CN207326366U - 一种狭窄空间螺栓定位安装机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种狭窄空间螺栓定位安装机器人，包括安装平台、固定板、工装夹具、工业机器人、运动模组和及控制器。本实用新型首先将螺栓和垫片移至从动齿轮的轴线位置并通过弹簧力将其托住，接着将连接块向下移动，安装螺栓到从动齿轮上并让弹簧复位使螺栓固定；之后通过摄像机作视觉引导避障，机器人手臂将夹具送到能拍摄到螺纹孔预定位置。再采取机器人自动定位目标螺纹孔，将螺纹孔位置发送到机器人手臂并且锁定该位置，之后再旋转夹具使螺栓对准螺纹孔并在齿轮的带动开始往下移动，当传感器接触到底板时，第一个螺栓装配停止，模组电机自动将机器人自动搬运到下一个螺纹孔预定位置，进行下一轮装配直至全部装配完毕。

Description

一种狭窄空间螺栓定位安装机器人

技术领域

本实用新型涉及工业机器人领域，尤其涉及一种狭窄空间螺栓定位安装机器人。

背景技术

在狭窄的空间内部进行装配一直是困扰着自动化装配领域的一个难题，在一个狭小空间内，由于能见度低、可见范围少、安装轴向深度大等原因，必须借助其他装配工具进行安装，但是由于装配工具得不到人眼的配合，使得人工操作工具相当困难。当轴向安装深度大于人手触及范围时，通过普通安装工具安装基本上无法进行装配。因此，现有技术需要进一步改进和完善。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、装配效率高的狭窄空间螺栓定位及安装机器人。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：

一种狭窄空间螺栓定位安装机器人，该机器人主要应用在狭窄空间内对螺纹孔进行装配，结构上主要包括用于固定安装机器人的安装平台、设置在安装平台上的固定板、用于拧紧螺栓的工装夹具、用于驱动工装夹具到达指定位置的工业机器人、用于驱动工业机器人平移的运动模组、以及用于处理图像数据并驱动各执行部件的控制器。所述安装平台固定设置，固定板安装在安装平台上，所述运动模组安装在固定板上，所述工装夹具安装在工业机器人的末端，所述工业机器人安装在运动模组上，所述控制器分别与运动模组、工业机器人和工装夹具电连接，控制运动模组驱动工业机器人在固定板上平移，驱动工装夹具将螺栓拧入螺纹孔内。

具体的，所述工装夹具包括与工业机器人末端固定连接的连接板、安装板、连接并固定安装板与连接板的安装杆、用于获取螺纹孔位置图像的摄像头、用于提高成像质量的LED光源、用于拧紧螺栓的驱动装置、以及用于控制拧入深度的限位装置。所述工业机器人末端与连接板的中部固定，使连接板关于机器人末端对称。所述安装杆的两端分别与连接板和安装板的一端连接，具体的，安装杆的一端与连接板的底部固定，另一端与安装板的顶部固定，使连接板、安装杆和安装板三者构成C字形结构。所述安装板的另一端设有用于放置螺栓的开口，安放螺栓时需要从该开口处进入。所述摄像头和LED光源均设置在安装板上，并位于安装杆下方，且摄像头与螺栓关于工业机器人末端转轴对称。所述驱动装置和限位装置安装在安装板的另一端，且与摄像头关于安装板的中心轴对称。

具体的，所述驱动装置包括拧入电机、主动齿轮和从动齿轮。所述拧入电机固定在安装板上，其输出轴向上穿过安装板并与主动齿轮固定连接，当拧入电机转动时，其输出轴带着主动齿轮转动。所述从动齿轮的一侧通过轴承安装在连接板上，并与主动齿轮啮合，从动齿轮的另一侧设有与螺栓配合的内六角孔，当主动齿轮转动时，通过轮齿啮合带着从动齿轮转动，由于从动齿轮与螺栓关于六角孔配合，因此拧入电机转动时便会带动螺栓转动，从而将螺栓拧入螺纹孔内。

具体的，所述限位装置包括用于承托螺栓的托环板、连接杆、复位弹簧、连接块、以及限制拧入深度的限位传感器。所述安装板上设有用于连接杆穿过的连接孔，所述连接杆穿过连接孔，连接杆的一端与托环板固定连接，另一端与连接块的一端固定。所述限位传感器固定在连接块的另一端上；所述复位弹簧套设在连接杆上，其一端抵住安装板，另一端与托环板抵接。当螺栓和垫片从安装板的开口处放入后，使螺栓的头部套入从动齿轮的内六角孔中，并使托环板在复位弹簧的弹力作用下托住螺栓，而垫片则安放在安装板与托环板之间；螺栓拧入螺纹孔后，限位传感器时刻检测螺栓的拧入深度，当限位传感器与工件的底板接触后，拧入深度达到设定值拧入电机停止转动，工业机器人驱动工装夹具释放螺栓并进入下一个螺纹孔的装配操作。

进一步的，为了更好地驱动工业机器人在一个方向上平移，本实用新型所述运动模组包括导杆、伺服电机、导轨、第一滑块、第二滑块和丝杆。所述导杆和导轨互相平行地固定在固定板上，沿着螺纹孔分布的方向延伸，具体长度应根据螺纹孔的数量及始末位置决定。所述第一滑块安装在导杆上，所述第二滑块安装在导轨上。所述工业机器人固定在第一滑块和第二滑块上，由两个滑块共同承受工业机器人的重量，这样可以大大提高工业机器人来回移动的平顺性。所述丝杆两端固定在固定板上，并与第二滑块传动连接，由丝杆拖动工业机器人在导轨上滑动。所述伺服电机与丝杆传动连接并驱动第二滑块及工业机器人在导轨和导杆上来回滑动。

作为本实用新型的优选方案，为了方便安放螺栓，并更好地将其托住，本实用新型所述托环板采用环形结构。该环形结构包括连接板和起支撑作用的环形板。所述连接板的一端固定在连接杆上，另一端与环形板的中部固定连接，从而形成对环形板的支撑。所述环形板的有效弧度为240度。

进一步的，为了使工业机器人遇到障碍时能自动停止或自动绕过障碍，从而防止工业机器人的损坏，本实用新型所述工业机器人内部装有用于检测工业机器人与外界之间的压力值的压力传感器，所述压力传感器与控制器电连接，当工业机器人中的机械臂或工装夹具接触到障碍物时，压力传感器便会计算当前的压力值，并反馈给控制器，当压力值超过设定值时，控制器便会驱动运动模组或工业机器人的机械臂停止或改变原来的运动方向以绕开障碍物，从而避免工业机器人的损坏并提高螺栓的装配效率。

作为本实用新型的优选方案，为了更好更快更高效地将工装夹具移动到螺纹孔上方，本实用新型所述工业机器人采用电机内置式六关节串联结构的工业机器人,且工业机器人的各臂完全展开长度为1500mm，最大臂直径100mm，最小臂直径60mm，最大负载300Kg，工作空间为200mm的狭窄空间。

本实用新型还公开了一种狭窄空间螺栓定位安装机器人的控制系统，包括用于拧紧螺栓的工装夹具、用于驱动工装夹具到达指定位置的工业机器人、用于驱动工业机器人平移的运动模组、以及用于处理图像数据并驱动各执行部件的控制器。

其中，所述控制器包括工控机、图像处理模块和机器人离线编程模块；

所述图像处理模块包括软件界面模块、处理算法模块和通信模块；

所述人机界面模块包括参数设置模块、手动运行模块、示教运行模块,I/O信号模块、自动运行模块、生产管理模块；

所述参数设置模块包括显示轴名窗口，轴类型窗口；

所述手动运行模块包括正软极限窗口，负软极限窗口；

所述示教运行模块包括回参考点模式窗口和回参考点方向窗口；

所述I/O信号模块包括编码器反馈偏置量窗口和回参考点高速窗口。

优选的，所述机器人离线编程模块包括如下功能：

(1)所编程的工作过程的知识；

(2)机器人和工作环境三维实体模型；

(3)机器人几何学、运动学和动力学的知识；

(4)基于图形显示的软件系统、可进行机器人运动的图形仿真；

(5)轨迹规划和检查算法，如检查机器人关节角超限、检测碰撞以及规划机器人在工作空间的运动轨迹等；

(6)传感器的接口和仿真，以利用传感器的信息进行决策和规划；

(7)通信功能，以完成离线编程系统所生成的运动代码到各种机器人控制柜的通信；

(8)用户接口，以提供有效的人机界面，便于人工干预和进行系统的操作。

本实用新型还公开了一种狭窄空间螺栓定位安装机器人的控制方法，包括如下步骤：

步骤S1:将螺栓和垫片放入工装夹具内，并固定螺栓和垫片的位置，使螺栓的头部嵌入从动齿轮的内六角孔内并与其配合，托环板在复位弹簧的弹力作用下托住螺栓并使螺栓与从动齿轮保持配合，同时使垫片位于托环板与安装板之间。

步骤S2:将带有螺栓和垫片的工装夹具移动到预定位置，该位置为工业机器人执行安装的原点位置。

步骤S3:控制器利用摄像头拍摄当前图像并通过图像处理方法获取当前图像的螺纹孔信息，从而控制工业机器人将摄像头移动到螺纹孔的正上方。

步骤S4:由于摄像头与螺栓是对称的，因此当摄像头到达螺纹孔的正上方时，工业机器人驱动工装夹具转动180度，使摄像头与螺栓的位置互换，从而使螺栓位于螺纹孔的正上方。

步骤S5:拧入电机驱动从动齿轮转动，并带着螺栓向下拧入螺纹孔内。

步骤S6:为了确定螺栓拧入螺纹孔内的深度，当限位传感器接触到底板后，拧入电机停止转动，完成一个螺栓的装配并进入下一个螺栓的装配操作。

进一步的，本实用新型所述步骤S3还包括如下步骤：

步骤S31:通过摄像头拍摄螺纹孔的位置图像并进行识别处理；

步骤S32:计算螺纹孔的二维空间位置；

步骤S33:计算实际位置与期望位置之间的差值；具体操作为：

图像处理计算得到的形心坐标与期望坐标的差值作为PID控制器的输入值，并控制机械臂末端运动到期望坐标值处，实现待安装螺栓与螺纹孔对准。

步骤S34:控制工业机器人驱动工装夹具移动到指定位置，实现待安装螺栓与螺纹孔的对准。

所述步骤S31还包括如下步骤：

步骤S311:采用柔性算法对捕捉的图像进行标定；具体操作步骤为：

采用相机标定柔性算法，使用精确测量的棋盘格标定模板，标定模板每个小方块的边长为25mm，通过随机变换相机或标定模板的位置，令相机至少在两个以上相对标定模板的不同方位成像，然后通过角点检测获得角点的图像坐标，进而计算相机参数(f_x,f_y,u₀,v₀)，设从相机获得的原始图像为f(x,y)，校正后的图像为q(u,v)，按如下公式进行转换：

从而获得图像坐标与世界坐标之间的关系并对图像传感器畸变进行矫正；

步骤S312:对图像进行灰度化预处理和均值滤波预处理；

其中，所述图像均值滤波的具体操作步骤为：

通过估算像素为(2n+1)×(2m+1)窗口内的像素真值，再用原始图像与之求差达到降噪的目的。

上式可以看出，经过几次降噪后，图像噪声降低到原来的式中代表第i幅图像位置(r,c)处的灰度值。

步骤S313:对螺纹孔的边缘进行检测；

步骤S314:对附近环境及区域进行检测；

步骤S315:对图像进行处理并获得螺纹孔的形心位置和角点的图像数据。

综上所述，本实用新型采用单目视觉来做视觉引导，旨在计算目标(螺纹孔)的二维空间位置，通过比较实际位置与期望位置，由控制系统控制机械手运动以实现待安装螺栓与螺纹孔的对准。图像处理包括滤波，边缘检测，区域检测和形心角点位置计算等步骤，最终得到目标的形心位置和六个角点在图像平面中的亚像素级坐标。将图像处理计算得到的形心坐标与期望坐标的差值作为PID控制器的输入值，并控制机械臂末端运动到期望坐标值处，实现待安装螺栓与螺纹孔对准。当软件识别定位螺纹孔后，机器人与工控机采用串并口或TCP/IP通信，将螺丝孔的实际准确位置(机器人全局坐标系下的相对位移)发送给机器人。机器人发送信息给相应电机使夹具转动，将螺栓转到准确位置实现视觉引导定位。

本实用新型的工作过程和原理是：螺栓和垫片从外侧通过安装板的开口移至从动齿轮的轴线位置，然后向上将螺栓头部伸入带内六角的从动齿轮内并由螺栓托环板通过弹簧力将其托住，接着将该装置移动至预定位置，将连接块向下移动，安装螺栓到夹具从动齿轮上，之后弹簧复位使螺栓固定。之后采用离线编程技术，通过摄像机作视觉引导避障，机器人手臂将夹具送到能拍摄到螺纹孔预定位置，整个过程实现全自动化，无需人工操作。再采取机器人自动定位目标螺纹孔，将螺纹孔位置发送到机器人手臂并且锁定该位置，由于摄像头中心与螺栓中心关于机器人手臂连接轴对称，之后再旋转夹具使螺栓对准螺纹孔，并且通过图形监控判断此时拍摄到的圆图形是不是一个正圆，若是椭圆，则视觉继续引导机器人手臂，使图形监控拍摄到的圆为正圆。经过上述几步矫正之后拧紧电机开始转动，螺栓在齿轮的带动开始往下移动，此时螺栓也将螺栓托环板慢慢向下推动，当传感器接触到底板时，传递信号电机停止转动，第一个螺栓装配停止，模组电机(模组实际长度以实际要求为准)自动将机器人自动搬运到下一个螺纹孔预定位置，此时机器视觉自动引导机器人定位并螺栓装配，待所有螺栓装配完毕后，此时机器人手臂及夹具自动复位。由此，整个动作执行完成。

与现有技术相比，本实用新型还具有以下优点：

(1)本实用新型所提供的狭窄空间螺栓定位安装机器人的自动化程度高，安全性好，无需人工繁杂操作。

(2)本实用新型所提供的狭窄空间螺栓定位安装机器人的人机操作界面简单易于操作，能有效实时监控各动作状态。

(3)本实用新型所提供的狭窄空间螺栓定位安装机器人的引入机器视觉定位引导技术，定位精确度高。

(4)本实用新型所提供的狭窄空间螺栓定位安装机器人采用齿轮带动螺栓拧紧装置，结构设计紧凑简单，空间位置小。

(5)本实用新型所提供的狭窄空间螺栓定位安装机器人采用6轴机器人手臂，自由度高，旋转范围大，能适应狭小空间。

(6)本实用新型所提供的狭窄空间螺栓定位安装机器人运用模组导轨做机器人运输引导，稳定性高。

附图说明

图1是本实用新型所提供的狭窄空间螺栓定位安装机器人的结构示意图。

图2是本实用新型所提供的狭窄空间螺栓定位安装机器人的剖面图。

图3是本实用新型所提供的狭窄空间螺栓定位安装机器人局部剖视图。

图4是本实用新型所提供的运动模组、工业机器人及工装夹具的立体图。

图5是本实用新型所提供的运动模组、工业机器人及工装夹具的主视图。

图6是本实用新型所提供的运动模组、工业机器人及工装夹具的俯视图。

图7是本实用新型所提供的工装夹具的结构示意图。

图8是本实用新型所提供的从动齿轮的立体图。

图9是本实用新型所提供的从动齿轮的主视图。

图10是本实用新型所提供的图像处理的流程图。

图11是本实用新型PID控制的流程图。

上述附图中的标号说明：

1-安装平台，2-运动模组，3-工业机器人，4-工装夹具；

41-连接板，42-安装板，43-安装杆，44-摄像头，451-拧入电机，452-主动齿轮，453-从动齿轮，461-托环板、462-连接杆，463-复位弹簧，464-连接块，465-限位传感器；

21-导杆，22-伺服电机，23-导轨，24-第一滑块，25-第二滑块，26-丝杆；

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1：

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本实用新型公开了一种狭窄空间螺栓定位安装机器人，该机器人主要应用在狭窄空间内对螺纹孔进行装配，结构上主要包括用于固定安装机器人的安装平台1、设置在安装平台1上的固定板、用于拧紧螺栓的工装夹具4、用于驱动工装夹具4到达指定位置的工业机器人3、用于驱动工业机器人3平移的运动模组2、以及用于处理图像数据并驱动各执行部件的控制器。所述安装平台1固定设置，固定板安装在安装平台1上，所述运动模组2安装在固定板上，所述工装夹具4安装在工业机器人3的末端，所述工业机器人3安装在运动模组2上，所述控制器分别与运动模组2、工业机器人3和工装夹具4电连接，控制运动模组2驱动工业机器人3在固定板上平移，驱动工装夹具4将螺栓拧入螺纹孔内。

具体的，如图7所示，所述工装夹具4包括与工业机器人3末端固定连接的连接板41、安装板42、连接并固定安装板42与连接板41的安装杆43、用于获取螺纹孔位置图像的摄像头44、用于提高成像质量的LED光源、用于拧紧螺栓的驱动装置、以及用于控制拧入深度的限位装置。所述工业机器人3末端与连接板41的中部固定，使连接板41关于机器人末端对称。所述安装杆43的两端分别与连接板41和安装板42的一端连接，具体的，安装杆43的一端与连接板41的底部固定，另一端与安装板42的顶部固定，使连接板41、安装杆43和安装板42三者构成C字形结构。所述安装板42的另一端设有用于放置螺栓的开口，安放螺栓时需要从该开口处进入。所述摄像头44和LED光源均设置在安装板42上，并位于安装杆43下方，且摄像头44与螺栓关于工业机器人3末端转轴对称。所述驱动装置和限位装置安装在安装板42的另一端，且与摄像头44关于安装板42的中心轴对称。

具体的，如图7、图8和图9所示，所述驱动装置包括拧入电机451、主动齿轮452和从动齿轮453。所述拧入电机451固定在安装板42上，其输出轴向上穿过安装板42并与主动齿轮452固定连接，当拧入电机451转动时，其输出轴带着主动齿轮452转动。所述从动齿轮453的一侧通过轴承安装在连接板41上，并与主动齿轮452啮合，从动齿轮453的另一侧设有与螺栓配合的内六角孔，当主动齿轮452转动时，通过轮齿啮合带着从动齿轮453转动，由于从动齿轮453与螺栓关于六角孔配合，因此拧入电机451转动时便会带动螺栓转动，从而将螺栓拧入螺纹孔内。

具体的，所述限位装置包括用于承托螺栓的托环板461、连接杆462、复位弹簧463、连接块464、以及限制拧入深度的限位传感器465。所述安装板42上设有用于连接杆462穿过的连接孔，所述连接杆462穿过连接孔，连接杆462的一端与托环板461固定连接，另一端与连接块464的一端固定。所述限位传感器465固定在连接块464的另一端上；所述复位弹簧463套设在连接杆462上，其一端抵住安装板42，另一端与托环板461抵接。当螺栓和垫片从安装板42的开口处放入后，使螺栓的头部套入从动齿轮453的内六角孔中，并使托环板461在复位弹簧463的弹力作用下托住螺栓，而垫片则安放在安装板42与托环板461之间；螺栓拧入螺纹孔后，限位传感器465时刻检测螺栓的拧入深度，当限位传感器465与工件的底板接触后，拧入深度达到设定值拧入电机451停止转动，工业机器人3驱动工装夹具4释放螺栓并进入下一个螺纹孔的装配操作。

进一步的，为了更好地驱动工业机器人3在一个方向上平移，本实用新型所述运动模组2包括导杆21、伺服电机22、导轨23、第一滑块24、第二滑块25和丝杆26。所述导杆21和导轨23互相平行地固定在固定板上，沿着螺纹孔分布的方向延伸，具体长度应根据螺纹孔的数量及始末位置决定。所述第一滑块24安装在导杆21上，所述第二滑块25安装在导轨23上。所述工业机器人3固定在第一滑块24和第二滑块25上，由两个滑块共同承受工业机器人3的重量，这样可以大大提高工业机器人3来回移动的平顺性。所述丝杆26两端固定在固定板上，并与第二滑块25传动连接，由丝杆26拖动工业机器人3在导轨23上滑动。所述伺服电机22与丝杆26传动连接并驱动第二滑块25及工业机器人3在导轨23和导杆21上来回滑动。

作为本实用新型的优选方案，为了方便安放螺栓，并更好地将其托住，本实用新型所述托环板461采用环形结构。该环形结构包括连接板41和起支撑作用的环形板。所述连接板41的一端固定在连接杆462上，另一端与环形板的中部固定连接，从而形成对环形板的支撑。所述环形板的有效弧度为240度。

进一步的，为了使工业机器人3遇到障碍时能自动停止或自动绕过障碍，从而防止工业机器人3的损坏，本实用新型所述工业机器人3内部装有用于检测工业机器人3与外界之间的压力值的压力传感器，所述压力传感器与控制器电连接，当工业机器人3中的机械臂或工装夹具4接触到障碍物时，压力传感器便会计算当前的压力值，并反馈给控制器，当压力值超过设定值时，控制器便会驱动运动模组2或工业机器人3的机械臂停止或改变原来的运动方向以绕开障碍物，从而避免工业机器人3的损坏并提高螺栓的装配效率。

作为本实用新型的优选方案，为了更好更快更高效地将工装夹具4移动到螺纹孔上方，本实用新型所述工业机器人3采用电机内置式六关节串联结构的工业机器人3,且工业机器人3的各臂完全展开长度为1500mm，最大臂直径100mm，最小臂直径60mm，最大负载300Kg，工作空间为200mm的狭窄空间。

本实用新型还公开了一种狭窄空间螺栓定位安装机器人的控制系统，包括用于拧紧螺栓的工装夹具4、用于驱动工装夹具4到达指定位置的工业机器人3、用于驱动工业机器人3平移的运动模组2、以及用于处理图像数据并驱动各执行部件的控制器。

其中，所述控制器包括工控机、图像处理模块和机器人离线编程模块；

所述图像处理模块包括软件界面模块、处理算法模块和通信模块；

所述人机界面模块包括参数设置模块、手动运行模块、示教运行模块,I/O信号模块、自动运行模块、生产管理模块；

所述参数设置模块包括显示轴名窗口，轴类型窗口；

所述手动运行模块包括正软极限窗口，负软极限窗口；

所述示教运行模块包括回参考点模式窗口和回参考点方向窗口；

所述I/O信号模块包括编码器反馈偏置量窗口和回参考点高速窗口。

优选的，所述机器人离线编程模块包括如下功能：

(1)所编程的工作过程的知识；

(2)机器人和工作环境三维实体模型；

(3)机器人几何学、运动学和动力学的知识；

(4)基于图形显示的软件系统、可进行机器人运动的图形仿真；

(5)轨迹规划和检查算法，如检查机器人关节角超限、检测碰撞以及规划机器人在工作空间的运动轨迹等；

(6)传感器的接口和仿真，以利用传感器的信息进行决策和规划；

(7)通信功能，以完成离线编程系统所生成的运动代码到各种机器人控制柜的通信；

(8)用户接口，以提供有效的人机界面，便于人工干预和进行系统的操作。

本实用新型还公开了一种狭窄空间螺栓定位安装机器人的控制方法，包括如下步骤：

步骤S1:将螺栓和垫片放入工装夹具4内，并固定螺栓和垫片的位置，使螺栓的头部嵌入从动齿轮453的内六角孔内并与其配合，托环板461在复位弹簧463的弹力作用下托住螺栓并使螺栓与从动齿轮453保持配合，同时使垫片位于托环板461与安装板42之间。

步骤S2:将带有螺栓和垫片的工装夹具4移动到预定位置，该位置为工业机器人3执行安装的原点位置。

步骤S3:控制器利用摄像头44拍摄当前图像并通过图像处理方法获取当前图像的螺纹孔信息，从而控制工业机器人3将摄像头44移动到螺纹孔的正上方。

步骤S4:由于摄像头44与螺栓是对称的，因此当摄像头44到达螺纹孔的正上方时，工业机器人3驱动工装夹具4转动180度，使摄像头44与螺栓的位置互换，从而使螺栓位于螺纹孔的正上方。

步骤S5:拧入电机451驱动从动齿轮453转动，并带着螺栓向下拧入螺纹孔内。

步骤S6:为了确定螺栓拧入螺纹孔内的深度，当限位传感器465接触到底板后，拧入电机451停止转动，完成一个螺栓的装配并进入下一个螺栓的装配操作。

进一步的，本实用新型所述步骤S3还包括如下步骤：

步骤S31:通过摄像头44拍摄螺纹孔的位置图像并进行识别处理；

步骤S32:计算螺纹孔的二维空间位置；

步骤S33:计算实际位置与期望位置之间的差值；具体操作为：

图像处理计算得到的形心坐标与期望坐标的差值作为PID控制器的输入值，并控制机械臂末端运动到期望坐标值处，实现待安装螺栓与螺纹孔对准。

步骤S34:控制工业机器人3驱动工装夹具4移动到指定位置，实现待安装螺栓与螺纹孔的对准。

所述步骤S31还包括如下步骤：

步骤S311:采用柔性算法对捕捉的图像进行标定；如图10所示，具体操作步骤为：

采用相机标定柔性算法，使用精确测量的棋盘格标定模板，标定模板每个小方块的边长为25mm，通过随机变换相机或标定模板的位置，令相机至少在两个以上相对标定模板的不同方位成像，然后通过角点检测获得角点的图像坐标，进而计算相机参数(f_x,f_y,u₀,v₀)，设从相机获得的原始图像为f(x,y)，校正后的图像为q(u,v)，按如下公式进行转换：

从而获得图像坐标与世界坐标之间的关系并对图像传感器畸变进行矫正；

步骤S312:对图像进行灰度化预处理和均值滤波预处理；

其中，所述图像均值滤波的具体操作步骤为：

通过估算像素为(2n+1)×(2m+1)窗口内的像素真值，再用原始图像与之求差达到降噪的目的。

上式可以看出，经过几次降噪后，图像噪声降低到原来的式中代表第i幅图像位置(r,c)处的灰度值。

步骤S313:对螺纹孔的边缘进行检测；

步骤S314:对附近环境及区域进行检测；

步骤S315:对图像进行处理并获得螺纹孔的形心位置和角点的图像数据。

综上所述，如图11所示，本实用新型采用单目视觉来做视觉引导，旨在计算目标(螺纹孔)的二维空间位置，通过比较实际位置与期望位置，由控制系统控制机械手运动以实现待安装螺栓与螺纹孔的对准。图像处理包括滤波，边缘检测，区域检测和形心角点位置计算等步骤，最终得到目标的形心位置和六个角点在图像平面中的亚像素级坐标。将图像处理计算得到的形心坐标与期望坐标的差值作为PID控制器的输入值，并控制机械臂末端运动到期望坐标值处，实现待安装螺栓与螺纹孔对准。当软件识别定位螺纹孔后，机器人与工控机采用串并口或TCP/IP通信，将螺丝孔的实际准确位置(机器人全局坐标系下的相对位移)发送给机器人。机器人发送信息给相应电机使夹具转动，将螺栓转到准确位置实现视觉引导定位。

本实用新型的工作过程和原理是：螺栓和垫片从外侧通过安装板42的开口移至从动齿轮453的轴线位置，然后向上将螺栓头部伸入带内六角的从动齿轮453内并由螺栓托环板461通过弹簧力将其托住，接着将该装置移动至预定位置，将连接块464向下移动，安装螺栓到夹具从动齿轮453上，之后弹簧复位使螺栓固定。之后采用离线编程技术，通过摄像机作视觉引导避障，机器人手臂将夹具送到能拍摄到螺纹孔预定位置，整个过程实现全自动化，无需人工操作。再采取机器人自动定位目标螺纹孔，将螺纹孔位置发送到机器人手臂并且锁定该位置，由于摄像头44中心与螺栓中心关于机器人手臂连接轴对称，之后再旋转夹具使螺栓对准螺纹孔，并且通过图形监控判断此时拍摄到的圆图形是不是一个正圆，若是椭圆，则视觉继续引导机器人手臂，使图形监控拍摄到的圆为正圆。经过上述几步矫正之后拧紧电机开始转动，螺栓在齿轮的带动开始往下移动，此时螺栓也将螺栓托环板461慢慢向下推动，当传感器接触到底板时，传递信号电机停止转动，第一个螺栓装配停止，模组电机(模组实际长度以实际要求为准)自动将机器人自动搬运到下一个螺纹孔预定位置，此时机器视觉自动引导机器人定位并螺栓装配，待所有螺栓装配完毕后，此时机器人手臂及夹具自动复位。由此，整个动作执行完成。

实施例2：

本实用新型提供了一种狭窄空间螺栓定位安装机器人，具体包括机械单元、控制单元、驱动单元、视觉单元、显示操作单元.

优选的，所述机械单元包括6关节通用工业机器人3,专用工装夹具4,运动模组2.

优选的，所述6关节通用工业机器人3采用电机内置式六关节串联结构,其中，各臂完全展开长度为1500mm，最大臂直径100mm，最小臂直径60mm，最大负载300Kg，可在200mm的狭窄空间内工作。

优选的，所述6关节通用工业机器人3，采用铝合金、钢件、ABS塑料等材料，重量达到35kg左右.

优选的，所述6关节通用工业机器人3安装有压力传感器，遇到障碍能自动停止防止损坏。

优选的，所述6关节通用工业机器人3,主轴电机距螺栓孔距离为0.4m，整个机器人主轴输出扭矩力为6250N,采用速比为1：25的进口RV减速机。

优选的，所述6关节通用工业机器人3,末端采用带减速机装置的电机，可大幅降低电机扭矩力.

优选的，所述专用工装夹具4固定在机器人的末端,功能包括三个方面：

(1)携带若干规格尺寸的螺栓和垫片随机器人运动而不脱落，

(2)可将螺栓拧入螺纹孔中，

(3)实现螺栓拧紧.

优选的，所述专用工装夹具4带有摄像头44，可实现视觉自动对准。

优选的，所述专用工装夹具4,结构原理为：螺栓和垫片通过复位弹簧463力装夹在工装夹具4中,经过拧入电机451螺栓转动后借助螺栓自重旋入螺纹孔内.

优选的，所述螺栓和垫片由带内六角的从动齿轮453和螺栓托环板461通过复位弹簧463力装夹在工装夹具4中.螺栓转动依靠主动齿轮452和从动齿轮453副带动实现。

优选的，所述螺栓的拧入深度由限位传感器465保证.

优选的，所述运动模组2固定于安装平台1上，可实现X轴方向平移.

优选的，所述控制单元包括工控机,图像处理软件，伺服电机22。

优选的，所述图像处理软件包括软件界面模块，处理算法模块和通信模块。

优选的，所述驱动单元包括减速电机，主动齿轮452，从动齿轮453，拧入电机451。

优选的，所述视觉单元包括摄像头44，LED光源。

优选的，所述视觉单元,工作流程为：

(1)相机拍摄螺纹孔的位置图像；

(2)计算螺纹孔的二维空间位置；

(3)计算实际位置与期望位置差值；

(4)控制系统控制机械手运动，实现待安装螺栓与螺纹孔的对准.

优选的，所述图像处理处理算法模块,操作步骤为：

(1)相机标定

(2)图像预处理；

(3)边缘检测；

(4)区域检测；

(5)行心角点计算；

优选的，所述相机标定，具体操作步骤为：

采用相机标定柔性算法，使用精确测量的棋盘格标定模板，标定模板每个小方块的边长为25mm，通过随机变换相机或标定模板的位置，令相机至少在两个以上相对标定模板的不同方位成像，然后通过角点检测获得角点的图像坐标，进而计算相机参数(f_x,f_y,u₀,v₀)，设从相机获得的原始图像为f(x,y)，校正后的图像为q(u,v)，按如下公式进行转换：

从而获得图像坐标与世界坐标之间的关系并对图像传感器畸变进行矫正；

优选的，所述图像预处理包括灰度化和图像均值滤波。

优选的，所述图像均值滤波,具体操作步骤为：

通过估算像素为(2n+1)×(2m+1)窗口内的像素真值，再用原始图像与之求差达到降噪的目的。

上式可以看出，经过几次降噪后，图像噪声降低到原来的式中代表第i幅图像位置(r,c)处的灰度值。

优选的，所述行心角点计算得到目标的形心位置和六个角点在图像平面中的亚像素级坐标。

优选的，所述计算实际位置与期望位置差值,具体操作为：图像处理计算得到的形心坐标与期望坐标的差值作为PID控制器的输入值，并控制机械臂末端运动到期望坐标值处，实现待安装螺栓与螺纹孔对准。

优选的，所述通信模块,采用TCP/IP通信,将螺丝孔的实际准确位置发送给机器人.

优选的，软件识别定位螺纹孔后，机器人与工控机采用串并口或TCP/IP通信，将螺丝孔的实际准确位置(机器人全局坐标系下的相对位移)发送给机器人。机器人发送信息给相应电机使夹具转动，将螺栓转到准确位置实现视觉引导定位。

优选的，所述显示操作单元包括系统软件模块和机器人离线编程模块。

优选的，所述系统软件模块包括人机界面模块。

优选的，所述人机界面模块包括参数设置模块、手动运行模块、示教运行模块,I/O信号模块、自动运行模块、生产管理模块。

优选的，所述参数设置模块包括显示轴名窗口，轴类型窗口。所述手动运行模块包括正软极限窗口，负软极限窗口；所述示教运行模块包括回参考点模式窗口和会参考点方向窗口。所述I/O信号模块包括编码器反馈偏置量窗口和回参考点高速窗口。

优选的，所述显示操作单元基于机器人控制系统上做集成开发.

优选的，所述显示操作单元不仅包括机器人示教盒显示上面含有与其他工业机器人3相同的完整使用菜单，还包括单独的产品菜单功能。

优选的，所述单独的产品菜单功能,具体表现为：当选择自动拧螺栓时，需要在触摸屏示教盒上点击自动运行这个按钮，会弹出产品选项，选择自动拧螺栓，会弹出相应的自动拧螺栓人机界面，再点击开始按钮，系统自动运行,在视觉引导和在线编程的情况下机器人手臂将夹具顺利带动到摄像头44拍摄螺纹孔视角范围内，之后靠摄像机自动引导定位。

优选的，所述显示操作单元基于机器人本身控制系统上做轨迹优化，自动引导采用数据信息交换等技术.

优选的，所述离线编程模块,具体包括以下功能：

(1)所编程的工作过程的知识；

(2)机器人和工作环境三维实体模型；

(3)机器人几何学、运动学和动力学的知识；

(4)基于图形显示的软件系统、可进行机器人运动的图形仿真；

(5)轨迹规划和检查算法，如检查机器人关节角超限、检测碰撞以及规划机器人在工作空间的运动轨迹等；

(6)传感器的接口和仿真，以利用传感器的信息进行决策和规划；

(7)通信功能，以完成离线编程系统所生成的运动代码到各种机器人控制柜的通信；

(8)用户接口，以提供有效的人机界面，便于人工干预和进行系统的操作。

本实用新型采用单目视觉来做视觉引导，旨在计算目标(螺纹孔)的二维空间位置，通过比较实际位置与期望位置，由控制系统控制机械手运动以实现待安装螺栓与螺纹孔的对准。经过相机标定后的图像处理流程图。图像处理包括滤波，边缘检测，区域检测和形心角点位置计算等步骤，最终得到目标的形心位置和六个角点在图像平面中的亚像素级坐标。将图像处理计算得到的形心坐标与期望坐标的差值作为PID控制器的输入值，并控制机械臂末端运动到期望坐标值处，实现待安装螺栓与螺纹孔对准。当软件识别定位螺纹孔后，机器人与工控机采用串并口或TCP/IP通信，将螺丝孔的实际准确位置(机器人全局坐标系下的相对位移)发送给机器人。机器人发送信息给相应电机使夹具转动，将螺栓转到准确位置实现视觉引导定位。

本实用新型是在机器人控制系统上做集成开发的，机器人示教盒显示上面含有与其他工业机器人3相同的完整使用菜单，另外还含有单独的产品菜单功能。当选择自动拧螺栓时，需要在触摸屏示教盒上点击自动运行这个按钮，会弹出产品选项，选择自动拧螺栓，会弹出相应的自动拧螺栓人机界面，再点击开始按钮，系统自动运行，在视觉引导和在线编程的情况下机器人手臂将夹具顺利带动到摄像头44拍摄螺纹孔视角范围内，之后靠摄像机自动引导定位。整个系统是在机器人本身控制系统上做轨迹优化，自动引导采用数据信息交换等技术。本实用新型实施方式就是通过对实际工作环境测量进行三维图形建模，利用图形仿真技术模拟机器人手臂将夹具送到螺纹孔位置处，由于工作环境狭窄，机器人手臂在具体移动时还需通过夹具上的摄像机采集数据信息分析来避障，确保机器人手臂能够顺利达到预定位置。

本实用新型的动作顺序具体为：螺栓和垫片从外侧通过缺口移至图示轴线位置，然后向上将螺栓头部伸入带内六角的从动齿轮453内并由螺栓托环板461通过弹簧力将其托住。首先将该装置移动至预定位置，将连接块464向下移动，安装螺栓到夹具从动齿轮453上，之后弹簧复位使螺栓固定。之后采用离线编程技术，通过摄像机作视觉引导避障，机器人手臂将夹具送到能拍摄到螺纹孔预定位置，整个过程实现全自动化，无需人工操作。再采取机器人自动定位目标螺纹孔，将螺纹孔位置发送到机器人手臂并且锁定该位置，由于摄像头44中心与螺栓中心关于机器人手臂连接轴对称，之后再旋转夹具使螺栓对准螺纹孔，并且通过图形监控判断此时拍摄到的圆图形是不是一个正圆，若是椭圆，则视觉继续引导机器人手臂，使图形监控拍摄到的圆为正圆。经过上述几步矫正之后拧紧电机开始转动，螺栓在齿轮的带动开始往下移动，此时螺栓也将螺栓托环板461慢慢向下推动，当传感器接触到底板时，传递信号电机停止转动，第一个螺栓装配停止，模组电机(模组实际长度以实际要求为准)自动将机器人自动搬运到下一个螺纹孔预定位置，此时机器视觉自动引导机器人定位并螺栓装配，待所有螺栓装配完毕后，此时机器人手臂及夹具自动复位。由此，整个动作执行完成。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种狭窄空间螺栓定位安装机器人，其特征在于，包括用于固定安装机器人的安装平台、设置在安装平台上的固定板、用于拧紧螺栓的工装夹具、用于驱动工装夹具到达指定位置的工业机器人、用于驱动工业机器人平移的运动模组、以及用于处理图像数据并驱动各执行部件的控制器；所述安装平台固定设置，所述运动模组安装在固定板上，所述工装夹具安装在工业机器人的末端，所述工业机器人安装在运动模组上，所述控制器分别与运动模组、工业机器人和工装夹具电连接，控制运动模组驱动工业机器人在固定板上平移，驱动工装夹具将螺栓拧入螺纹孔内；

所述工装夹具包括与工业机器人末端固定连接的连接板、安装板、连接安装板与连接板的安装杆、用于获取螺纹孔位置图像的摄像头、用于提高成像质量的LED光源、用于拧紧螺栓的驱动装置、以及用于控制拧入深度的限位装置；所述工业机器人末端与连接板的中部固定；所述安装杆的两端分别与连接板和安装板的一端连接；所述安装板的另一端设有用于放置螺栓的开口；所述摄像头和LED光源均设置在安装板上，位于安装杆下方；所述驱动装置和限位装置安装在安装板的另一端，且与摄像头关于安装板的中心轴对称；

所述驱动装置包括拧入电机、主动齿轮和从动齿轮；所述拧入电机固定在安装板上，其输出轴向上穿过安装板并与主动齿轮固定连接；所述从动齿轮的一侧通过轴承安装在连接板上，并与主动齿轮啮合，从动齿轮的另一侧设有与螺栓配合的内六角孔；

所述限位装置包括用于承托螺栓的托环板、连接杆、复位弹簧、连接块、以及限制拧入深度的限位传感器；所述安装板上设有连接孔，所述连接杆穿过连接孔，连接杆的一端与托环板固定连接，另一端与连接块的一端固定；所述限位传感器固定在连接块的另一端上；所述复位弹簧套设在连接杆上，其一端抵住安装板，另一端与托环板抵接。

2.根据权利要求1所述的狭窄空间螺栓定位安装机器人，其特征在于，所述运动模组包括导杆、伺服电机、导轨、第一滑块、第二滑块和丝杆；所述导杆和导轨互相平行地固定在固定板上，所述第一滑块安装在导杆上，所述第二滑块安装在导轨上；所述工业机器人固定在第一滑块和第二滑块上；所述丝杆两端固定在固定板上，并与第二滑块传动连接；所述伺服电机与丝杆传动连接并驱动第二滑块及工业机器人在导轨和导杆上来回滑动。

3.根据权利要求1所述的狭窄空间螺栓定位安装机器人，其特征在于，所述托环板采用环形结构，包括连接板和环形板；所述连接板的一端固定在连接杆上，另一端与环形板的中部固定连接；所述环形板的弧度为240度。

4.根据权利要求1所述的狭窄空间螺栓定位安装机器人，其特征在于，所述工业机器人内部装有用于检测工业机器人与外界之间的压力值的压力传感器，所述压力传感器与控制器电连接。

5.根据权利要求1所述的狭窄空间螺栓定位安装机器人，其特征在于，所述工业机器人采用电机内置式六关节串联结构的工业机器人,各臂完全展开长度为1500mm，最大臂直径100mm，最小臂直径60mm，最大负载300Kg，工作空间为200mm的狭窄空间。

6.根据权利要求5所述的狭窄空间螺栓定位安装机器人，其特征在于，所述工业机器人的主轴电机距。