一种基于单目相机机器视觉的工业机器人性能检测系统的制作方法

本发明涉及工业机器人性能检测技术领域，特别涉及一种基于单目相机机器视觉的工业机器人性能检测系统。

背景技术：

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。在工业机器人生产制造领域中，通常要对工业机器人的各项性能加以检测，特别是《GBT 12642-2013 工业机器人性能规范及其试验方法》规定的位姿准确度、位姿重复性、多方向位姿准确度变动、距离准确度、距离重复性、位置稳定时间、位置超调量、位子特性漂移、轨迹准确度、轨迹重复性、重定向轨迹准确度、拐角偏差、拐角速度特性、最小定位时间、摆动偏差等指标的检测。

目前，常见的测量方法主要有：（1）基于三坐标测量机的测量方法，如东北大学张晓瑾博士的学位论文《串联机器人位姿精度分析与建模》中的相关方法；（2）基于激光跟踪仪的测量方法，如国家机械产品安全质量监督检验中心杜亮等人发表的学术论文《给予激光跟踪仪测量机器人距离精度的试验设计》；（3）基于拉线传感器的测量方法，如安徽埃夫特智能装备有限公司肖永强等人发表的技术论文《基于拉线传感器的工业机器人标定系统研制》；（4）基于接触式位移传感器的测量方法，如上海天尧科技有限公司研发的WDL系列机器人检测拉杆式直线位移传感器；（5）基于双目相机机器视觉的测量方法，如中国科学院沈阳自动化研究所董再励等人完成的科技成果《机器人直线轨迹性能检测技术研究》；（6）基于单目相机机器视觉的测量方法，如西安交通大学梅雪松教授团队提出的基于单目相机机器视觉测量不确定度引起的重复定位误差方法；（7）基于球杆仪的测量方法，如英国雷尼绍公司研发的QC10系列球杆仪可以测量评价工业机器人动态轮廓精度。

在以上所述各种方案中，方案（1）的缺点在于只能测量部分工业机器人性能静态参数，检测成本较高，测量不方便，原因在于三坐标测量仪测量原理为通过精密运动与检测控制探针与被测量系统接触，需要被测量对象是静止的，而对于动态变化的对象则无能为力，因此无法测量工业机器人动态性能指标；三坐标测量仪售价非常高；三坐标测量机体积庞大、难以移动使用，而工业机器人一般也不方便挪动，因此测量时非常不方便；方案（2）的缺点在于检测成本高昂、受环境影响较大、检测过程复杂，原因在于该方案所利用的核心传感器激光跟踪仪售价高昂，目前市场价低端在80万人民币左右，中高端在200万-300万人民币之间，这样的费用是中小型企业和科研院所无法承担的，即使租借使用，租借费用也在每天两万人民币以上；激光跟踪仪对于环境温度、气流变化都比较敏感，因此需要在测量时对环境进行隔离，辅助工作比较复杂；激光跟踪仪的预热、调试也比较复杂，需要专业人员操作，中间过程一旦出现暂停，就无法连续，需要重新开始检测工作，非常不方便；方案（3）缺点在于只能测量位置指标、无法测量姿态指标，另外缺点在于测量精度低，原因在于该系统由多个拉线传感器构成，测量自由度往往少于机器人自由度，因此姿态指标测不出来，多个拉线传感器在组合测量时引入安装不确定误差以及多个拉线传感器在使用时使用串联造成误差积累；方案（4）缺点只能测量位姿重复性指标，原因在于传感器性能限制；方案（5）和（6）的机器视觉实施方案缺点在于测量精度低，原因在于工业机器人运动范围较大，视觉传感器测量精度随着测量范围的变大，其每一个像素所代表的实际尺度就会变大，因此误差就会变大，另外，大范围测量尺度给视觉传感器引入了过多的干扰、不利于视觉图像处理，大范围测量也使得目标环境中的视觉特征较为复杂，导致视觉传感器工作在很大的动态性能范围内，不利于图像稳定；方案（7）缺点在于测量复杂、不方便，原因在于球杆仪属于单点接触式测量触感器，对于动态测量指标需要设计复杂的检测实验和检测算法，对检测人员专业能力要求较为严格。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种基于单目相机机器视觉的工业机器人性能检测系统，其结构设置简单合理、操作方便、成本低廉、实用价值强、检测精确、自动化程度较高、检测时间较短，能够有效实现对工业机器人的各项性能检测。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种基于单目相机机器视觉的工业机器人性能检测系统，包括：

测量机构，所述测量机构用于在检测时进行信号采集，所述测量机构包括用于安装至机器人末端的测量基座，所述测量基座上分别设置有负载支架、光源支架及相机，所述负载支架用于安装测试负载，所述光源支架上设置有与所述相机位置相对应的测量光源，所述测量光源用于在测试时为所述相机提供均匀稳定的照明；

分析处理机构，所述分析处理机构用于在检测时进行信号处理、运算并输出计算结果，所述分析处理机构包括信号采集控制卡和分析计算装置，所述采集控制卡分别与机器人控制柜、所述相机、所述测量光源及所述分析计算装置电连接；

靶标机构，所述靶标机构用于在检测时提供测量对象，所述靶标机构包括隔震基座、伸缩式连杆、万向球头关节、横向固定支架及靶标，所述万向球头关节通过所述伸缩式连杆与所述隔震基座固定连接，所述横向固定支架的一端与所述万向球头关节相连接，所述横向固定支架的另一端与所述靶标固定连接。

进一步地，所述测量基座内设有信号线槽，所述信号线槽内穿设有信号传输线，所述信号传输线的一端电连接至所述相机，所述信号传输线的另一端电连接至所述信号采集控制卡。

进一步地，所述信号线槽内设有屏蔽组件，所述屏蔽组件包括锡箔纸包覆层和金属隔层，所述锡箔纸包覆层包裹于所述信号传输线的外部，所述金属隔层设置于所述锡箔纸包覆层的外部。

进一步地，所述信号采集控制卡包括有与所述机器人控制柜相配合的工业机器人工作启动监控信号采集通路、与所述相机相配合的相机图像采集通路、与所述测量光源相配合的测量装置光源启动控制通路，所述工业机器人工作启动监控信号采集通路及所述相机图像采集通路由同一时钟电路管理。

进一步地，所述隔震基座包括外框、面板及蜂窝隔震层，所述面板与所述外框固定连接，所述蜂窝隔震层设置于所述外框内，所述伸缩式连杆的底部与所述面板固定连接。

进一步地，所述横向固定支架靠近所述万向球头关节的一端设置有联轴器，所述横向固定支架通过所述联轴器与所述万向球头关节相连接。

进一步地，还包括校正机构，所述校正机构用于对所述测量机构所用相机进行校正，所述校正机构包括暗盒，所述暗盒的其中一个内壁设置为相机安装基面，所述相机安装基面用于在校正时安装所述相机，所述相机安装基面上还设置有校正光源，所述校正光源用于在校正时为所述相机提供均匀稳定的照明，所述暗盒的与所述相机安装基面相对的内壁设置为成像特征面，所述成像特征面上设置有成像边缘。

进一步地，所述成像特征面由纯白色区域和纯黑色区域配合构成，所述纯白色区域与所述纯黑色区域呈均匀对称设置，所述纯白色区域与所述纯黑色区域之间形成有所述成像边缘。

进一步地，还包括移动暗室，所述移动暗室包括暗室支架、滚轮及若干遮光布，所述滚轮装设于所述暗室支架的底部，任意相邻两个所述遮光布之间通过粘接连接形成遮光罩，所述遮光罩罩设于所述暗室支架的外部。

进一步地，位于所述暗室支架侧面的其中一块遮光布的外侧设置有一对双面背胶粘接扣带，且两个所述双面背胶粘接扣带相对于所述暗室支架呈上下设置。

本发明的有益效果为：本发明提供的基于单目相机机器视觉的工业机器人性能检测系统，工作时，将测量机构与待测机器人的末端（即机械爪手）固定相连，并将靶标机构静止放置，使测量机构整体随着机器人的运动观测静止的靶标机构，并由相机摄取靶标上的特征图案，相机再将采集到的图像信息实时传送至分析处理机构，由分析处理机构对获取的图像信息进行分析处理、运算并输出结果。

与传统方案中靶标机构装在机器人末端随机器人运动、测量机构固定安装的方式相比，本发明不仅能够有效减小测量误差，而且还能够规避现有技术中因大范围测量尺度而造成的干扰，使得图像稳定性更好；通过在测量机构上设置负载支架，在测试时能够有效实现带载测试，进一步确保了测试准确度；通过在测量基座上配置测量光源，由测量光源为相机提供均匀稳定的照明，也有利于确保相机的摄像效果，提高了测量精度。

本发明提供的靶标机构，通过采用隔震基座，能够有效隔离测试现场由于机器人运动或现场其他外部设备工作引入的震动，提高了靶标位置稳定性，确保了测量精度；通过在靶标与隔震基座之间设置伸缩式连杆、万向球头关节及联轴器等中间连接部件，使得本发明在工作时能够方便地调节靶标的位置，操作使用较为方便，有效扩大了适用范围。

本发明提供的校正机构，通过在暗盒内分别设置相机安装基面和成像特征面，在成像特征面上设置成像边缘，使用时，将待校正的相机安装于相机安装基面，使相机与分析处理机构电连接，校正时，首先通过相机采集成像特征面的图像，相机再将采集到的图像上传至分析处理机构，由分析处理机构计算出成像边缘在该图像中的长度，然后，操作者再根据相关校正公式，便能够校正出相机底座与相机成像平面之间的实际距离，从而有利于提高测量系统的测量准确度，降低了测量误差。

本发明提供的移动暗室，能够随时随地提供暗室环境，使得无需搬运机器人，大大降低了操作者的操作难度，提高了检测效率。

综上所述，本发明结构设置简单合理、操作方便、成本低廉、实用价值强、检测精确、自动化程度较高、检测时间较短，能够有效实现对工业机器人的各项性能检测。

附图说明

图1是本发明测量机构的结构示意图。

图2是图1中A处的放大结构示意图。

图3是本发明分析处理机构的结构示意图。

图4是本发明靶标机构的结构示意图。

图5是本发明校正机构的结构示意图。

图6是本发明校正机构的成像特征面的结构示意图。

图7是本发明校正机构的工作原理模型图。

图8是本发明移动暗室的结构示意图。

图9是本发明移动暗室的暗室支架的结构示意图。

图1-9中：

11、测量基座；111、法兰安装孔；112、信号线槽；12、负载支架；13、光源支架；14、相机；141、相机本体；142、镜头；143、相机底座；144、相机成像平面；15、测试负载；16、测量光源；17、信号传输线；181、锡箔纸包覆层；182、金属隔层；21、信号采集控制卡；211、工业机器人工作启动监控信号采集通路；212、相机图像采集通路；213、测量装置光源启动控制通路；22、分析计算装置；221、信号采集模块；222、检测选择模块；223、图像处理模块；224、检测报告生成模块；31、隔震基座；311、外框；312、面板；313、蜂窝隔震层；32、伸缩式连杆；33、万向球头关节；34、横向固定支架；341、螺杆；35、靶标；36、联轴器；411、箱体；412、顶盖；42、相机安装基面；43、校正光源；44、成像特征面；441、纯白色区域；442、纯黑色区域；443、成像边缘；51、暗室支架；511、横向支架；512、纵向支架；513、侧面竖向支架；52、滚轮；53、遮光布；54、连接角件；55、双面背胶粘接扣带；6、机器人控制柜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1至9所示的一种基于单目相机机器视觉的工业机器人性能检测系统，包括测量机构、分析处理机构及靶标机构，其中，测量机构用于在检测时进行信号采集，分析处理机构用于在检测时进行信号处理、运算并输出计算结果，靶标机构用于在检测时提供测量对象。

参见图1和图2，测量机构包括用于安装至机器人末端（即机器人的机械爪手）的测量基座11，本实施例中，测量基座11上设置有若干法兰安装孔111，测量基座11通过法兰安装孔111与机器人末端的法兰固定相连，利用安装孔实现测量基座11与机器人末端的固定连接，使得拆装较为方便。测量基座11上分别设置有负载支架12、光源支架13及相机14，负载支架12用于安装测试负载15，本实施例中，负载支架12的数量为两个，两个负载支架12对称设置在测量基座11上，且每个负载支架12上安装的测试负载15重量相等，以确保检测时机器人能够均匀受力，以提高机器人动作稳定性和检测准确度。光源支架13上设置有与相机14位置相对应的测量光源16，测量光源16优选采用光效好、能耗低的LED光源，测量光源16用于在测试时为相机14提供均匀稳定的照明。相机14主要由相机本体141和镜头142配合组成，为了保证相机14的成像效果，相机本体141的采集帧率大于或等于50fps，清晰度保证靶标深度定位特征在相机14成像中精度不低于5μm；此外，相机本体141优选采用1000万以上像素的高速网络相机14，并且镜头142的畸变率小于1%。当然，在其他实施例中，为了测量需要，也可以选用其他适当规格的相机本体141和/或镜头142。

为了使本发明布线更为合理、美观，以节约安装空间，测量基座11内设有信号线槽112，信号线槽112内穿设有信号传输线17，信号传输线17的一端电连接至相机14，信号传输线17的另一端电连接至信号采集控制卡21。本实施例中，信号传输线17优选采用工业级以太网线缆，当然，在其他实施例中，为了测量需要，也可以选用其他适当规格的信号传输线。

信号线槽112内设有屏蔽组件，具体地说，屏蔽组件包括锡箔纸包覆层181和金属隔层182，锡箔纸包覆层181包裹于信号传输线17的外部，金属隔层182设置于锡箔纸包覆层181的外部，从而来对信号传输线17进行屏蔽处理，有效降低了外界的干扰。

参见图3，分析处理机构包括信号采集控制卡21和分析计算装置22，信号采集控制卡21分别与机器人控制柜6、相机14、测量光源16及分析计算装置22电连接。在工作时，将测量机构与待测机器人的末端（即机械爪手）固定相连，并将靶标35机构静止放置，使测量机构整体随着机器人的运动观测静止的靶标35机构，并由相机14摄取靶标35上的特征图案，相机14再将采集到的图像信息实时传送至分析处理机构，由分析处理机构对获取的图像信息进行分析处理、运算并输出结果，从而便可以实现对机器人各项性能指标的检测。

其中，信号采集控制卡21优先但不限定基于高性能单片机自行开发，当然，作为其他实施方式，数字信号处理器DSP、高级精简指令集微处理器ARM或现场可编程门阵列FPGA、片上可编程系统SOPC经裁剪设计也均可以用作本发明的信号采集控制卡。

信号采集控制卡包括有与机器人控制柜6相配合的工业机器人工作启动监控信号采集通路211、与相机14相配合的相机图像采集通路212、与测量光源16相配合的测量装置光源启动控制通路213，其中，工业机器人工作启动监控信号采集通路211及相机图像采集通路212由同一时钟电路管理，而且通过该信号采集控制卡21采集到的图像信号（由相机14发送）和机器人状态信号（由机器人控制柜6发送）均带有时间戳，换言之，通过该信号采集控制卡21，可以分析出每一帧图像信号与机器人状态信号之间的时间关系。

本实施例中，信号采集控制卡21与分析计算装置22之间优选采用高速以太网进行通讯。分析计算装置22包括有信号采集模块221、检测选择模块222、图像处理模块223、检测报告生成模块224，其中信号采集模块221主要用于将电路信号采集进入软件系统，检测选择模块222可供操作人员按照需要进行选择性检测，图像处理模块223主要用于图像信号归一化处理、图像信号二值化处理、图像信号边缘提取、图像信号轮廓提取、图像信号特征提取、图像信号特征综合计算等，检测报告生成模块224根据检测选择模块222操作人员的选择结果和图像处理模块223处理计算结果自动生成检测报告。

参见图4，靶标机构包括隔震基座31、伸缩式连杆32、万向球头关节33、横向固定支架34及靶标35，万向球头关节33通过伸缩式连杆32与隔震基座31固定连接，横向固定支架34的一端设置有联轴器36，横向固定支架34通过联轴器36与万向球头关节33相连接，横向固定支架34的另一端与靶标35固定连接。通过采用隔震基座31，能够有效隔离测试现场由于机器人运动或现场其他外部设备工作引入的震动，提高了靶标35位置稳定性，确保了测量精度；通过在靶标35与隔震基座31之间设置伸缩式连杆32、万向球头关节33及联轴器36等中间连接部件，使得在工作时能够方便地调节靶标35的位置，操作使用较为方便，有效扩大了适用范围。

隔震基座31包括外框311、面板312及蜂窝隔震层313，面板312与外框311固定连接，蜂窝隔震层313设置于外框311内，伸缩式连杆32的底部与面板312固定连接，外框311采用刚性强、变形小、焊接性能好的优质碳钢加工而成，蜂窝隔震层313采用固有频率低、阻震性能强的蜂窝结构材料制成，以最大限度隔离震动，面板312采用高导磁不锈钢板，具有实用性强、耐磨性好的优点。通过采用上述结构，有效提高了隔震基座31的减震效果。

本实施例中，伸缩式连杆32设置为多节抽拉式伸缩连杆，能够使操作者方便地调节靶标35相对于隔震基座31的高度，具体地说，本实施例中，伸缩式连杆32要求可调范围为600-2000mm。

本实施例中，靶标35的背面设有螺纹孔，横向固定支架34的相应端部设置有与螺纹孔匹配的螺杆341，横向固定支架34通过螺杆341与靶标35固定连接，通过设置螺纹孔，利用螺纹孔与螺杆341螺纹配合的方式，来实现横向固定支架34与靶标35之间的连接固定，使得本发明装配方便、快捷。

作为本系统的一个辅助机构，参见图5、图6及图7，本发明检测系统还包括校正机构，校正机构用于对测量机构所用相机14进行校正。校正机构包括暗盒，暗盒包括箱体411、与箱体411配合连接的顶盖412，箱体411的其中一个内壁设置为相机安装基面42，相机安装基面42用于在校正时安装相机14，相机安装基面42上还设置有校正光源43，校正光源43用于在校正时为相机14提供均匀稳定的照明，暗盒的与相机安装基面42相对的内壁设置为成像特征面44，成像特征面44上设置有成像边缘443。

具体地说，成像特征面44由纯白色区域441和纯黑色区域442配合构成，纯白色区域441与纯黑色区域442呈均匀对称设置，纯白色区域441与纯黑色区域442之间形成有成像边缘443。通过采用纯白色区域441与纯黑色区域442，使得成像边缘443特征更为明显，有利于相机14获取其图像信息。

操作者通过开启顶盖412，可以将待校正的相机14安装至相机安装基面42，使相机14与分析处理机构电连接，校正时，首先开启校正光源43，并通过相机14采集成像特征面44的图像，操作者再将采集到的图像上传至电脑主机，相机14再将采集到的图像上传至分析处理机构，由分析处理机构计算出成像边缘443在该图像中的长度h，根据相关数学公式，便可以校正出相机本体141的相机底座143与相机成像平面144之间的实际距离s。

具体地说，参见图7，成像特征面44中成像边缘443的实际长度为特定事先测量值H，相机14焦距f由相机14手册提供，相机安装基面42（即相机底座143所处平面）与成像特征面44之间的距离L事先测量确定，基于以上数据信息，可以得出成像特征面44与相机14焦点之间的距离d，即：

d=fH/h；

则s=L-d-f。

作为本系统的另一个辅助机构，参见图8和图9，本发明检测系统还包括移动暗室，移动暗室包括暗室支架51、滚轮52及若干遮光布53，为了使本发明整体更为轻便，暗室支架51包括顶部支架、与顶部支架固定连接的若干侧面竖向支架513，滚轮52装设于侧面竖向支架513的底部，优选地，滚轮52采用万向刹车轮，移动灵活，且制动效果较好。具体地，顶部支架由两条横向支架511和两条纵向支架512配合构成，横向支架511与纵向支架512的连接处设置有侧面竖向支架513。为了使暗室支架51整体连接更加稳固，相应横向支架511、纵向支架512及侧面竖向支架513之间通过连接角件54固定连接。

任意相邻两个遮光布53之间通过粘接连接形成遮光罩，遮光罩罩设于暗室支架51的外部。为了提高对暗室的遮光效果，以进一步隔离外界不稳定光照对相机14采集图像造成的动态干扰和图像处理引入的非线性因素，本发明优选采用遮光率为99.5%以上的加厚非反射全遮光布。

位于暗室支架51侧面的其中一块遮光布53的外侧设置有一对双面背胶粘接扣带55，且两个双面背胶粘接扣带55相对于暗室支架51呈上下设置。当操作者需要打开该遮光布53时，只需先将该遮光布53向上掀起，然后将上述两个双面背胶粘接扣带55粘接在一起，便可以使遮光布53保持开启状态，使得操作者进出暗室较为方便。

本发明提供的移动暗室，通过在暗室支架51的底部设置滚轮52，使得本发明移动灵活、方便，在暗室支架51的外部罩设遮光罩，确保了能够形成供检测系统进行检测工作的避光环境，在其中一个遮光布53的外侧设置掀起机构，一方面，能够在推动移动暗室靠近检测位置时可以打开该侧遮光布53，以方便相应检测机构（如测量机构、靶标机构等）及机器人进入暗室支架51的内部，另一方面，还便于操作者进出暗室，使得操作使用尤为方便。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。