以使所述执行模块根据所述偏移数据控制机器人进行初始寻位。
9.优选的，所述测距模块，至少包括：
10.四组测距装置，每组测距装置均包括激光测距传感器、移动导轨、移动小车，其中，
11.移动导轨呈长方形设置；所述移动小车设置在对应的移动导轨上；所述激光测距传感器设置在对应的移动小车上，以使所述移动小车按照移动导轨行动时，所述激光测距传感器能够检测到所述标志物。
12.优选的，所述处理模块，至少包括：
13.工控机，及，与所述工控机相连的数据采集卡；
14.所述数据采集卡用于与所述激光测距传感器通讯连接，接收所述实际标志信息；
15.所述工控机内预存有工位坐标系及预设标志信息，用于根据实际标志信息与所述预设标志信息，计算得出所述偏移数据。
16.优选的，所述执行模块，至少包括：
17.控制柜，与所述工控机相连，与所述机器人通讯连接；
18.所述控制柜用于根据所述偏移数据及预设程序，控制所述机器人进行初始寻位。
19.根据本发明实施例的第二方面，提供一种大型构件的机器人初始寻位方法，包括：
20.检测预先设置在大型构件上的标志物并生成实际标识信息；
21.读取预存的工位坐标系及预设标志信息；
22.根据实际标志信息与所述预设标志信息，计算得出偏移数据；
23.将所述偏移数据发送至执行模块，以使所述执行模块根据所述偏移数据及预设程序，控制机器人进行初始寻位。
24.优选的，所述计算得出偏移数据，包括：
25.根据所述实际标识信息和所述预设标志信息，将所述工位坐标系转换为工件坐标系，并生成与所述标志物数量相同的工件坐标；
26.建立与所述工位坐标系重合的测量坐标系，并得出所述工件坐标在所述测量坐标系下的测量坐标；
27.根据测量坐标与所述工件坐标，得出所述测量坐标系与所述工件坐标系的偏移数据。
28.优选的，所述的方法，还包括：
29.当检测到大型构件上的标志物数量少于预设标志信息中的标志物数量时，发出设备异常的提示。
30.优选的，所述的方法，还包括：
31.所述机器人系统中预设有通过离线编程技术内置的大型构件的加工程序。
32.本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
33.可以理解的是，本发明提供的技术方案，通过测距模块检测预先设置在大型构件上的标志物并生成实际标识信息，通过处理模块，计算得出偏移数据，并将所述偏移数据发送至执行模块，以使所述执行模块根据所述偏移数据控制机器人进行初始寻位，因此，本发明实现了通过测距模块测得放置在构件上的标志物的距离，根据构件相对于自身坐标系位置不变的原理，求得大型构件的偏移数据，便可使机器人根据偏移数据知其实际位置，从而达到大型构件机器人快速初始寻位的目的。
34.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
35.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
36.图1是根据一示例性实施例示出的一种大型构件的机器人初始寻位系统示意框
图；
37.图2是根据一示例性实施例示出的一种大型构件的机器人初始寻位系统立体结构示意图；
38.图3是根据一示例性实施例示出的一种大型构件的机器人初始寻位方法步骤示意图；
39.图4是根据一示例性实施例示出的一种坐标转换示意图。
具体实施方式
40.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
41.实施例一
42.图1是根据一示例性实施例示出的一种大型构件的机器人初始寻位系统示意框图，如图1所示，一种大型构件的机器人初始寻位系统，包括：
43.测距模块101，用于检测预先设置在大型构件上的标志物并生成实际标识信息，所述标志物的数量至少为三个；
44.处理模块102，用于与测距模块101建立通讯，采集测距模块101检测到的实际标志信息；还用于根据实际标识信息与预存的工位坐标系及预设标志信息，计算得出偏移数据，并将所述偏移数据发送至执行模块103，以使所述执行模块103根据所述偏移数据控制机器人进行初始寻位。
45.在具体实践中，大型构件放置于加工工位范围内，不可避免的会出现偏差，因为这种偏差的出现，会导致机器人在进行大型构件的加工之前，需要先进行初始寻位的工作。通过本实施例提供的大型构件的机器人初始寻位系统，能够做到快速的控制机器人进行初始寻位。首先，在大型构件上设置标志物，需要至少设置三处标志物(该三处标志物不在同一直线上)，通过测距模块101对设置在大型构件四周的标志物进行采集，并生成实际标识信息，之后，处理模块102通过远程通讯，从所述测距模块101中采集到所述实际标识信息，并且，处理模块102中，预设有该类型的大型构件的工位坐标系(工位坐标系为该大型构件无偏差的放置于加工区内时对应建立的坐标系)，以及预设标志信息(预设标志信息为该大型构件无偏差的放置于加工区内时，测距模块101采集其上设置的标志物并生成的预设标志信息)，并通过计算，得出大型构件相对于工位坐标系的偏差数据，并将该偏差数据发送至执行模块103中，执行模块103中预存有预设程序，能够根据该偏差数据，控制机器人进行初始寻位。
46.优选的，可以设置较多数量的标志物，标志物在大型构件四周设置的数量越多，越分散，则最终计算得出的偏移数据越准确。
47.可以理解的是，本发明提供的技术方案，通过测距模块检测预先设置在大型构件上的标志物并生成实际标识信息，通过处理模块，计算得出偏移数据，并将所述偏移数据发送至执行模块，以使所述执行模块根据所述偏移数据控制机器人进行初始寻位，因此，本发明实现了通过测距模块测得放置在构件上的标志物的距离，根据构件相对于自身坐标系位
置不变的原理，求得大型构件的偏移数据，便可使机器人根据偏移数据知其实际位置，从而达到大型构件机器人快速初始寻位的目的。
48.图2是根据一示例性实施例示出的一种大型构件的机器人初始寻位系统立体结构示意图，请参阅图2，首先对图2中的标号进行说明：1-激光测距传感器(1)；2-移动小车(1)；3-移动导轨；4-激光测距传感器(2)；5-移动小车(2)；6-移动小车(3)；7-激光测距传感器(3)；8-标志物；9-大型构件；10-机器人；11-移动小车(4)；12-激光测距传感器(4)；13-工控机；14-数据采集卡；15-控制柜；
49.需要说明的是，所述测距模块101，至少包括：
50.四组测距装置，每组测距装置均包括激光测距传感器、移动导轨、移动小车，其中，
51.第一组测距装置：激光测距传感器1、移动小车2、移动导轨3；第二组测距装置：激光测距传感器4、移动小车5、移动导轨3；第三组测距装置：激光测距传感器7、移动小车6、移动导轨3；第四组测距装置：激光测距传感器12、移动小车11、移动导轨3；
52.移动导轨3呈长方形设置；所述移动小车设置在对应的移动导轨上；所述激光测距传感器设置在对应的移动小车上，以使所述移动小车按照移动导轨行动时，所述激光测距传感器能够检测到所述标志物8。
53.优选的，所述移动导轨3可拆分为四根，每根之间互相垂直，用于为移动小车提供移动轨道，以使移动小车载着激光测距传感器沿移动导轨3移动。
54.需要说明的是，所述处理模块102，至少包括：
55.工控机13，及，与所述工控机13相连的数据采集卡14；
56.所述数据采集卡14用于与所述全部的激光测距传感器通讯连接，接收所述实际标志信息；
57.所述工控机13内预存有工位坐标系及预设标志信息，用于根据实际标志信息与所述预设标志信息，计算得出所述偏移数据。
58.需要说明的是，所述执行模块103，至少包括：
59.控制柜15，与所述工控机13相连，与所述机器人10通讯连接；
60.所述控制柜15用于根据所述偏移数据及预设程序，控制所述机器人13进行初始寻位。
61.实施例二
62.图3是根据一示例性实施例示出的一种大型构件的机器人初始寻位方法步骤示意图，请参阅图3，一种大型构件的机器人初始寻位方法，包括：
63.步骤s11、检测预先设置在大型构件上的标志物并生成实际标识信息；
64.步骤s12、读取预存的工位坐标系及预设标志信息；
65.步骤s13、根据实际标志信息与所述预设标志信息，计算得出偏移数据；
66.步骤s14、将所述偏移数据发送至执行模块，以使所述执行模块根据所述偏移数据及预设程序，控制机器人进行初始寻位。
67.可以理解的是，本发明提供的技术方案，通过测距模块检测预先设置在大型构件上的标志物并生成实际标识信息，通过处理模块，计算得出偏移数据，并将所述偏移数据发送至执行模块，以使所述执行模块根据所述偏移数据控制机器人进行初始寻位，因此，本发明实现了通过测距模块测得放置在构件上的标志物的距离，根据构件相对于自身坐标系位
置不变的原理，求得大型构件的偏移数据，便可使机器人根据偏移数据知其实际位置，从而达到大型构件机器人快速初始寻位的目的。
68.图4是根据一示例性实施例示出的一种坐标转换示意图，请参阅图4，图4中20区域为大型构件无偏差放置的区域，30区域为大型构件实际放置的区域，a、b、c、d四个点为在该实施例中，标志物设置的点位。
69.需要说明的是，所述计算得出偏移数据，包括：
70.根据所述实际标识信息和所述预设标志信息，将所述工位坐标系转换为工件坐标系，并生成与所述标志物数量相同的工件坐标；
71.建立与所述工位坐标系重合的测量坐标系，并得出所述工件坐标在所述测量坐标系下的测量坐标；
72.根据测量坐标与所述工件坐标，得出所述测量坐标系与所述工件坐标系的偏移数据。
73.在具体实践中，例如，在所述系统中预存有工位坐标系，并且，预存有工位坐标系中对应的标志物对应的点位，即20区域的四角所在的点位，以及，该点位对应的坐标信息，采集到实际标识信息a、b、c、d四点后，根据实际标识信息与预设标识信息，能够将所述工位坐标系20转换为工件坐标系，并在工件坐标系中标出a、b、c、d四点的坐标值。例如，所述工位坐标系20区域左下角对应a点，在工位坐标系中，假设该点的坐标值为(10，10)，则在工件坐标系中，a点的坐标值同样为(10，10)。
74.之后，建立与所述工位坐标系重合的测量坐标系，并将a、b、c、d四点映射到测量坐标系中，得出a、b、c、d四点在测量坐标系下的坐标值，进而根据根据测量坐标与所述工件坐标，能够计算出测量坐标系与所述工件坐标系的偏移数据。
75.具体的，计算偏移数据的具体步骤如下所示：
76.测量坐标系与工件坐标系之间的关系可以由旋转矩阵r和平移向量t来表示：xa＝rxb t，其中xa表示标志物对应的点在工件坐标系下的坐标，r表示绕z轴旋转的坐标转换矩阵，xb表示标志物对应的点在测量坐标系下的坐标，t表示测量坐标系相对工件坐标系的平移向量。
77.已知坐标的工件坐标系坐标值x
ai
和经过测量得到的测量坐标系坐标值x
bi
，通过计算，最终得到最优的旋转矩阵r和平移向量t。
78.在不考虑其他条件下，初始寻位参数的求解问题即为求解式x
ai
＝rx
bi
t i＝1,2,3
…
n的最优解的问题。
79.当标志点数目足够多时，问题转换为求解上式超定方程组的最小二乘解，可使下式获得最小值：
[0080][0081]
假设两组点的重心重合，设两组点的重心坐标分别为fa和fb，即：
[0082][0083]
设每个待测标志点与该点所在点组的重心的差值分别为c
ai
与c
bi
，即：
[0084]cai
＝x
ai-fa,c
bi
＝x
bi-fb,
[0085]
则目标函数为：
[0086][0087]
在坐标变换后重心重合的假设下，有fa＝(rfb t)，因此上式可化简为：
[0088][0089]
求解上式的最小值即为求解最大值的问题，可以证明：
[0090][0091]
其中对矩阵h进行奇异值分解：
[0092]
h＝uλv
t
[0093]
其中u和v均为三阶正交单位矩阵，λ为对角阵，则最优旋转矩阵为：
[0094]
r＝vu
t
[0095]
根据式xa＝rxb t得到坐标转换的平移矩阵t，求解平移向量：
[0096]
t＝x
a-rxb[0097]
将所得矩阵反求得到的欧拉角，才是机器人实际需要的参数，设：
[0098][0099]
可以求得坐标系旋转角度α＝arcsin r
21
[0100]
假设可以求得坐标系偏移距离t
x
＝a,ty＝b。
[0101]
通过上面的方法，测量的坐标数据就可以转化为实际需要的最优的便宜数据：坐标系旋转角度α和偏移距离t
x
、ty，将偏移数据传输给机器人，机器人便可根据实际数据调整工作路径，这样就完成大构件初始寻位。
[0102]
需要说明的是，所述的方法，还包括：
[0103]
当检测到大型构件上的标志物数量少于预设标志信息中的标志物数量时，发出设备异常的提示。
[0104]
可以理解的是，在具体实践中，若出现检测到大型构件上的标志物数量少于预设标志信息中的标志物数量时，则说明设置的标志物出现故障，此时，可发出设备异常的提示，提醒工作人员出现异常。
[0105]
需要说明的是，所述的方法，还包括：
[0106]
所述机器人系统中预设有通过离线编程技术内置的大型构件的加工程序。
[0107]
可以理解的是，本发明提供的技术方案，通过测距模块检测预先设置在大型构件上的标志物并生成实际标识信息，通过处理模块，计算得出偏移数据，并将所述偏移数据发送至执行模块，以使所述执行模块根据所述偏移数据控制机器人进行初始寻位，因此，本发
明实现了通过测距模块测得放置在构件上的标志物的距离，根据构件相对于自身坐标系位置不变的原理，求得大型构件的偏移数据，便可使机器人根据偏移数据知其实际位置，从而达到大型构件机器人快速初始寻位的目的。
[0108]
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
[0109]
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
[0110]
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0111]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0112]
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
[0113]
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
[0114]
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0115]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0116]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。