[发明专利]具有远近视距引导的机械臂多工位精确对准方法

说明书

本发明公开一种具有远近视距引导的机械臂多工位精确对准方法，首先构造具有远近视距的两目视觉配置，并与机械臂构成Eye‑in‑Hand视觉反馈系统；然后标定两目视觉的内外参数和手眼关系变换矩阵；通过离线先验局部对准方式，建立各工位的任务表；提出了三阶段对准策略，即多工位作业起始位姿获取、全局相机的初定位和局域相机的精对准，使得机械臂能在多个工位下实现末端工具与目标的精确对准。本发明提升了机械臂系统对环境的感知能力，大大提高对准的精度。

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，具体涉及一种具有远近视距引导的机械臂多工位精确对准方法。

背景技术

在航空航天领域，机械臂常用于自动钻铆系统中的送钉和插钉、孔轴零件的装配和空间在轨服务等。在大多数情况下，机械臂只能按部就班地执行事先规划好的动作，对于任务环境中发生的变化，无法自适应地作出调整。这种工作模式缺乏灵活性，尤其是在复杂的工业现场，未知的环境变化时有发生，这会严重影响到机械臂的工作效率和精度。

为提高机械臂工作的稳定性和灵活性，基于视觉的机械臂测量系统受到研究人员的广泛关注，视觉传感器因其精度高、成本低和适应性好等特点成为辅助机械臂完成定位、装配等工作的重要手段之一。德国Fraunhofer研究所将双目系统集成到铣削机器人上，在铣刀主轴上安装反光靶点，通过双目系统测量靶点位姿来反映铣刀主轴的偏差，然后对铣刀主轴的移动量进行反馈补偿，提高机器人运动轨迹的精度，铣削机器人已经成功应用于空客A350翼面的修配工作中。现有技术中，针对自动钻孔和铆接问题，搭建了一套配备单相机和激光指示器的机械臂系统，将激光点作为视觉特征，以此来估计机械臂末端执行器与孔位的位姿关系，通过设计具有自适应控制增益的控制器来补偿系统的不确定性，最终实现末端执行器与孔位的对齐。此外，针对轴承、法兰等圆形金属零件的抓取问题，提出了一种基于锥体退化理论和单目视觉的椭圆特征位姿测量方法，在获取零件位姿数据后由视觉伺服方法控制机械臂抓取零件。

机械臂视觉系统在执行跟踪、对接或抓取操作时，借助合作靶标进行定位和位姿测量是一种常见的解决方案，即事先在目标上设计一种尺寸、形状已知的几何图形，视觉系统通过观测该图形获得目标的位姿信息，然后把位姿反馈给机械臂驱动末端执行器对准目标。基于单目视觉的机械臂末端对准技术，通过识别和测量工件孔位附近的圆形阵列靶标，最终达到孔轴对准效果，前提条件是孔位与阵列靶标之间的位姿关系已知。十字型合作靶标，通过对靶标的识别和定位实施零件抓取动作。复杂的太空桁架结构为例，一套靶标系统用于桁架编码，提前进行装配信息定义，为后续开展智能装配提供数据库信息支持。合作靶标应用之广，常用的靶标图案一般都是由圆点、直线和圆环组合而成，合理的图案设计和准确鲁棒的识别算法为提高位姿估计精度提供保障。

目前，基于视觉的机械臂测量技术主要运用在单个工件的近距离测量工作中，当机械臂需要在多个工位间移动、对多目标执行对准操作时，机械臂往往需要从较远距离开始工作，这使得系统工作环境的横向空间跨度变大，纵向距离变长。在机械臂由远及近的移动过程中，相机在某些距离段会出现失焦、离焦现象，导致位姿测量精度降低，甚至装配任务失败。针对此类问题，研究了变焦相机在机械臂视觉引导工作中的应用，变焦相机在机械臂移动过程中能对目标进行清晰成像，但目前变焦相机存在标定难度大、测量精度低、灵活性差等特点，极大限制了其在工业现场的应用。针对大尺寸工件的机械臂装配问题，基于多传感器的自动对准策略，将机械臂末端工具与目标工件的对准过程划分为远距离粗对准和近距离精对准两个阶段，但由于使用了多种传感器，增加了系统复杂度和数据处理难度。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种高精度的具有远近视距引导的机械臂多工位精确对准方法，

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种具有远近视距引导的机械臂多工位精确对准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：首先构造具有远近视距的两目视觉配置，并与机械臂构成Eye-in-Hand视觉反馈系统；