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CN111272166A - 一种基于激光测距引导机器人的空间定位方法及系统 - Google Patents

一种基于激光测距引导机器人的空间定位方法及系统 Download PDF

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CN111272166A
CN111272166A CN202010125486.7A CN202010125486A CN111272166A CN 111272166 A CN111272166 A CN 111272166A CN 202010125486 A CN202010125486 A CN 202010125486A CN 111272166 A CN111272166 A CN 111272166A
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CN
China
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robot
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plc
space
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陈萌
万猛
郭永武
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Sinotruk Jinan Power Co Ltd
Original Assignee
Sinotruk Jinan Power Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种基于激光测距引导机器人的空间定位方法及系统，建立机器人与PLC模块的通信连接；建立机器人空间位置坐标的基础值；PLC模块通过模拟量数据采集模块采集机器人的移动数据；PLC模块通过预设算法生成机器人的偏移数据和补偿数据；并对机器人的当前位置进行定位。本发明构建一个全新的系统并且开发了相应的算法，实现机器人空间定位时的位置偏移和补偿。本发明实现机器人系统的空间精确定位时的偏移和补偿。可以应用于加工部装配涂胶现场。也可以应用在需要机器人空间精确定位偏移、补偿的环境，也可以应用于MC加工部装配分部的机器人涂胶现场。

Description

一种基于激光测距引导机器人的空间定位方法及系统
技术领域
本发明涉及机器人定位技术领域，尤其涉及一种基于激光测距引导机器人的空间定位方法及系统。
背景技术
机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。机器人的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的等工作。
目前随着人工智能发展和推动，国际上广泛开展了对智能机器人的进一步研究。其中以机器人在工业中的应用的研究最为广泛。机器人的空间定位时的偏移和补偿是确定机器人运行位置的关键数据，目前涉及机器人空间的偏移和补偿量主要由ABB、KUKA、FANUC提供，三个供应商有各自的算法，并且三个供应商都有技术壁垒，无法实现组合使用，也无法进行融合使用，这样导致每个供应商涉及的方式均有优缺点无法互补。那么如何实现机器人空间定位时的位置偏移和补偿，绕开ABB、KUKA、FANUC国际大厂对机器人空间偏移和补偿量的技术壁垒是当前亟待解决的技术问题。
发明内容
为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于激光测距引导机器人的空间定位方法，方法包括：
S1，建立机器人与PLC模块的通信连接；
S2，建立机器人空间位置坐标的基础值；
S3，PLC模块通过模拟量数据采集模块采集机器人的移动数据；
S4，PLC模块通过预设算法生成机器人的偏移数据和补偿数据；并对机器人的当前位置进行定位。
本发明还提供一种基于激光测距引导机器人的空间定位系统，
包括：机器人和PLC模块；
PLC模块与机器人通信连接；
机器人设置空间位置坐标的基础值；
PLC模块采集机器人的移动数据；
通过预设算法生成机器人的偏移数据和补偿数据，并对机器人的当前位置进行定位。
进一步需要说明的是，系统包括：多个机器人；
PLC模块分别与每个机器人通信连接；
PLC模块采集每个机器人的移动数据；
通过预设算法生成每个机器人的偏移数据和补偿数据，并分别对每个机器人的当前位置进行定位。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明中的PLC模块通过模拟量数据采集模块采集机器人的移动数据；PLC模块通过预设算法生成机器人的偏移数据和补偿数据；并对机器人的当前位置进行定位。本发明构建一个全新的系统并且开发了相应的算法，实现机器人空间定位时的位置偏移和补偿。绕开ABB、KUKA、FANUC国际大厂对机器人空间偏移和补偿量的技术壁垒。本发明实现机器人系统的空间精确定位时的偏移和补偿。可以应用于加工部装配涂胶现场。也可以应用在需要机器人空间精确定位偏移、补偿的环境，也可以应用于MC加工部装配分部的机器人涂胶现场。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为基于激光测距引导机器人的空间定位系统示意图；
图2为基于激光测距引导机器人的空间定位系统实施例示意图；
图3为基于激光测距引导机器人的空间定位方法流程图；
图4为工件P点位置示意图；
图5为空间相对位置示意图；
图6为PLC坐标系和机器人运行坐标机器人运行坐标差异示意图；
图7为原点移动示意图；
图8为旋转后示意图；
图9为坐标系转换示意图。
具体实施方式
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
本发明提供一种基于激光测距引导机器人的空间定位系统，如图1所示，包括：机器人和PLC模块；
PLC模块与机器人通信连接；机器人设置空间位置坐标的基础值；PLC模块采集机器人的移动数据；通过预设算法生成机器人的偏移数据和补偿数据，并对机器人的当前位置进行定位。
PLC模块可以采用西门子S1200。PLC模块输出驱动三色灯、蜂鸣器。激光测距传感器可以采用基恩士模拟量测距传感器IL-030。西门子S1200PLC模拟量输入模块连接机器人的基恩士激光测距传感器。机器人为天机TR8机器人。PLC模块与机器人通信连接的方式可以为PROFINET通讯模块。
机器人配置有激光测距传感器，运行机构，数据处理器，机器通信模块以及机器数据存储器；
数据处理器通过机器通信模块连接PLC模块；获取PLC模块发送的控制指令，还向PLC模块发送机器人当前的数据信息；数据处理器通过激光测距传感器获取运行机构基于X、Y、Z三个方向的数据信息；数据处理器通过与机器数据存储器连接储存数据信息；数据处理器根据PLC模块发送的控制指令控制运行机构运行。
数据处理器包括一个或多个处理器执行，如一个或多个数字信号处理器(DSP)，通用微处理器，特定应用集成电路(ASICs)，现场可编程门阵列(FPGA)，或者其它等价物把集成电路或离散逻辑电路。因此，术语“处理器，”由于在用于本文时可以指任何前述结构或任何其它的结构更适于实现的这里所描述的技术。另外，在一些方面，本公开中所描述的功能可以提供在软件模块和硬件模块。
机器数据存储器可以包括计算机存储介质，诸如随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，非易失性随机存取存储器(NVRAM)，电可擦可编程只读存储器(EEPROM)，闪存，磁或光学数据存储介质，和类似物。在一些实施例中，一种制造产品可包括一个或多个计算机可读存储媒体。
运行机构可以包括机械手，旋转装置，升降装置等等。
PLC模块包括：模拟量数据采集模块；PLC模块通过模拟量数据采集模块采集机器人的移动数据。
采集机器人的移动数据可以包括旋转数据，升降数据以及机械手的移动量。
本发明中，机器人还配置有机器人运行坐标；
PLC模块还包括：PLC坐标；PLC模块将机器人运行坐标中的数据信息转换成PLC坐标的数据信息，并通过预设算法生成机器人的偏移数据和补偿数据；并对机器人的当前位置进行定位。
也就是将机器人运行机构的移动数据分解成X、Y、Z三个方向。
PLC模块对应有PLC坐标；机器人对应有机器人运行坐标。
这样就需要将机器人运行坐标的运行数据转换成PLC坐标的数据依次来满足PLC模块的控制需要。
也就是PLC模块通过预设算法生成机器人的偏移数据和补偿数据，并对机器人的当前位置进行定位。
也就是利用国产天机机器人、激光模拟量测距传感器、西门子PLC等构建一个全新的系统并且开发了基于激光测距传感器的机器人空间偏移、补偿算法，实现机器人系统的空间精确定位时的偏移和补偿。
这样基于本系统可以应用于加工部装配涂胶现场。也可以应用在需要机器人空间精确定位偏移、补偿的环境，MC加工部装配分部的机器人涂胶现场。
进一步需要说明的是，为了提高控制能力，控制效率。
如图2所示，系统包括：多个机器人；
PLC模块分别与每个机器人通信连接；PLC模块采集每个机器人的移动数据；通过预设算法生成每个机器人的偏移数据和补偿数据，并分别对每个机器人的当前位置进行定位。
这样，本系统通过激光测距传感器测量建立空间位置坐标转换的基础值。PLC模块接收激光传感器所采集的数据。通过编辑算法在PLC模块内部处理生成机器人需要的偏移、补偿数据。本发明基于PROFINET通讯模块建立机器人与PLC模块的互通互联，实现控制。
机器人与PLC模块的互通互联包括但不限于无线、有线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
基于上述系统，本发明还提供一种基于激光测距引导机器人的空间定位方法，如图3所示，方法包括：
S1，建立机器人与PLC模块的通信连接；
S2，建立机器人空间位置坐标的基础值；
机器人基于X、Y、Z三个方向靠近工件P点位置，并通过测距传感器向PLC模块传递X、Y、Z三个方向的移动数据；
PLC模块中记录相应方向的数值，作为工件位置的基础值。
也就是机器人分别沿图4的X、Y、Z三个方向靠近P点，通过测距传感器向PLC模块传递数值，同时PLC中记录相应方向的数值，作为比对其他工件位置的基础值。
S3，PLC模块通过模拟量数据采集模块采集机器人的移动数据；
工件就位后，机器人沿着预设的路径接近空间中的工件P点；
PLC模块通过机器人的测距传感器获取机器人移动数值；
PLC模块分别记录X、Y、Z方向的数值；
PLC模块实时计算出工件相对于基准位置的ΔX偏差量、ΔY偏差量、ΔZ偏差量；
基于ΔX偏差量、ΔY偏差量、ΔZ偏差量，根据
X＝X/+ΔX
Y＝Y/+ΔY
Z＝Z/+ΔZ
得出工件当前位置对应在PLC模块的基准坐标位置。
也就是当其它工件就位时，沿相同的路径分别接近空间中的P点，通过测距传感器向PLC传递数值，同时PLC中记录相应方向的数值，定位机器人如图5所示。通过前两个步骤可以计算出被测量工件相对与基准位置的偏差ΔX、ΔY、ΔZ量从而计算出被测量工件相对于机器人基准坐标系的坐标位置从而对机器人进行定位。通过计算出被测量工件相对与基准位置的偏差ΔX、ΔY、ΔZ量从而计算出被测量工件相对于机器人基准坐标系的坐标位置从而对机器人进行定位。
S4，PLC模块通过预设算法生成机器人的偏移数据和补偿数据；并对机器人的当前位置进行定位。
具体包括：
1、坐标系变换；
如图6至9所示，设置坐标系xoy和x'o'y'；
其中
o'在xoy坐标系中的坐标分别为(x{0},y{0})；
P在xoy坐标系中的坐标分别为(x,y)；
将P点从xoy坐标系转换到x'o'y'中具体包括：
平移变换：将x'o'y'坐标系的原点平移到xoy坐标系的原点；
旋转变换：如图7和图8所示，将x'轴旋转到x轴；
基于变换矩阵
Figure BDA0002394270740000071
2、编程变换公式；
①标定基准坐标系转换成实际行走坐标系
Figure BDA0002394270740000072
Figure BDA0002394270740000073
②实际行走坐标系转换成标定坐标系
Figure BDA0002394270740000081
Figure BDA0002394270740000082
PLC模块根据上述公式得到偏移补偿数据，对机器人的当前位置进行定位。经过此转换可以计算被测量件相对机器人基准坐标的位置从而定位机器人。
通过本方法构建一个全新的系统并且开发了相应的算法，实现机器人空间定位时的位置偏移和补偿。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于激光测距引导机器人的空间定位方法，其特征在于，方法包括：
S1，建立机器人与PLC模块的通信连接；
S2，建立机器人空间位置坐标的基础值；
S3，PLC模块通过模拟量数据采集模块采集机器人的移动数据；
S4，PLC模块通过预设算法生成机器人的偏移数据和补偿数据；并对机器人的当前位置进行定位。
2.根据权利要求1所述的空间定位方法，其特征在于，
步骤S2还包括：
机器人基于X、Y、Z三个方向靠近工件P点位置，并通过测距传感器向PLC模块传递X、Y、Z三个方向的移动数据；
PLC模块中记录相应方向的数值，作为工件位置的基础值。
3.根据权利要求1或2所述的空间定位方法，其特征在于，
步骤S3还包括：
工件就位后，机器人沿着预设的路径接近空间中的工件P点；
PLC模块通过机器人的测距传感器获取机器人移动数值；
PLC模块分别记录X、Y、Z方向的数值；
PLC模块实时计算出工件相对于基准位置的ΔX偏差量、ΔY偏差量、ΔZ偏差量；
基于ΔX偏差量、ΔY偏差量、ΔZ偏差量，根据
X＝X/+ΔX
Y＝Y/+ΔY
Z＝Z/+ΔZ
得出工件当前位置对应在PLC模块的基准坐标位置。
4.根据权利要求1或2所述的空间定位方法，其特征在于，
步骤S4还包括：
1、坐标系变换；
设置坐标系xoy和x'o'y'；
其中
o'在xoy坐标系中的坐标分别为(x{0},y{0})；
P在xoy坐标系中的坐标分别为(x,y)；
将P点从xoy坐标系转换到x'o'y'中具体包括：
平移变换：将x'o'y'坐标系的原点平移到xoy坐标系的原点；
旋转变换：将x'轴旋转到x轴；
基于变换矩阵
Figure FDA0002394270730000021
2、编程变换公式；
①标定基准坐标系转换成实际行走坐标系
Figure FDA0002394270730000022
Figure FDA0002394270730000023
②实际行走坐标系转换成标定坐标系
Figure FDA0002394270730000024
Figure FDA0002394270730000025
PLC模块根据上述公式得到偏移补偿数据。
5.一种基于激光测距引导机器人的空间定位系统，其特征在于，
包括：机器人和PLC模块；
PLC模块与机器人通信连接；
机器人设置空间位置坐标的基础值；
PLC模块采集机器人的移动数据；
通过预设算法生成机器人的偏移数据和补偿数据，并对机器人的当前位置进行定位。
6.根据权利要求5所述的空间定位系统，其特征在于，
机器人配置有激光测距传感器，运行机构，数据处理器，机器通信模块以及机器数据存储器；
数据处理器通过机器通信模块连接PLC模块；获取PLC模块发送的控制指令，还向PLC模块发送机器人当前的数据信息；
数据处理器通过激光测距传感器获取运行机构基于X、Y、Z三个方向的数据信息；
数据处理器通过与机器数据存储器连接储存数据信息；
数据处理器根据PLC模块发送的控制指令控制运行机构运行。
7.根据权利要求5所述的空间定位系统，其特征在于，
PLC模块包括：模拟量数据采集模块；
PLC模块通过模拟量数据采集模块采集机器人的移动数据。
8.根据权利要求5所述的空间定位系统，其特征在于，
机器人还配置有机器人运行坐标；
PLC模块还包括：PLC坐标；
PLC模块将机器人运行坐标中的数据信息转换成PLC坐标的数据信息，并通过预设算法生成机器人的偏移数据和补偿数据；并对机器人的当前位置进行定位。
9.根据权利要求5所述的空间定位系统，其特征在于，
包括：多个机器人；
PLC模块分别与每个机器人通信连接；
PLC模块采集每个机器人的移动数据；
通过预设算法生成每个机器人的偏移数据和补偿数据，并分别对每个机器人的当前位置进行定位。
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