一种面向自动装配的基于结构特征的零件坐标标定方法与流程

本发明涉及一种面向自动装配的基于结构特征的零件坐标标定方法，属于装配制造领域。

背景技术：

目前，自动化、数字化、智能化是生产制造业的主要方向之一。航空航天领域复合材料舱段装配过程中自动化程度较低，导致产品质量一致性不稳定、生产效率较低。其中，复合材料结构件变形影响自动化加工、装配等制造工序的实施。

运载火箭等箭体舱段部件为柱形或锥形薄壁回转体结构，结构尺寸较大，在舱段内壁或外壁上安装装配有大量的支架类零件。该支架类零件为钣金结构或机加结构，在舱段中具有较为严格的安装位置精度要求，零件和舱段侧壁贴合面为装配配合面。目前零件的定位依靠传统的手工划线方式进行，即通过舱段上的基准，通过钢板尺或其他工具在零件安装位置画出零件的安装中心线，零件上也画上中心线，通过中心线对齐完成零件的定位。零件定位过程工作量大，定位效率低，定位精度一致性较差，由于零件定位过程全部为人工操作，还容易存在较大的质量隐患。

为此，在自动化装配设备的基础上，通过建立零件的关键结构特征数据库，通过零件关键特征与零件间的几何关系，间接评价零件的姿态及位置，并通过一系列的坐标转换，将零件上的关键特征的几何坐标值转化为自动装配设备下的坐标值，从而能够驱动自动化设备将零件定位至被装配位置，保证零件的位置精度要求，满足复合材料舱段装配过程中零件自动定位的生产需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种面向自动装配的基于结构特征的零件坐标标定方法，

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种面向自动装配装置的基于结构特征的零件坐标标定方法，自动装配装置包括一个具有末端执行器的零件抓取机器人；

其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、定义零件识别的双目系统坐标系oc1，零件抓取机器人的基坐标系ob与末端执行器坐标系oe，舱体装配平台坐标系op，舱体坐标系oo，测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统坐标系oc2；

步骤二、零件识别的双目系统对零件进行特征识别，建立零件在零件识别的双目系统下的起始坐标系ow1，获取零件起始位置特征向量mw1；

步骤三、标定获得零件识别的双目系统坐标系到机器人末端执行器坐标系的转换关系标定获得测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统到机器人末端执行器坐标系的转换关系

步骤四、在零件抓取机器人控制器中读取机器人末端执行器坐标系到机器人基坐标系的下的转换关系计算获得零件起始坐标系到机器人基坐标系的转换关系为零件起始坐标系在机器人基坐标系下的坐标系为在机器人基坐标系下的特征向量为

步骤五、标定获得舱体坐标系到装配平台的坐标系的转换关系

步骤六、测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统通过测量舱体装配平台的标志点，获得标志点在双目系统坐标系oc2下的坐标，从而计算出舱体装配平台坐标系op到测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统坐标系oc2的转换矩阵

步骤七、获得舱体坐标系到在机器人基坐标系下的坐标系的转换关系为

步骤八、获取零件安装在舱体坐标系oo下的目标位置坐标点坐标ow2(xw2，yw2，zw2)与目标位置特征向量mw2；计算目标位置坐标在机器人基坐标系下的坐标为则目标位置特征向量mw2在机器人基坐标系下的特征向量为

步骤九、在零件抓取机器人控制器内输入零件起始位置点坐标特征向量和目标位置点坐标特征向量控制末端执行器通过零件识别的双目系统从存放零件的物料托盘中定位并抓取零件，通过测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统的定位舱体中零件安装的指定位置并将零件放置到指定位置。

优选的，零件识别的双目系统坐标系oc1和测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统坐标系是以双目系统的光心作为坐标原点，其z轴与双目视觉系统的光轴平行。

优选的，零件识别的双目系统与测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统是通过手眼标定方法与机器人末端执行器进行坐标系标定。

优选的，零件识别的双目系统标定方法为：

4.1固定平面标定板，控制零件抓取机器人运动到一定位姿，双目视觉系统采集标定板图像；

4.2双目视觉系统获得当前位置图像，按照角点检测算法检测标定板中的角点，在标定板平面上建立一个世界坐标系w，利用双目视觉系统求解出当前位置下，标定板世界坐标到双目视觉系统坐标系oc1的转换

4.3从机器人控制器读取当前机器人末端位姿即当前机器人基座标系ob到末端坐标系oe的变换关系；

4.4控制机器人移动n个位置，从第i个位置运动到i+1个位置处，机器人末端位姿的变换关系为对应的双目视觉系统的变换为从双目视觉系统坐标系到机器人末端坐标系的转换关系为需要标定的手眼转换关系，即满足

优选的，零件抓取机器人的基坐标系ob以零件抓取机器人的基座底面中心为原点，以基座底面所在平面为基准建立三维坐标。

优选的，末端执行器坐标系oe，实时从零件抓取机器人控制器中读取。

优选的，舱体装配平台坐标系op，以舱体装配平台的一个端点为坐标原点op0，平台所在平面的水平线为xp轴，以平台所在平面的竖直线为yp轴。

优选的，零件起始位置坐标系ow1，以零件特征的中心作为圆心，零件表面所在平面为xw1ow1yw1平面，xw1ow1yw1平面的法向为zw1轴建立三维坐标，特征向量mw1表征zw1轴的方向。

优选的，舱体坐标系oo；舱体底部中心为原点o，以原点指向舱体的i象限0度为x轴，以原点指向舱体的ii象限0度为y轴。

优选的，标定获得舱体坐标系到装配平台的坐标系的转换关系的标定方法为：将舱体置于装配平台上，使用装配平台上的定位装置定位并固定舱体，使舱体的xo轴与装配平台的xp轴平行，舱体的yo轴与装配平台yp轴平行；使用激光跟踪仪分别测量舱体与装配平台特征，获取两者的坐标系原点坐标，并计算转换，获取舱体坐标系到装配平台的坐标系的转换关系

优选的，双目系统的特征识别速度为2s/个，零件特征的识别精度为0.2mm。

优选的，判定零件放置到指定位置方法为：以零件特征的中心作为圆心ow2，零件表面所在平面为xw2ow2yw2平面，xw2ow2yw2平面的法向为zw2轴建立三坐标系ow2；特征向量mw2的方向与zw2轴方向重合；目标位置点坐标与圆心ow2重合。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明提出了一种通过识别零件结构特征获取零件的安装信息的方法。该方法适用具有关键结构特征的支架类零件。零件结构特征包含结构特征、结构尺寸、安装信息等。结构特征包含轮廓、孔位、面形等零件自身的特征，结构尺寸包括零件各个特征结构的设计尺寸和分布关系，安装信息表示用于装配和调姿的位置和姿态信息。通过测量数据处理，根据零件轮廓面积、长度、主方向、轮廓矩、长宽比等信息建立图像描述向量，同时利用零件表面已有特征识别定位。通过结构特征提取与标记该获取零件空间位置精度。

(2)本发明提出了通过非接触式测量获取零件的位置及姿态精度的方法。该方法从采集的图像中识别出零件的关键特征，根据关键特征在零件上的实际拓扑关系，求解图像上零件的定位点的对应关系，根据位姿检测算法解算出位姿。从而达到获取特征结构的位置精度的目的。该方法具有特征测量与识别精度高，识别速度响应快等特点。

(3)本发明提出了一种多坐标系转换算法。该方法包括全局坐标系标定和坐标转换关系求解。实现了双目视觉系统标定，机器人动力学标定；双目视觉系统与机器人进行手眼标定。通过视觉系统与机器人标定与坐标转换算法，实现对零件位置的标定。

(4)本发明实现了零件自动化路径规划及定位位置的确定。识别零件后，根据零件三维信息对零件当前摆放位姿进行检测，为机器人抓取提供位置和姿态数据。机器人抓取后进入到舱体中，并按照已经计算的定位数据移动到指定位置。实现采用基于视觉引导机器人高精度定位技术驱动机器人携带被装配工件运动至安装位置，达到路径和定位的目的。

附图说明

图1标定示意图；图中：零件识别的双目系统1、存放零件的物料托盘2、零件抓取机器人3、舱体装配平台4、被安装零件5、舱体6、测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统7。

图2关键结构特征的支架类零件。

具体实施方式

运载火箭等箭体舱段部件为柱形或锥形薄壁回转体结构，结构尺寸较大，在舱段内壁或外壁上安装装配有大量的支架类零件。该支架类零件为钣金结构或机加结构，在舱段中具有较为严格的安装位置精度要求，零件和舱段侧壁贴合面为装配配合面。目前零件的定位依靠传统的手工划线方式进行，即通过舱段上的基准，通过钢板尺或其他工具在零件安装位置画出零件的安装中心线，零件上也画上中心线，通过中心线对齐完成零件的定位。零件定位过程工作量大，定位效率低，定位精度一致性较差，由于零件定位过程全部为人工操作，还容易存在较大的质量隐患。

自动装配装置包括一个具有末端执行器的零件抓取机器人，通过零件识别的双目系统1从存放零件的物料托盘中定位并抓取零件5，通过测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统7的定位舱体6中零件安装的指定位置，末端执行器将零件安装到指定位置，舱体6垂直设置在舱体装配平台4上；

一种面向自动装配的基于结构特征的零件坐标标定方法，包括以下步骤：

步骤一、创建图1中零件识别的双目系统1坐标系oc1，零件抓取机器人3的基坐标系ob与末端执行器坐标系oe，舱体装配平台4坐标系op，被安装零件5起始位置坐标系ow1，舱体6坐标系oo，测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统7坐标系oc2。

①零件识别的双目系统1坐标系oc1：通过建立双目相机图像平面坐标到世界坐标的转换关系获得，标定完成后双目系统的世界坐标原点在双目相机光心处。

②零件抓取机器人3的基坐标系ob：为机器人自身坐标系。

③零件抓取机器人3的末端执行器坐标系oe：直接实时从零件抓取机器人控制器中读取。

④舱体装配4平台坐标系op：以平台一个端点为坐标原点op0，平台所在平面的水平线为xp轴，以平台所在平面的竖直线为yp轴。

⑤舱体6坐标系o：舱体底部中心为原点o，以原点指向舱体的i象限0度为x轴，以原点指向舱体的ii象限0度为y轴。

⑥测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统7坐标系oc2：创建方式同oc1。

步骤二、使用零件识别双目系统1对被安装零件5进行特征识别，建立被安装零件5在零件识别双目系统1的初始位置坐标系ow1及特征向量mw1，获取被安装零件5在零件识别双目系统1的位姿，特征向量mw1表征零件的起始位置和方向。

步骤三、对零件抓取机器人3末端执行器坐标系oe与零件识别的双目系统1坐标系oc1进行手眼标定，获取零件识别的双目系统1坐标系oc1到零件抓取机器人3末端执行器坐标系oe的转换关系

零件识别的双目系统标定方法为：

3.1固定平面标定板，控制零件抓取机器人运动到一定位姿，双目视觉系统采集标定板图像；

3.2双目视觉系统获得当前位置图像，按照角点检测算法检测标定板中的角点，在标定板平面上建立一个世界坐标系w，利用事先标定好的双目视觉系统内参便可以求解出当前位置下，标定板世界坐标到双目视觉系统坐标系oc1的转换即双目视觉系统外参；

3.3从机器人控制器读取当前机器人末端位姿即当前机器人基座标系ob到末端坐标系oe的变换关系；

3.4控制机器人移动n个位置，从第i个位置运动到i+1个位置处，机器人末端位姿的变换关系为对应的双目视觉系统的变换为从双目视觉系统坐标系到机器人末端坐标系的转换关系为需要标定的手眼转换关系，即满足

测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统与机器人末端执行器的标定方法一致。

步骤四、在零件抓取机器人3控制器读取当前机器人末端位姿即当前机器人末端坐标系oe到机器人基坐标系ob的变换关系。

在统一基准下，标定获得零件识别的双目系统1坐标系oc1到零件抓取机器人3的基坐标系ob的转换关系零件起始坐标系在机器人基坐标系下的坐标系为起始位置的特征向量在机器人基坐标系下的特征向量为

步骤五、使用激光跟踪仪对舱体装配平台4坐标系op和舱体6坐标系oo进行标定，获得舱体坐标系到平台坐标系的转换矩阵转换关系

步骤六、测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统7通过测量平台已知标志点获得标志点在双目世界坐标系oc2下的坐标，从而计算出舱体装配平台4坐标系op到测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统7坐标系oc2的转换矩阵

步骤七、对零件抓取机器人3末端执行器坐标系oe与测量抓取机器人位姿与安装平台定位的双目系统7坐标系oc2进行手眼标定，获取零件识别的双目系统1坐标系oc2到零件抓取机器人3末端执行器坐标系oe的转换关系

在统一基准下，标定获得舱体6坐标系o到3零件抓取机器人的基坐标系ob的转换关系

步骤八、被安装零件5在存放零件的物料托盘2中，零件识别的双目系统1通过零件的特征进行识别，根据步骤一所述建立被安装零件5坐标系方法，建立在零件识别的双目系统1坐标系oc1下的起始坐标系ow1。

在统一基准下，放置在存放零件的物料托盘2中的被安装零件5的坐标系ow1在零件抓取机器人3ob下的坐标系为

通过提取舱段数模理论点，计算获得被安装零件5安装在舱体6坐标系oo下的目标位置坐标点ow2(xw2，yw2，zw2)及特征向量mw2，

在统一基准下，被安装零件5的目标位置坐标点坐标ow2(xw2，yw2，zw2)在零件抓取机器人3ob下的坐标目标位置特征向量mw2在机器人基坐标系下的特征向量为

步骤九、将起始点坐标特征向量和目标位置点坐标特征向量输入到零件抓取机器人3控制器中，编辑程序驱动机器人抓取被安装零件5由存放零件2的物料托盘定位到舱体6理论安装位置。

判定零件放置到指定位置方法为：以零件特征的中心作为圆心ow2，零件表面所在平面为xw2ow2yw2平面，xw2ow2yw2平面的法向为zw2轴建立三坐标系ow2；特征向量mw2的方向与zw2轴方向重合；目标位置点坐标与圆心ow2重合。

双目系统的特征识别速度为2s/个，零件特征的识别精度为0.2mm。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。