打孔机器人的标定和定位外文文献翻译、中英文翻译
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打孔机器人的标定和定位摘要：在飞机制造、大量钻孔机的装配中，钻孔板是生产效率的主要瓶颈之一。提高装配孔的效率和质量的制造、机器人钻井系统取代人工操作变得越来越紧迫。通常,机器人系统需要生产对象的精确数学模型和精确的环境的工作的时候; 事实上,由于制造误差、飞机板之间的同质性,其数学模型是不能满足要求的。所以手眼视觉系统介绍了实现定位的最终效应以提高机器人钻孔系统的灵活性和精确性。本文论述了校准和定位机器人手眼视觉系统的飞机板钻孔系统。因为钻头必须在钻孔之前垂直和保持一个固定距离于飞机板表面,并且手眼的深度信息是被忽视的,通过定义一个中间坐标系于机器人坐标系之间的关系,建立了视觉坐标。目标点的位置可以通过机器人钻孔系统的导航信息来提供，因为机器人钻孔系统可以通过机器人坐标系经过使用校准手眼关系来确定目标点。实验结果的校正和定位机器人手眼视觉的钻井系统对影响定位误差的主要因素进行了分析。关键词：工业机器人 钻孔标定定位自动校准1、简介由于工业机器人技术的发展,工业机器人的应用的广泛传播。飞机制造也需要通过引入机器人实现技术升级。通常在大型飞机装配孔板的数量可以达到数千并且材料(例如钛)通常是很难生产,所以装配孔是飞机制造的主要瓶颈之一。传统上,钻孔工人及其耗时通常和低精度,质量,和飞机生产的同质性有很大的关系。然而,一项新技术,机器人钻孔系统可以显著提高钻井效率,质量,和同质性， 经过验证，机器人钻孔系统的效率是传统手工钻孔的两倍。因此机器人钻井系统可以在航空钻孔方面发挥重要作用。由于制造误差、飞机板之间的同质性及其数学模型通常不满意,和钻孔精度不能保证要是根据数学模型通常,生产对象的数学模型和外部环境必须建造机器人钻井系统。因此实现自动钻孔、机器人的视觉系统是十分必要的。目前,飞机制造公司如波音和空客已经在飞机装配孔的加工上使用柔性机器人钻孔系统。单侧细胞终端效应器机器人钻孔系统已成功用于 F / a - 18 e 飞机的生产线。单侧细胞终端效应器可以通过激光视觉和其他许多昂贵的设备来精确定位打孔位置，但是缺点是花费太大。如果我们用基于摄像头视觉系统协助钻孔和定位,成本会大大降低,这样机器人钻孔系统将极大地推广。手眼视觉机器人钻孔系统可以发挥重要作用,但手眼视觉的标定方法是应用程序的一个真正的难题。与此同时,大量的手眼视觉标定方法的研究已经完成。在早期的研究中,通过控制机械臂的运动来对一个三维标定对象与已知结构从不同方向拍摄,然后建立了约束手眼关系和相机的内在动力和外在的参数是通过求解方程来实现的。有限的生产技术导致早期镜头透镜畸变率很大，所以那些早期的校准方法的校准错误可能是不考虑镜头畸变的缘故。后来的一些研究进展已经考虑了镜头的径向畸变和非线性优化,使标定的效率和精度提高。 此外，通过结合机器人的四元数方程和传统的标定方法形成坐标系统，一些研究不仅可以获得眼手关系机器也可以获得人和世界之间的关系。然而，这些方法仍然不能避免计算大量带有型如 AX=BX 的均匀矩阵。除此之外,一些方法需要昂贵的辅助设备校准并且校准过程通常是很繁琐的。为此，人们开始研究如何简化计算和避免使用昂贵的辅助设备。基于主动视觉的自校准方法不需要昂贵的辅助设备实现校准，成本低，并且标定过程简单，但校准精度低于传统的标定方法。总之，计算复杂度和精度之间的矛盾一直没有得到很好解决。2、对于手眼关系的校准和定位方法传统的标定方法，利用坐标变换关系来解决一个摄像机的内外参数，并考虑到坐标变换时再定位机器人的末端执行器的位置。这些方法的复杂和大规模的矩阵运算导致误差大，定位精度低。为了避免这些校准方法的上述缺点，这种统一手眼关系和机器人末端执行器的位置的方法，提出了一种实现机器人末端效应与间接手眼关系，而不是直接用手定位眼坐标变换，以使校准大大简化。2.1 相机成像模型一种光学相机成像模型的复杂性是影响校准方法的复杂性的关键方面。针孔成像模型是一个广泛使用的并且几何关系是线性的成像模型。由于镜头的生产技术，实际的图像将受镜头畸变等各种非理想因素的影响。然而，对于实际的机器人钻孔系统，视觉范围较小（3040毫米）和摄像机的成像平面与工件平面之间的距离很短（少于200毫米），加上的控制良好的畸变工业镜头，所以定位精度不会受到过多的影响。2.2 确定手眼关系图1显示了一个机器人钻孔系统的坐标系统。工件坐标系定义为 OW XW YW ZW ,终端效应器坐标系统或工具坐标系定义为 OE XE YE ZE ,相机成像坐标系定义为 OC XC YC ZC ,机器人基础坐标系的定义为 OR XR YR ZR 。通过校准工具坐标系之间的关系和工件坐标系和摄像机成像坐标系之间的关系和工件坐标系可以获得,所以工具坐标系之间的关系和摄像机成像坐标系可以获得间接的关系。首先,需要确定工具的位置和姿势机器人基础坐标系坐标。通常，商业工业机器人通常采用“4点”的方法来校准工具坐标系，它可以校准末端执行器的钻尖作为TCP（工具中心点），这是刀具坐标系的原点。然后, 通过使用校准模板确定相机成像坐标系之间的关系和工件坐标系。顶部左顶点选择图像的摄像机成像坐标系统的起源。在这里,只有相机的外部因素或手眼的关系需要计算,所以像素坐标系统不需要建立，并且像素单元的尺寸和像素单元和像素坐标系之间的角度也可以被忽略。方程1表示在工件坐标系之间的关系和相应的成像点坐标系统。式中，R和P分别为工件坐标系和图像坐标系之间的旋转矩阵和转换矩阵。根据钻孔技术钻尖应垂直于工件平面,所以必须定位在两个维度上。如果投影模型技术薄弱,相机的光轴垂直于工件平面旋转矩阵可以简化。因此，方程1 可以简化为一个二维的，从而简化了校准过程。图2是手眼标定方法的原理图在二维平面的关系。如图2所示，点p是TCP的端部执行器，也刀具的坐标系的原点。X和Y分别是两个轴平行于X和Y轴的工件。根据小孔成像原理和弱透视模型，所拍摄的区域的尺寸和照相机的拍摄距离是固定的。因此，我们可以建立一个场景坐标系Xs Os Ys，它的原点驻留在工件和相机成像的两个轴与坐标系平行的地方。在图2，P1s和P2s是位于拍摄平面上场景坐标系的两点，假设它的坐标是（X1S，Y1S）和（X2S，Y2S）。图1机器人钻孔系统的坐标系统图2打孔定位的手眼关系对应P1s P2s,P1C,P2C分别为两点在相机成像坐标系统和坐标(x1C y1C)和(x2C y2C)。在相机成像坐标系中，直线P1cP2c和Xc之间的夹角为。由于线性关系和并行成像坐标系统和坐标系统，直线P1sP2s和Xs之间的夹角同样也是。P1s和P2s可以通过机器人数学,得到P1s和P2s之间的距离和线P1sP2s之间的角度轴即能获得工业机器人的坐标变换,所以场景坐标系之间的旋转角度和工件坐标系。在这个拍摄距离的比例系数 是，是这两个点在坐标系统中的距离，是这两个场景坐标系统中的点的距离。在场景坐标系中，P1s、P2S坐标可以通 计算得到。在场景坐标系统的坐标（x1s，y1s）得到，TCP在场景坐标系中的位置可以通过计算得到。由于线性比例系数K已获得，TCP和摄像机成像坐标系统是由场景坐标系统间接获得的，换句话说，得到手眼的相关关系。2.3 机器人末端的定位不同于一般的校准方法,本文提出的是标定法获得TCP与相机之间的相对关系，从而获得手眼的绝对关系。为了保证精确定位,相机之间的距离和相对姿态, 飞机拍摄(包括校准板和工件)应该也沿用这两个定位和校准。钻孔时,终端效应器应该垂直于工件平面,所以如果垂直于校准板平面校准，相机在校准和定位是相同的。最终效应是垂直于工件平面可以确保根据工件的姿势通过“三点”的情况下获得的工业机器人系统的标定方法，适当的组装可以确保相机的姿势是一致的。如果姿势和拍摄距离的条件满足,最终效应可以得到定位与校准数据。定位方法如图3，在保持固定的位置和对拍摄距离校准时, 比例系数k和工件之间的相对姿态坐标系统和TCP坐标系统，以及场景中的坐标系的位置坐标应该保持固定不变。在图3中，Xw和Xw是两条平行于工件坐标系的轴。3、实验结果3.1实验室中的实验使用的机器人手眼视觉校准和定位实验是在ABB IRB1410 6自由度工业机器人上进行的,它负载5公斤,重复定位精度0.05毫米。实验中使用的摄像系统是由一个具有二百万像素镜头的PointGray公司的工业相机和畸变25毫米焦距的Myutron公司的工业相机构成的。图3定位的原理图校准模板和参考点定位是由CAD软件和专业论文打印精度高的(1200 dpi)激光打印机设计出来的。如图4所示, 黑色的直径5毫米的点和两个交叉线和直径0.1毫米的点用于精确定位。具有尖端的钢棒被用作校准杆和固定的机器人, 如图5所示。校准的尖端效验棒可以校准TCP工具的坐标系。在不同基于不同位置校准的工具坐标系中,定位结果之间的比较结果和实际坐标如表1所示。相对的，真正的坐标和X和Y轴定位坐标之间的偏差被定义为x和y。定位误差由公计算出来。从表1可以得出,标定方法的定位误差 小于0.3毫米,可用于机器人钻孔系统的孔加工。数量 真正的坐标 定位坐标 x, mm y, mm 定位误差, mm1(1,168.24,5.19)(1,168.25,5.16)0.010.030.032(1,176.87,81.80)(1,176.99,81.77)0.120.030.123(1,132.69,35.58)(1,132.87,35.44)0.180.140.234(1,086.87,8.79)(1,087.01,8.68)0.140.110.185(1,135.85,66.08)(1,135.98,66.00)0.130.080.156(1,117.18,40.99)(1,117.04,40.90)0.140.090.177(1,095.93,36.56)(1,095.81,36.38)0.120.180.228(1,126.31,28.24)(1,126.41,28.11)0.100.130.16表1定位实验的结果3、2针对机器人钻井系统实验因为本文标定方法用于实际应用, 人们做了许多实验用于审核固定在机器人末端效应器的视觉系统标定算法。机器人钻孔系统使用的ABB IRB6640六自由度工业机器人负载为235公斤,精度为0.075毫米。整个机器人钻孔系统的主控制器是基于工业控制计算机和系统的结构设计的，如图6所示。工件的钻孔实验使用的材料是3-mm厚钛板。为了测试定位精度,首先确定一些洞的位置以保证精度。也就是说,钛板的初始位置是手动钻孔结合CAD模型指导的定位孔钻的应用。然后那些制造孔的位置是由从徕卡公司的高精度激光跟踪测量 (LTD600,10m/ m)得到,以便精确这些孔的实际坐标。最后,通过视觉定位结果和激光跟踪测量位置进行比较,就可以获得定位误差。图7显示了实验中的机器人钻孔系统。定位结果见表2，其中真正的坐标和坐标定位沿X和Y轴之间的偏差被分别定义为X, Y。定位误差通过计算得到。从表2的结果，我们 可以看到，定位精度包括机器人的定位误差和末端效应小于0.4毫米。机器人钻井系统的所需的定位精度为0.5毫米，这样的手眼视觉系统可用于飞机板钻孔。在实验中，需要小于200毫秒，完成视觉处理，它包括数据的传输，并且由于定位算法仅由基本数学计算的，所述定位操作是足够快，以保证机器人钻井系统的高效率。4、定位误差的分析有迹象表明，影响机器人钻孔系统的定位精度的因素很多。此外，机器人的定位精度和端部执行器，校准的人为误差也可产生在最终的定位精度有重要影响。根据实验的结果，我们发现，定位误差的主要因素是由非正交的相机光轴的对工件表面产生的。在实验中，我们使工件不垂直于相机。在这种情况下，通过校正得到的放大率K =37.7和相机与工件表面之间的深度为Z=186毫米。坐标在场景中的TCP的值的坐标系是（8.61，282.46）和摄像机的成像之间的分离角坐标系和工件坐标系是=269.47。利用这些参数，我们通过进行了改变在同一目标点相机的位置定位实验，得到实验结果见表3。通过移动机器人末端执行器和拍摄同一目标点的图像坐标，得到表3中的数据。X和Y分别是两轴线偏差。首先，通过移动相机，得到目标点相对沿X轴移动大约8毫米，沿Y轴5毫米在场景中的坐标系。如表3所示，图像坐标目标点改变为机器人末端执行器移动时的值，但可以看出，X变化约0.6mm，Y变化约0.35mm。虽然相机光轴与工件表面之间的角度是不完全已知的，但造成这个原因的定位误差的影响是显着的。为了更好的利用该校准方法和减小定位误差，需要分析摄像机的光轴与正常工件表面的线之间的夹角引起的定位误差的影响。因为工件的实际表面不会是理想平面，所以由“3点”方法来确定的工件的平面坐标系统不与工件的实际表面平行。在这种情况下，机器人末端执行器和照相机的光轴与工件的表面几乎垂直， 因此定位误差发生。如果相机的光轴不垂直于平面去拍照，相机成像坐标系统中得到的目标点坐标将不同于在理想条件下得到的坐标。在图8中，O是光学中心，OA是相机的光学轴，AC是被拍到的理想平面，EF 是成像平面。理想的情况下，拍摄的平面与成像平面平行，这。事实 上，实际的平面不垂直于摄像机光轴OA。相反，图8所示的实际平面AC是从理想平面旋转一个角度得到的。该物体的长度是不改变的，所。如图8 所示，鉴于相机的光轴不垂直与平面拍摄的原因，导致在成像平面偏离目标位置， 它。我们可以标记:，然，因为，相似,因此 ，之后我们可以得到:， 解该公式，得：，最后，得到：数量实际坐标坐标定位x, mmy, mm定位误差, mm 1(330.821, 1,531.757)(331.144, 1,531.702)0.3230.0550.332(330.799, 1,663.674)(330.953, 1,663.639)0.1540.0350.163(311.658, 231.142)(311.42, 231.225)0.2380.0830.254(331.377, 252.995)(331.635, 253.026)0.2580.0310.265(1,693.837, 1,655.602)（1,693.93, 1,655.67） 0.0960.0250.16(1,703.69, 1,717.52)(1,703.929, 1,717.833)0.2390.3130.397(1,724.423, 1,903.001) (1,724.438, 1,903.483) 0.2250.2650.358(1,777.525, 2,035.865) (1,777.3, 2,036.13)0.3340.1290.369(2,102.538, 2,118.027) (2,102.872, 2,118.156)0.2230.2540.3410(2,128.753, 1,549.558) (2,128.976, 1,549.812)0.0980.1670.19表 2定位结果目前，工业机器人的绝对误差可达到 1 毫米。然后校准的平面和实际平面之间的偏差角 可以通计算，e 和 d 分别代表工件标定误差和校准区域的距离。因此，如果要在 0.5 米范围内使用“3 点”校准方法进行校准，所述工件的校准平面只会从实际的平面偏离 0.12。而且，观察视野受到限制40毫米），目标点和实际轴之间的距离大大小于摄像得到的距离。因此，方程 4 可以简化为。通过上述方程，可以看出，成像的偏差坐标系大致，s 所表示目标点和相机光轴之间的偏移距离呈线性。这种在成像坐标系的线性偏差关系，可以引入定位算法和定位误差的影响进行分析。如图 9 所示，点 p 在 TCP，目标点的实际位置是 A 点，定位误差的位置是 B 点。AB是在相机成像坐标系统的偏差，这是相对于 AB 在 场 景 坐 标 系 中 而 言 的 。 通 过 方 程 5 ， 我 们 可 以 得 到，f、s、z、 分别和上面的一样，接下来点 B 和点 P 的距离可以计算得出：。图 9 定位误差分析选择适当的参数为 D = 100 mm，H = 200 毫米，K = 30，F = 25 毫米，Z =150 毫米，根据方程 6，我们可以计算出由于目标点和相机光轴之间的偏移所引起的定位误差。5、结论根据机器人钻孔系统在飞机制造中的应用，提出了一种用于飞机板钻孔标定和机器人手眼视觉定位方法。该方法忽略了深度信息, 从而使这种方法避免了复杂的矩阵的计算。实验结果表明，该方法简单，实用，可以在 0.4 毫米（包括机器人的定位误差和钻孔末端效应器）实现高定位精度，无需昂贵的辅助校准设备。因此，这种方法适用于在飞机制造上的机器人钻孔系统。最后，为了实现更高的定位精度，根据实验结果，本文分析了影响定位误差的主要因素，并提出了一些相应的解决方案。参考文献1. Eriksson T, Hansen HN, Gegeckaite A (2008) 对工业机器人在微型工厂使用。国际高级制造业学报 38:479-486Bi SS,2. Liang J (2011) 钛结 构机 器 人钻 井 系统 。 国际 高级 制 造业 学报54:767-7743.Ding LM (1990)机器人在
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