基于激光测距传感器的机器人末端定位扫描装置设计
基于激光测距传感器的机器人末端定位扫描装置设计
作者:张传清;陈恳;邵君奕;陈雁;尹华彬;朱丽
喷涂机器人喷涂轨迹规划在喷涂工艺设计中极其重要,目前喷涂轨迹规划主要有两种方法,即逐点示教法和离线编程法[1-3]。其中,逐点示教法适于形状规则的喷涂表面,而对于复杂表面喷涂,则需要依据其数学模型,自动或手动划分网格,采用离线编程的方式规划喷涂轨迹,这种方式对机器人定位精度要求和工件制造精度要求都很高。复杂曲面喷涂机器人系统[4]是为超长尺寸变截面复杂管道内壁进行喷涂为设计的专用机器人系统,为了提高该喷涂机器人系统的工作效率,设计了末端激光定位扫描装置。该装置由测头机构和实时计算模块构成。定位和扫描头机构安装在喷涂机器人末端,通过激光测距传感器实时测量机器人末端参考点到喷涂表面的距离;实时控制模块读取距离值,计算喷涂表面坐标,规划测量路径,通过 CAN 总线接入喷涂机器人控制系统,控制机器人完成测量过程。该装置基于喷涂机器人运动学模型,以激光测距传感器为参考,喷涂机器人构成一个具有目标点扫描功能的关节式测量臂,实现了数模重建、轴线校正、喷涂轨迹规划等喷涂准备过程自动化,大幅提高了喷涂机器人的工作效率。
2 定位和扫描头机构设计
2.1 测量原理和传感器选型
激光测距传感器采用非接触测量的方式精确测定被测物体位置、位移的变化。这里的应用中,我们采用激光测距传感器测定传感器端面到喷涂工件表面的距离,利用机器人正运动学算法计算工件表面反射点坐标,通过连续均匀的测量,在机器人坐标系中重建喷涂工件的数学模型。选用了激光测距传感器 FT80RLA,该传感器基于激光三角法测量原理,通过 CCD 线性相机测量“红色激光束-反射光点-检测点”的角度,由已知的激光源到检测点的距离,计算光源到反射光点的距离。FT80RLA 通过 485 总线接入喷涂机器人控制系统,实时测量结果数据的实时传输。
2.2 定位和扫描头机构的设计
因激光定位扫描装置主要用于喷涂准备中,所以设计了快换支架,以便喷涂轨迹测试成功后取下测量装置,开始喷涂作业。该装置的安装,如图 1 所示。激光测距传感器(6)安装在传感器支架(5)上,传感器支架通过螺栓固定到喷枪支架(3)上,两个连接之间都由卡槽保证精确定位。测量时,由第 8 轴电机通过减速器带动喷枪支架(3)、喷枪(4)、传感器支架(5)和传感器(6)旋转。通过装配调试,使激光测距传感器光束与第八轴轴线相交与点 A,选定喷涂机器人理论末端点为点 A,则喷涂机器人末端坐标与第八轴运动解耦,这样,在测量模式下,喷涂机器人轨迹规划不必考虑第八轴,使喷涂机器人关节空间轨迹规划模型得以简化。
2.3 测量模型
末端机构简图与坐标系定义。设机器人理论末端点 A 的坐标为(Px,Py,P 。通过示教器控制机器人到测量位置后,设置机器人进入自动测量模式,此时锁定 A 点的 X 坐标,使A 点只在 Y-Z 平面内运动,即(Rx=Ya),此时,只需实时控制模块规划出下一个测点的 Y,Z 坐标,喷涂机器人控制系统即可作运动学逆解,控制机器人到下一个测点。
3 管道内表面测量路径规划
3.1 自动测量流程
待测表面是狭长的变截面管道内壁,测量由管道入口处开始,按照设定的间距向 X 轴正向分段伸出,逐截面扫描,获得各截面曲线坐标序列。测量时,由实时控制模块规划测量路径,指示机器人到达指定的路径点。管道横截面包括圆形和带圆角的矩形,最大截面宽度达 1.2m 且形状截面变化没有明显的界限,这就要求我们寻求一种适应性好的测量算法,以保证在传感器量程和精度范围内,激光测点应该能遍历截面,且测头和管道内壁保持安全距离。为完成以上要求,提出了预扫描测量与精确测量相结合、内表面仿形测量模式和旋转扫描测量模式相结合的喷涂表面测量路径规划算法。
3.2 喷涂表面测量路径规划算法实现
算法的原理算法的实现过程如下:预扫描,每截面的测量起点,原地旋转激光测距传感器,在测量前进方向读取 6 个坐标点,因传感器倾斜角度较大,这些点存在误差,用这些点作为控制点,拟合一条 3 次 B 样条曲线,称该曲线为预测曲线,则待测曲线上的点以一定的误差分布在预测曲线附近。精确测量,原地旋转激光测距传感器,使激光测点返回测量起点,以预测曲线为母线.
碰撞检验,计算垂直于激光束的方向矢量Pj+1,如果 Pj+1 与预测曲线末端切矢 Ps 夹角小于某数值(设定为 45°),则判定前向路径没有碰撞危险,实时控制模块向机器人控制系统发出指令,运动到 rj+1由点。因测量路径的切矢与预测曲线切矢在测点处平行,测量路径跟踪测量曲线,称这种测量模式为内表面仿形测量。但是,如果判定前方路径有碰撞危险,应则放弃该轨迹点,停止仿形测量,进入旋转扫描测量模式,按照固定角度原地旋转激光测距传感器,读取测点坐标,直到 Pj+1 平行于 Ps,再返回内表面仿形测量模式。每次精确测量只仿形预测曲线的前半程,这样就保证了执行预测量前测量机构不会与未知的测量表面碰撞。
4 实验结果与结论
将测量装置安装到喷涂机器人末端,与机器人控制系统联机操作,执行喷涂管道截面扫描任务,如图 4 所示。系统运行稳定,截面形状适应性很好。
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