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摘要：对于我国目前的精密测量技术来说，面向制造现场的在线式自动化测量是其追求的最终目标，它不仅能够加强产品的生产效率和质量，还能切实减少废品率。在产品制造中，几何尺寸是最根本的参数，而且它对产品的制造精度以及质量具有非常重要的意义，在制造过程的测量和控制系统中起着非常重要的作用。
关键词：机器人；柔性；电子检具；测量系统
1测量系统
机器人柔性电子检具测量系统由工业机器人和视觉传感器两部分组成,如图1所示。工业机器人作为柔性运动平台,将视觉传感器安装在机器人末端工具上,机器人按照预先规划的测量路径带动传感器到指定位置进行测量。
视觉传感器由结构光传感器和控制相机两部分组成。结构光传感器用于局部测量,控制相机用于机器人定位误差补偿。测量前示教机器人,利用其它精密测量设备(如激光跟踪仪或摄影测量系统)结合全局标定技术精确标定各测量位置传感器局部坐标系与全局坐标系的转换关系,将各局部测量结果统一到全局坐标系中,获取被检工件整体三维数据。
2实现原理
2.1局部测量结构
光视觉传感器实现局部测量的原理如图2所示。
通常将相机坐标系Oc-XcYcZc作为传感器坐标系,以结构光平面上某点为原点,XY平面与光平面重合,Z轴满足右手法则建立辅助参考坐标系Or-XrYrZr,传感器数学模型如下：
式中,(Xc,Yc,Zc)为被测点在传感器坐标系下的三维坐标,(x,y)为被测点图像观测值,c为相机有效焦距,(Cx,Cy)为相机主点,(Δx,Δy)为成像畸变,r1～r9和t1～t3为参考坐标系到相机坐标系的转换矩阵元素。包含(Cx,Cy)在内的相机内参及r1～r9和t1～t3通过预先精确标定获得[9],(x,y)从测量图像提取获得,均是已知量,利用(x,y)和相机内参数可求得图像畸变(Δx,Δy),将上述参数带入式(1)即可就得(Xc,Yc,Zc)。
2.2全局标定系统
全局标定示意图如图3所示。每个测量位置下,传感器视场内设置三维靶标(Tar-get),传感器测量靶标,建立传感器坐标系到靶标。
坐标系的转换关系Tst,同时利用激光跟踪仪测量靶标,建立靶标坐标系到激光跟踪仪坐标系的转换关系Ttl,另外利用激光跟踪仪测量全局控制点,建立激光跟踪仪坐标系到全局坐标系的转换关系Tlg,则传感器坐标系到全局坐标系的转换关系Tsg为:
（2）
每个测量位置下均建立传感器坐标系到全局坐标系的转换关系Tsgi(i=1,2,…,n;n为测量位置数),实现全局标定。
2.3机器人定位误差
补偿工业机器人由多连杆和关节组成,属于多自由度运动机构。运行过程中运动学模型参数受机械加工误差、装配误差、传动误差及环境温度等多种因素影响,不断发生变化,使机器人存在定位误差。系统测量过程是机器人在固定位置姿态间反复运动,要求机器人具有很高的重复定位精度,定位误差对系统整体测量精度产生严重影响。
（3）式中,θi,αi分别为相邻X轴,Z轴间的转角;di,ai分别为相邻X轴,Z轴间的距离。连杆参数受影响变化连续,Ai的全微分为:
（3）
由式(3)可以看出:机器人定位误差由角度和位置两类参数误差决定。机器人运动过程中温度升高,连杆和关节热膨胀变形,角度码盘均匀膨胀,角度参数受温度影响很小,可以忽略;连杆长度受热膨胀,位置参数受温度影响较大,是导致重复定位误差的主要因素。
机器人柔性电子检具系统定位误差补偿如图4所示,Og-XgYgZg为全局坐标系;A,B,C,D为全局控制点;Oci-XciYciZci为传感器示教位置坐标系;O′ci-X′ciY′ciZ′ci为传感器实际位置坐标系;Δ为位置误差;dij表示控制点间的距离。控制相机采集全局控制点图像,通过下式所述数学模型解算控制相机坐标系与全局坐标系的转换关系Ri和Ti:
式中,(X(g)j,Y(g)j,Z(g)j)表示全局控制点j在全局坐标系下的三维坐标,(X(ci)j,Y(ci)j,Z(ci)j)表示测量位置i下控制点j在控制相机坐标系下的三维坐标,Ri和Ti表示全局坐标系到测量位置i下控制相机坐标系的旋转矩阵和平移矩阵,(xj,yj）表示控制点j的图像观测值,(Cx,Cy)表示相机主点位置,(Δxj,Δyj)表示控制点j的图像畸变,f表示相机有效焦距,djk表示控制点j与控制点k间的空间距离,n表示全局控制点数量。由于控制相机坐标系与结构光传感器坐标系间相对关系固定不变,传感器坐标系与示教位置的偏差与控制相机坐标系的偏差相等。
3结语：现今社会科技飞速发展，国家越来越重视对工业测量过程的控制，只有采用先进的在线测量技术，才能够有效的对工业生产的产品进行精确的测量。利用工业机器人的性能与测量传感器相互结合，最终设计出机器人柔性在线自动测量技术可以很有效的对工业生产进行测量，提高了测量效率以及测量的准确性。
参考文献：
[1]邾继贵,郭磊,刘常杰,等.基于机器人的柔性电子检具测量系统[J].光学精密工程,2011,19(8):1787-1793.