CN109822575B

CN109822575B - 一种利用投影特征图像进行移动加工的机器人系统及方法

Info

Publication number: CN109822575B
Application number: CN201910227766.6A
Authority: CN
Inventors: 陶波; 赵兴炜; 周佩; 丁汉
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2020-12-08
Anticipated expiration: 2039-03-25
Also published as: CN109822575A

Abstract

本发明属于打磨机器人加工领域，并公开了一种利用投影特征图像进行移动加工的机器人系统。其包括投影仪、机器人、移动平台和控制器，其中，控制器将待加工工件上的加工轨迹和加工工艺参数编码形成图像后传递给投影仪，投影仪在待加工区域上投影；机器人上设置有加工头和跟踪靶标，移动平台用于使机器人移动到工件附近，跟踪靶标用于标记加工头的位置，相机用于将拍摄的待加工工件表面的图像和跟踪靶标的图像传递给控制器，控制器根据拍摄的图像判断加工头的位置和姿态。本发明还公开了上述系统的加工方法。通过本发明，实现各种大尺度复杂面型构件的投影、测量和加工的一体化加工，节省加工时间，保证加工质量。

Description

一种利用投影特征图像进行移动加工的机器人系统及方法

技术领域

本发明属于打磨机器人加工领域，更具体地，涉及一种利用投影特征图像进行移动加工的机器人系统及方法。

背景技术

随着工业机器人在机械加工制造领域的广泛应用，各种各样的加工场合对机器人加工技术提出了更高的要求。诸如汽车、航空、航天和船舶制造领域，大型复杂曲面构件如高铁车身、飞机蒙皮、风机叶片和船舶船身等，其尺寸较大，表面形状复杂，一般的加工设备如龙门机床和固定式工业机器人难以满足如此大的加工范围需求，导轨式机器人亦难以根据构件形状特点灵活调整加工工位，另外，为保证获取高精度的加工质量，在加工过程中需要对构件进行高精度表面测量，并实时定位加工头与构件的相对位置关系。

传统加工方法一般采用先测量再加工的方式，如使用三坐标测量仪或激光跟踪仪获取工件的三维点云模型，进而根据三维点云模型规划加工路径，最后借助工业机器人或大型数控机床对工件进行加工，这种方式在测量阶段往往需要花费大量的时间，且测量获得的三维模型精度与使用的工具和测量方法密切相关，另外，全局加工轨迹规划需要考虑到诸如加工效率、机器人避碰等多种因素，近年来出现了一些使用多站位光学测量设备对构件进行大范围测量，然后对待加工工件进行全局避碰路径规划并加工的方法，也出现了一些对工件表面进行局部测量，进而边测量边加工的方法。

已有技术中，专利CN201710702727.8提出一种固定式打磨机器人，通过待加工工件的3D点云模型获取加工点序列，并通过路径规划实现避碰加工，该方法涉及到复杂的规划过程，且需要事先获取待加工工件的3D点云模型，然而如何获取精确的待加工工件整体3D点云数据，一直是有待解决的问题；专利CN201710498471.3提出一种将光栅尺和机器人的丝杠进给机构结合的自主打磨机器人，其采用正交双目立体视觉加激光装置，对整个待加工曲面实现look-and-move的遍历加工，然而带附加外轴的机器人系统坐标系的构建与标定过程极其繁琐与复杂。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用投影特征图像进行移动加工的机器人系统及方法，通过利用投影仪将加工轨迹和工艺参数编码后以特征图像的形式投影到构件表面，加工轨迹与待加工工件表面的几何特征结合后形成新的图像，相机拍摄该新的图像以获取新的加工轨迹和加工工艺参数，同时相机还动态拍摄跟踪靶标以获取加工刀头位置，进而控制加工头对工件进行加工，通过判断特征图像是否遍历整个工件表面来实现对工件的遍历加工。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种利用投影特征图像进行移动加工的机器人系统，其特征在于，该系统包括投影仪、机器人和控制器，其中，

所述投影仪与所述控制器连接，该控制器将待加工工件上的待加工区域的加工轨迹和加工工艺参数编码形成图像后传递给所述投影仪，所述投影仪将该图像在所述待加工区域上投影；

所述机器人上设置有相机、加工头和跟踪靶标，所述移动平台设置在所述机器人的下端，用于改变所述加工头的位置，所述加工头设置在所述机器人的末端用于对待加工工件进行加工，所述跟踪靶标设置在所述机器人的上方，用于标记所述加工头的位置，所述相机设置在所述移动平台的上方，用于拍摄待加工工件和跟踪靶标，其将拍摄的所述待加工工件表面的图像和跟踪靶标的图像传递给所述控制器，所述控制器一方面根据拍摄的跟踪靶标的图像判断所述加工头的位置和姿态，另一方面根据拍摄的待加工工件表面的图像判断已经加工的区域和未加工的区域。

进一步优选地，所述机器人为六自由度工业机器人，所述加工头设置在机器人末端法兰上，通过机器人关节运动实现加工头多自由度的运动。

进一步优选地，所述相机选择深度相机，以便测量待测对象到相机之间的距离。

按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述所述的系统的加工方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)将待加工工件装夹在夹具上并固定，所述移动平台装载机器人移动至待加工工件附近；

(b)所述控制器传递给所述投影仪包含有初始加工轨迹和工艺参数的图像，该投影仪将所述图像在所述待加工工件上进行投影，该图像与待加工工件的表面特征结合，使得所述初始加工轨迹发生变化形成新的图像；

(c)所述相机拍摄所述新的图像并将其传递给所述控制器，该控制器识别该新的图像中的加工轨迹和工艺参数，然后所述相机拍摄所述跟踪靶标并将拍摄的图像传递给所述控制器，所述控制器根据拍摄的图像判断并获取当前所述加工头的位置和姿态；

(d)所述控制器根据当前所述加工头的位置和姿态，并结合所述加工轨迹和工艺参数，调整并控制所述加工头按照所述加工轨迹和工艺参数加工所述待加工工件表面，直至完成所述加工轨迹的加工；

(e)所述控制器将当前拍摄的所有图像与工件三维模型作比对，判断待加工工件表面是否还有未加工区域，，若有，则移动平台移动至下一个加工工位，并重复步骤(b)～(e)，直至完成待加工工件表面所有区域的加工。

进一步优选地，在步骤(d)中，所述加工头按照所述加工轨迹和工艺参数加工所述待加工工件表面时，是通过所述相机实时拍摄所述加工头的位置和姿态并反馈给所述控制器，所述控制器再根据所述加工轨迹和工艺参数调整所述加工头的位置，以此实现对所述加工头的闭环控制。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述加工轨迹优选为希尔伯特曲线等分形曲线。

进一步优选地，所述加工方法适用于对待加工工件的打磨抛光。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明利用投影仪投射包含工艺参数的特征图像到待加工工件表面，借助该图像不仅能获取工件几何特征信息和位置信息，还能获取加工轨迹和加工工艺参数，该方法相对于现有的视觉测量过程，不仅能获取工件表面几何信息还能将加工需求与工件表面特征相联系，为实现边投影边加工提供必要条件；

2、本发明借助相机拍摄特征图像和跟踪靶标，以控制加工头对工件进行加工，该方法同步进行拍摄、测量和加工过程，并通过控制加工头加工工件以获得较好的加工质量；

3、本发明提供的方法借助各个组件的配合工作，实现投影，拍摄和加工过程的同步进行，同时通过相机的实时拍照实时识别当前的加工进度，还有判断是否遍历待加工工件所有区域的加工，实现对待加工工件表面的遍历加工，该方法不需要对工件整体进行测量和三维模型拼接，效率更高。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的利用投影特征图像进行移动加工的加工方法的流程图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的利用投影特征图像进行移动加工的机器人系统的结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的加工轨迹未投影在待加工工件表面的示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的加工轨迹投影在待加工工件表面后的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-投影仪2-加工头3-跟踪靶标4-工业机器人5-移动平台6-相机

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种利用投影特征图像进行移动加工的加工方法，该方法借助投影仪将工艺参数编码后以特征图像的形式投影到待加工工件表面，移动平台变换工位并用相机拍摄特征图像以获取待加工工件表面信息和加工工艺参数，同时相机动态拍摄跟踪靶标以获取加工刀头位置，进而控制加工头对工件进行加工，通过判断特征图像是否遍历整个工件表面来实现对工件的遍历加工。

上述方法具体包括下列步骤：

1)装夹工件并运动至起点

将待加工工件装夹在夹具上并固定，所述移动平台装载机器人移动至待加工工件附近。

2)投影仪投影特征图像

所述控制器传递给所述投影仪包含有初始加工轨迹和工艺参数的图像，该投影仪将所述图像在所述待加工工件上进行投影，该图像与待加工工件的表面特征结合，使得所述初始加工轨迹发生变化形成新的图像。

3)相机拍摄特征图像

所述相机拍摄所述新的图像并将其传递给所述控制器，该控制器识别该新的图像中的加工轨迹和工艺参数，然后所述相机拍摄所述跟踪靶标并将拍摄的图像传递给所述控制器，所述控制器根据拍摄的图像判断并获取当前所述加工头的位置和姿态。

4)加工头加工工件

所述控制器根据当前所述加工头的位置和姿态，并结合所述加工轨迹和工艺参数，调整并控制所述加工头按照所述加工轨迹和工艺参数加工所述待加工工件表面，直至完成所述加工轨迹的加工。

5)判断是否加工完毕

所述控制器将当前拍摄的所有图像与工件三维模型作比对，判断待加工工件表面是否还有未加工区域，若有，则移动平台移动至下一个加工工位，并重复步骤(2)～(5)，直至完成待加工工件表面所有区域的加工。

如图2所示，一种利用投影特征图像进行移动加工的机器人系统，该系统包括投影仪，加工头，跟踪靶标，工业机器人，移动平台、相机和控制器。其中：

投影仪固定于加工场景内，用于向待加工工件投影特征图像，跟踪靶标安装于工业机器人末端，用于获取加工头位置，加工头固定于工业机器人末端，用于加工工件，相机固定于移动平台上，用于拍摄工件上的特征图像和跟踪靶标。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种利用投影特征图像进行移动加工的机器人系统的加工方法，其特征在于，机器人加工系统包括投影仪（1）、机器人（4）、移动平台（5）和控制器，所述投影仪（1）与所述控制器连接，所述移动平台（5）设置在所述机器人的下端，所述机器人（4）上设置有相机（6）、加工头（2）和跟踪靶标（3），其中，所述跟踪靶标用于标记所述加工头的位置；

所述加工方法包括下列步骤：

（a）将待加工工件装夹在夹具上并固定，所述移动平台装载机器人移动至待加工工件附近；

（b）所述控制器传递给所述投影仪包含有初始加工轨迹和工艺参数的图像，该投影仪将所述图像在所述待加工工件上进行投影，该图像与待加工工件的表面特征结合，使得所述初始加工轨迹发生变化形成新的图像；

（c）所述相机拍摄所述新的图像并将其传递给所述控制器，该控制器识别该新的图像中的加工轨迹和工艺参数，然后所述相机拍摄所述跟踪靶标并将拍摄的图像传递给所述控制器，所述控制器根据拍摄的图像判断并获取当前所述加工头的位置和姿态；

（d）所述控制器根据当前所述加工头的位置和姿态，并结合所述加工轨迹和工艺参数，调整并控制所述加工头按照所述加工轨迹和工艺参数加工所述待加工工件表面，直至完成所述加工轨迹的加工；

（e）所述控制器将当前拍摄的所有图像与工件三维模型作比对，判断待加工工件表面是否还有未加工区域，若有，则移动平台移动至下一个加工工位，并重复步骤（b）～（e），直至完成待加工工件表面所有区域的加工。

2.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于，在步骤（d）中，所述加工头按照所述加工轨迹和工艺参数加工所述待加工工件表面时，是通过所述相机实时拍摄所述加工头的位置和姿态并反馈给所述控制器，所述控制器再根据所述加工轨迹和工艺参数调整所述加工头的位置，以此实现对所述加工头的闭环控制。

3.如权利要求1或2所述的加工方法，其特征在于，在步骤（b）中，所述加工轨迹为希尔伯特曲线。

4.如权利要求1或2所述的加工方法，其特征在于，所述加工方法适用于对待加工工件的打磨抛光。

5.一种权利要求1-4任一项所述的加工方法对应的机器人系统，其特征在于，

所述控制器将待加工工件上的待加工区域的加工轨迹和加工工艺参数编码形成图像后传递给所述投影仪，所述投影仪将该图像在所述待加工区域上投影；

所述移动平台用于改变所述加工头的位置，所述加工头（2）设置在所述机器人的末端用于对待加工工件进行加工，所述跟踪靶标（3）设置在所述机器人的上方，所述相机（6）设置在所述移动平台（5）的上方，用于拍摄待加工工件和跟踪靶标，其将拍摄的所述待加工工件表面的图像和跟踪靶标的图像传递给所述控制器，所述控制器一方面根据拍摄的跟踪靶标的图像判断所述加工头的位置和姿态，另一方面根据拍摄的待加工工件表面的图像判断已经加工的区域和未加工的区域。

6.如权利要求5所述的一种利用投影特征图像进行移动加工的机器人系统，其特征在于，所述机器人（4）为六自由度工业机器人，所述加工头设置在机器人末端法兰上，通过机器人关节运动实现加工头多自由度的运动。

7.如权利要求5或6所述的一种利用投影特征图像进行移动加工的机器人系统，其特征在于，所述相机（6）选择深度相机，以便测量待测对象到相机之间的距离。