一种机器人协同的非接触式高精度大型工件跟踪测量方法

摘要

本发明提供一种机器人协同的非接触式高精度大型工件跟踪测量方法，主要步骤如下：将反射球球心、传感器激光发射线方向保持在机器人末端的控制点为原点的末端旋转轴线上，在测量前及测量过程中对测量系统进行标定、评估及校准，测量中实时获取激光跟踪仪、机器人和测距传感器的读数，通过相关算法得到工件表面测点的实际空间坐标值。本发明将机器人技术结合于测量中，并通过各组件特定安装、同步数据获取及对测量系统的验证的一系列测量方法，减少了机器人带来的误差，提高了测量精度。该种测量方法有效地解决了表面易划伤的大型形面的非接触式高精度测量问题，达到便捷、高效、高精度、测量系统柔性目的。

说明书

技术领域

本发明涉及面向表面易划伤大型工件形面的测量方法，特别是涉及一种机器人协同的非接触式高精度大型工件跟踪测量方法。

背景技术

随着制造业的发展，所用材质多样，对产品的测量要求也随之提高，然而，对于表面易变形、易划伤的大型高精度工件来说不适用接触式的测量方法，然而，一般的非接触式测量方法目前精度有限，达不到高精度测量要求。同时，为了提高效率和提高自动化程度，机器人也成为普遍使用的测量辅助工具，用于测量仪器的握持和移动。机器人有时也会直接参与精度要求不高的测量。总之，如何有效地将这些技术集成在一起解决表面易划伤大型工件的高精度测量是本发明的关键技术。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种机器人协同的非接触式高精度大型工件跟踪测量方法，该方法能实现自动化检测，具有高效率、高精度、高柔性、高可靠性等特点，适用各类高精度形面，特别是大型且表面易划伤工件的非接触式的高精度测量场合。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案如下：

一种机器人协同的非接触式高精度大型工件跟踪测量方法，主要操作步骤如下：

步骤1：将激光跟踪仪的反射球放置在机器人末端所安装的测量支架上，激光跟踪仪的反射球球心应尽量放置在过机器人末端控制点的末端法矢方向上，即末端的旋转轴上，同时机器人末端控制点与反射球球心之间距离尽量长；

步骤2：在测量支架前端放置高精度激光测距传感器，该传感器的测量方向应尽量在过机器人末端控制点的末端法矢方向上，即末端的旋转轴上；

步骤3：标定和校准测量系统，确定测量系统的实际结构参数，包括机器人末端控制点、激光跟踪仪的反射球球心、高精度激光测距传感器测量原点和其测量方向，以及这三者之间的空间方位关系，即三者应在过机器人末端控制点的末端法矢方向上，即机器人末端的旋转轴上，标定后获得机器人末端控制点(X_机，Y_机，Z_机)到激光跟踪仪的反射球球心(X_激，Y_激，Z_激)的距离L_机-激、激光跟踪仪的反射球球心(X_激，Y_激，Z_激)到高精度激光测距传感器测量原点(X_传，Y_传，Z_传)的距离L_激-传；最后评估算整个测量系统的测量不确定度；

步骤4：通过激光跟踪仪测量机器人的多点运动位置，构建测量坐标系，即将机器人的控制坐标系与激光跟踪仪的测量坐标系关联起来；

步骤5：在工件表面测点获取操作中，通过机器人控制点、激光跟踪仪，包括反射球球心和高精度激光测距传感器的同步读数，测得工件表面实测点坐标(X_测，Y_测，Z_测)，并将其与被测对象的CAD模型比较，得到工件表面测点的误差值(△)及误差各分量值(△_X、△_Y、△_Z)。

所述步骤三中标定和校准的具体方法如下：

步骤3.1：反射球方位校准与标定：测量支架安装在机器人末端，将激光跟踪仪的反射球装在测量支架上，回转机器人末端，并对激光跟踪仪的反射球球心径向跳动值进行检测，通过调整以保证激光跟踪的反射球球心在过机器人末端控制点的末端法矢方向上，即末端的旋转轴上；

步骤3.2：L_机-激距离校准与标定：以机器人末端控制点为球心转动测量支架，并将获取的激光跟踪仪的反射球球心的空间位置点群来拟合球要素并得到球半径，得到机器人末端控制点与反射球球心的距离L_机-激；

步骤3.3：传感器方位校准与标定：设置一端面垂直于机器人末端旋转轴的高精度线性位移装置，通过放置在机器人末端测量支架上的激光测距传感器对该端面测量来调整激光测距传感器的测量方向与机器人末端旋转轴同轴，当激光测距传感器的测量值与线性位移装置的位移值一样时，即判定其与末端的旋转轴同方向；然后将线性位移装置与末端的旋转轴设置为一个角度，并回转机器人未端，当激光测距传感器的读数不变时，判定其在旋转轴同方向上；

步骤3.4：L_激-传距离校准与标定：分别用激光跟踪仪及装有激光跟踪的反射球和传感器的测量支架，对同一垂直于机器人测量方向的标定平面进行测量，分别获取测量支架上激光跟踪仪反射球球心值(X_跟，Y_跟，Z_跟)、激光跟踪仪在该平面上的测量点位置(X_标，Y_标，Z_标)，以及测距传感器的读数L_标，计算得到测量支架上激光跟踪仪的反射球球心与激光测距传感器测量原点的距离L_激-传，具体公式如下：

其中：A＝X_跟-X_标

B＝Y_跟-Y_标

C＝Z_跟-Z_标

L_标＝传感器的读数。

所述步骤五的具体操作如下：

步骤5.1：测点获取操作：在工件测量坐标系中，读取机器人控制点坐标(X_机，Y_机，Z_机)、激光跟踪仪的反射球球心坐标(X_激，Y_激，Z_激)，以及激光测距传感器测得的距离值L_传；由机器人控制点坐标(X_机，Y_机，Z_机)和激光跟踪仪反射球球心坐标(X_激，Y_激，Z_激)，计算实测时的测量矢量方向，即测量矢量方向分别于坐标系X方向夹角α、坐标系Y方向夹角β、坐标系Z方向夹角γ，用方向余弦cosα、cosβ、cosγ或I、J、K表示；具体计算公式如下：

其中：a＝X_激-X_机

b＝Y_激-Y_机

c＝Z_激-Z_机

其中L_机-激＝机器人末端控制点(X_机，Y_机，Z_机)到激光跟踪仪的反射球球心(X_激，Y_激，Z_激)的距离；

步骤5.2：由激光跟踪仪的反射球球心与传感器测量原点距离L_激-传、测量矢量方向(α，β，γ)以及激光测距传感器测得的与原点间的距离值L，即传感器读数，计算工件表面的被测点坐标值(X_测，Y_测，Z_测)；具体计算公式如下：

X_测＝X_激+(L_激-传+L)×cosα

Y_测＝Y_激+(L_激-传+L)×cosβ

Z_测＝Z_激+(L_激-传+L)×cosγ

其中：L_激-传＝激光跟踪仪的反射球球心(X_激，Y_激，Z_激)到高精度激光测距传感器测量原点(X_传，Y_传，Z_传)的距离；

其中，L＝传感器读数

步骤5.3：运用激光跟踪仪自带的测量软件或其他软件，以被测对象CAD模型为名义值，计算被测要素的偏差。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：

本发明方法通过将机器人、跟踪仪、高精度激光测距传感器的集成应用，有效地解决了表面易划伤的大型形面的非接触式高精度测量问题。可高效、高精度地获取工件表面测点坐标值，包括在法矢方向的测点，为工件的误差评定、修磨等后续工作提供准确的依据。同时采用了机器人辅助，有效地提高了测量工作的效率和测量系统的柔性应用。

附图说明

图1为机器人协同的非接触式高精度跟踪大型工件测量方法原理图。

图2为反射球放置位置示意图。

图3为传感器方位校准与标定原理图

图4为激光跟踪仪的反射球球心与激光测距传感器测量原点的距离校准与标定原理图

图5为测量点计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本专利较佳实施例，以详细说明本专利的技术方案。

如图1至图5所示，本方法在实时跟踪的测量装置上均可使用，如LEICA激光跟踪仪、Etalon激光跟踪仪等高精度跟踪设备。

一种机器人协同的非接触式高精度大型工件跟踪测量方法，主要操作步骤如下：

步骤1：将激光跟踪仪的反射球2-1放置在机器人末端所安装的测量支架3上，激光跟踪仪的反射球2-1球心应(尽量)放置在过机器人末端控制点4-1的末端法矢方向上，即末端的旋转轴上，同时机器人末端控制点与反射球2-1球心之间距离尽量长，如图2所示；

步骤2：在测量支架3前端放置高精度激光测距传感器5，该传感器5的测量方向应(尽量)在过机器人末端控制点4-1的末端法矢方向上，即末端的旋转轴上；

步骤3：标定和校准测量系统，确定测量系统的实际结构参数，包括机器人末端控制点4-1、激光跟踪仪的反射球2-1球心、高精度激光测距传感器5测量原点和其测量方向，以及这三者之间的空间方位关系，(三者应在过机器人末端控制点4-1的末端法矢方向上，即机器人末端的旋转轴上)，标定后获得机器人末端控制点4-1(X_机，Y_机，Z_机)到激光跟踪仪的反射球2-1球心(X_激，Y_激，Z_激)的距离L_机-激、激光跟踪仪的反射球4-1球心(X_激，Y_激，Z_激)到高精度激光测距传感器5测量原点(X_传，Y_传，Z_传)的距离L_激-传；最后评估算整个测量系统的测量不确定度，标定和校准方法如下：

步骤3.1：反射球方位校准与标定：测量支架3安装在机器人末端，将跟踪仪的反射球2-1装在测量支架3上，回转机器人末端，并对激光跟踪仪的反射球2-1球心径向跳动值进行检测，通过调整以保证激光跟踪的反射球2-1球心在过机器人末端控制点4-1的末端法矢方向上，即末端的旋转轴上；

步骤3.2：L_机-激距离校准与标定：以机器人末端控制点4-1为球心转动测量支架3，并将获取的激光跟踪仪的反射球4-1球心的空间位置点群来拟合球要素并得到球半径，得到机器人末端控制点4-1与反射球2-1球心的距离L_机-激；

步骤3.3：传感器方位校准与标定，如图3所示：设置一端面垂直于机器人末端旋转轴的高精度线性位移装置，通过放置在机器人末端测量支架3上的激光测距传感器5对该端面测量来调整激光测距传感器5的测量方向与机器人末端旋转轴同轴，当激光测距传感器5的测量值与线性位移装置的位移值一样时，即可判定其与末端的旋转轴同方向；然后将线性位移装置与末端的旋转轴设置为一个角度，并回转机器人未端，当激光测距传感器5的读数不变时，可判定其在旋转轴同方向上；

步骤3.4：L_激-传距离校准与标定，如图4所示：分别用激光跟踪仪2及装有激光跟踪的反射球2-1和传感器5的测量支架4，对同一垂直于机器人测量方向的平面进行测量，分别获取测量支架上激光跟踪仪反射球2-1球心值、激光跟踪仪2在该平面上的测量点位置，以及测距传感器5的读数，计算得到测量支架4上激光跟踪仪的反射球2-1球心与激光测距传感器5测量原点的距离L_激-传，具体计算公式如下：

其中：A＝X_跟-X_标

B＝Y_跟-Y_标

C＝Z_跟-Z_标

L_标＝传感器的读数

步骤4：通过激光跟踪仪测量机器人的多点运动位置，构建测量坐标系。即将机器人的控制坐标系与激光跟踪仪的测量坐标系关联起来；

步骤5：在工件表面测点获取操作中，如图5所示：通过机器人控制点4-1、激光跟踪仪(包括反射球2-1球心)和高精度激光测距传感器5的同步读数，测得工件表面实测点坐标(X_测，Y_测，Y_测)，并将其与被测对象的CAD模型比较，得到工件表面测点的误差值(△)及误差各分量值(△_X、△_Y、△_Z)，具体操作如下：

步骤5.1：测点获取操作：在工件测量坐标系中，读取机器人控制点4-1坐标(X_机，Y_机，Z_机)、激光跟踪仪的反射球2-1球心坐标(X_激，Y_激，Z_激)，以及激光测距传感器5测得的距离值L_传；

由机器人控制点4-1坐标(X_机，Y_机，Z_机)和激光跟踪仪反射球2-1球心坐标(X_激，Y_激，Z_激)，计算实测时的测量矢量方向，用方向余弦cosα、cosβ、cosγ或I、J、K表示；具体计算公式如下：

其中：a＝X_激-X_机

b＝Y_激-Y_机

c＝Z_激-Z_机

L_机-激＝机器人末端控制点(X_机，Y_机，Z_机)到激光跟踪仪的反射球球心(X_激，Y_激，Z_激)的距离

步骤5.2：由激光跟踪仪的反射球2-1球心与传感器5测量原点距离L_激-传、测量矢量方向(α，β，γ)以及激光测距传感器5测得的与原点间的距离值L，即传感器读数。计算工件表面的被测点坐标值(X_测，Y_测，Z_测)。具体计算公式如下：

X_测＝X_激+(L_激-传+L)×cosα

Y_测＝Y_激+(L_激-传+L)×cosβ

Z_测＝Z_激+(L_激-传+L)×cosγ

其中：L_激-传＝激光跟踪仪的反射球球心(X_激，Y_激，Z_激)到高精度激光测距传感器测量原点(X_传，Y_传，Z_传)的距离

L＝传感器读数

步骤5.3：运用激光跟踪仪自带的测量软件或其他软件，以被测对象CAD模型为名义值，计算被测要素的偏差。

现以以下数据为例加以说明：

同步读取机器人控制点4-1坐标(X_机，Y_机，Z_机)和激光跟踪仪反射球2-1球心坐标(X_激，Y_激，Z_激)，根据方向余弦公式计算实测时的测量矢量方向角度分别为：α＝45°、β＝45°、γ＝45°

L_激-传＝50mm，L＝0.002mm，

X_激＝1000mm

Y_激＝2000mm

Z_激＝1000mm

X_测＝X_激+(L_激-传+L)×cosα＝1035.351mm

Y_测＝Y_激+(L_激-传+L)×cosβ＝2035.351mm

Z_测＝Z_激+(L_激-传+L)×cosγ＝1035.351mm

综上所述，本发明是将机器人技术结合于测量中，实现了自动化，提高了测量效率，同时，用高精度跟踪仪所测量的数据替代机器人位置精度，减少了机器人运动造成的位置精度误差，将反射球球心、传感器激光发射线方向保持在末端控制点为原点的末端旋转轴线上，减少了机器人旋转运动造成的精度误差，该种测量方法大大提高了测量精度。实现了机器人协同的非接触式高精度测量方法，达到便捷、高效、低成本的目的。