基于视觉的大型结构件移动机械臂多坐标加工中心实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及多坐标加工中屯、、移动机器人和视觉感知方法，特别设及基于视觉的 大型结构件移动机械臂多坐标加工中屯、实现方法，属于机械和信息技术领域。
【背景技术】
[0002] 装备制造业被誉为"工业母机"，是制造业的基石。工业现代化所需的各类装备 和设施都离不开高档加工中屯、和基础制造装备，其性能、质量和拥有量已成为当今衡量一 个国家工业化水平、综合国力的重要标志；综观全球，美国、日本、德国等世界装备制造业强 国无不重视控制高端制造装备运一产业制高点，重视用高技术优化提升传统装备制造业， 支撑高端制造，保持产业优势；随着机床工业的发展，加工中屯、的技术水平也得到了较大发 展；加工中屯、具有W下主要特点：山加工中屯、万能性大，大型工件装夹及找正困难而且费 时，因此希望尽可能在一次安装中将全部表面加工出来，所W加工中屯、的万能性较大，数控 机床可W进行僮、锐、钻等各种工作；似由于加工中屯、庞大，为使操纵方便起见，通常是用 悬挂式操纵板或操纵台集中操纵；樹为了观察部件位移方便，加工中屯、大多备有移动部件 立柱、主轴箱及僮轴位移的数码显示装置，W节省观察及测量位移的时间和减轻工人劳动 强度；加工中屯、技术发展的总趋势是高速、精密和多功能，其产品开发针对难加工材料的重 切削机种、针对复杂开关加工的智能多轴控制装置和综合多轴控制系统。
[0003] W传统金切削为主的五轴联动加工中屯、价格很高，若大型龙口则更昂贵；该加工 中屯、扭矩大，精度高，速度慢，可加工各种金属及非金属；
[0004] 机器人技术是设及机械学、传感器技术、驱动技术、控制技术、通信技术和计算机 技术的一口综合性高新技术，既是光机电一体化的重要基础，又是光机电一体化技术的典 型代表，它是多学科科技革命的必然结果。近年来，随着机器人研究的不断发展，机器人技 术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透，结合运些领域的应用特点，各种各样的具 有不同功能的机器人被研制出来，并且在不同的应用领域都得到了广泛的应用；例如，美 国Wolstenholme机器公司生产的MR5和MR7排爆机器人，能用于户内及户外环境、适应各 种地形活动，完成排爆功能，已被美国军方广泛使用；排爆机器人是特种机器人的一种，主 要用于在事发现场排除处理爆炸物及其他危险物品；排爆机器人的多功能机械手，作为排 爆机器人的完成抓取任务的主要执行器，应能完成包括抓取爆炸物在内的一系列任务，对 于排爆机器人来讲尤为重要；排爆是一个充满变化而复杂的过程，在排爆机器人执行任务 的过程中，最关键的一步就是控制机器人的多功能机械手去抓取目标物，即控制机械手精 确的定位到目标物位置，完成抓取动作；目前世界上已投入使用的排爆机器人，在工作方式 上，都需要一个经验丰富的操作员，对机械手进行远程手动控制，达到机械手精确定位的目 的。运种工作方式，一方面对操作员的要求非常高，另一方面，手动控制也很难达到很高的 精度；因此，若能通过计算机视觉技术实现机械手的自动精确定位，而不需要去手动控制机 械手的各个关节，将会在很大程度上提高排爆机器人的性能。
[0005] 然而，移动机械臂对大型结构件（如飞机结构件等）还不能完成多坐标加工中屯、 的功能，不能有效降低多坐标联动加工中屯、的昂贵价格。
【发明内容】
[0006] 为了克服移动机械臂对大型结构件不能完成多坐标加工中屯、功能的技术缺陷，本 发明提出一种基于视觉的大型结构件移动机械臂多坐标加工中屯、实现方法，该方法通过在 移动机械臂上设置加工任务和工序；在移动机械臂不同方向安装僮、锐、钻加工刀具、设置 轨道和自动夹具、在轨道周边竖立多个光标识点，并在移动机械臂上安装CCD和激光测距 或者安装connect相机，在加工过程进行在线定位监测和误差修正，对加工系统给出故障 报警，解决了移动机械臂对大型结构件多坐标加工中屯、功能的技术问题。
[0007] 本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种基于视觉的大型结构件移动机械 臂多坐标加工中屯、实现方法，其特征包括W下步骤：
[0008] (1)在移动机械臂上设置加工任务和工序；在移动机械臂不同方向安装僮、锐、钻 加工刀具、设置轨道和自动夹具、在轨道周边竖立多个光标识点，并在移动机械臂上安装 CCD和激光测距或者安装connect相机；当移动机械臂移动至结构件的某一加工点时，移动 机械臂停止运动并自动锁死，CCD和激光测距或者安装connect相机根据轨道周边竖立多 个光标识点进行多坐标对准和准确定位，通过移动机械臂多关节控制器控制加工过程，并 进行在线加工积累误差修正，加工完成后松开夹具，移动机械臂移动到下一道工序；
[0009] (2)移动机械臂具有多关节控制功能；在移动机械臂上安装CCD和激光测距或者 安装connect相机，当移动机械臂移动至结构件的某一加工点时，移动机械臂停止运动并 自动锁死，CCD和激光测距或者安装connect相机根据轨道周边竖立多个光标识点进行多 坐标对准和准确定位，通过移动机械臂多关节控制器控制加工过程；
[0010] 假定某一道工序检测到某个轨道周边竖立的光标识点坐标分别为（0, 0, 0)，（XI，yi ，Zi),(而，y2,Z2),…，（X。，y。，Z。)，，且为已知量；n+1光标识点的个数，激光测距仪激光出口或 者connect相机中屯、的坐标为（X,y,Z)，激光测距的定位要求为：
[001引其中，r,ri，。，…，r。分别为（X，y,Z)到（；0, 0, 0)，（X1，yi,Zi),(而，72,Z2),… ，（X。，y。，Z。）的距离，误差写1.i= 1，2,…，n满足条件IC11 <e。，I。<e。，…，I。<e。，e。为 给定的正数，Xp，yp，Zp为在加工工艺中预先设定的位置，emJ%给定的最大定位误差，e。为给 定的最大图像位置误差，AL为矩阵A的无穷范数；
[0014] 同时，要求先对准某个轨道周边竖立的光标识点的坐标（0,0,0)图像位置，其余 多个光标识点在CCD图像中的坐标位置要满足：
[0015]
[001引其中，（Xit，yit)，（而。yj，…，（X。。yj分别为在轨道周边竖立的光标识点的坐标 (Xl，yi，Zi), (X2，y2，Z2)，…，（Xn，yn，Zn)在CCD图像中的坐标位置，（Xipt，yipt)，（X2pt，y2pt)，… ，（Xnpt，ynpt)分别为在轨道周边竖立的光标识点坐标（Xi,yi,Zi)，（而，72,Z2)，…，（X。，y。，Z。）在 CCD图像中的理想坐标位置，且为已知量；et。为最大允许的图像位置误差；
[0017] 做在僮、锐、钻的加工过程中，扭矩和机械振动会引起定位误差，在加工过程中不 断采用步骤（3)的方法检测定位精度，移动机械臂控制多关节缓慢运动抵消扭矩和机械振 动作用，W在线减少加工积累误差并进行误差修正；
[0018] (4)当最大误差em。、、e。或et。不能控制时，加工精度不能满足要求，对系统进行报 警；当最大误差e"_、e。或et。满