1.本发明涉及无损检测机器人应用领域，特别是涉及一种涡流检测机器人坐标系点面标定方法。
背景技术：2.在实际应用中，工业机器人是作业过程中的载体，通过在机器人末端安装不同的工具(比如焊枪、检测探头、喷枪等)，在相应的工件上，完成作业任务。那么机器人基坐标系分别与工具坐标系、工件坐标系之间的关系必须明确。工具坐标系和工件坐标系的标定是工业机器人轨迹规划、路径规划的理论支撑。
3.电涡流无损检测是基于法拉第电磁感应原理，当激励线圈流过交流信号时，附近的导体内部会产生涡流，涡流形成的磁场会反作用与原来的磁场，因此有缺陷的地方形成的磁场会不一样，从而导致检测线圈获取的信号发生变化。由激励线圈和检测线圈形成的电涡流检测探头外形为圆柱体结构，整体结构比较脆弱，在检测系统中直接与工件发生交互，因此需要有保护措施。检测探头需要固定在机器人末端去完成作业，所以需要设计一套固定装置，并且完成探头坐标系的标定。
4.常用的四点法标定工具tcp空间位置，指在任意工件上定义一个不动点为标定点，机器人以四个不同姿态，使tcp点与标定点重合，然后根据算法解算出tcp相对于机器人末端坐标系的位置。这里有两个问题需要讨论：其一，多种位姿点到点接触标定，在理论上可以提高标定精度，然而在操作上有一定难度，反而造成较大误差，而且非常容易使工具和标定点受伤；其二，检测类的工具没有明确的尖点而且属于脆弱实体，不能直接使用此类方法。
技术实现要素：5.本发明的目的就是为了解决上述问题，提出一种涡流检测机器人坐标系点面标定方法。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种涡流检测机器人坐标系点面标定方法，其特征在于：
8.采用坐标系标定装置，它包括标定工装、标定板及探针，标定操作时标定工装的法兰连接于机器人末端法兰上，所述的探针标定时固定在哈夫夹具的锁紧孔内；还采用了检测探头固定装置，它包括l型的固定板、哈夫夹具、弹性工装，检测操作时固定板与机器人末端法兰连接，所述的弹性工装检测时固定在哈夫夹具锁紧孔内，使弹性工装中的连接的检测探头可以在局部坐标系z轴方向运动，并且可以自动复位。
9.所述标定工装由同轴的法兰、柱体和锥形尖顶加工成一个整体；法兰上设有四个安装孔和两个销孔，确保法兰及销孔安装时，标定工装法兰连接于机器人末端法兰上，尖顶点在机器人末端法兰的轴线上。
10.所述的标定板由金属材料制成，标定板表面激光雕刻三个标定参考点，即第一点、
第二点及第三点，这三个标定参考点围城一个直角三角形。
11.所述探针为金属材料制成的圆柱体，圆柱体一端设有锥形体及尖点，圆柱体表面沿轴向设有刻度。
12.l型的固定板为金属材料制成的l型结构，l型上边通过一组安装孔及辅助定位销孔与机器人末端法兰连接，固定板l型下边与哈夫夹具相连。
13.所述哈夫夹具由聚四氟乙烯制成的一侧开口的哈夫式结构，通过哈夫夹具非开口侧的螺纹孔与l型的固定板下边固定；哈夫夹具开口的一侧设有通孔，通孔中拧入螺钉到开口的另一侧的螺孔中对哈夫夹具中心的锁紧孔进行锁定调节。
14.所述弹性工装由聚四氟乙烯材料制成的圆筒，圆筒内设有滑动配合的内筒，弹性工装与内筒之间设有复位弹簧；检测探头安装在内筒中形成一个整体；内筒与外筒通过弹簧衔接，使检测探头可以在局部坐标系z轴方向运动，并且可以自动复位，作业时，弹性工装固定在夹具的锁紧孔内。
15.所述坐标系点面标定方法包括以下步骤：
16.1)、在机器人工作空间中适当位置固定标定板，建立坐标系{g}，以标定板上的第一点为原点，第二点为x轴上一点，第三点为y轴上一点，以右手法则确定z轴；
17.2)、在机器人末端法兰上安装标定工装，机器人本体使用标准dh参数法建模，{b}为基坐标系，{e}为机器人末端法兰坐标系，其他为中间连杆相对应的坐标系，标定工装坐标系{t}与机器人末端法兰坐标系{e}只有z方向位置偏移；
18.3)、根据刚体三维空间位姿描述，坐标系{t}与{e}的旋转矩阵为单位矩阵，坐标系{t}原点在{e}中表示为(0 0 z)
t
，计算标定工装坐标系{t}与机器人末端法兰坐标系{e}的齐次转换矩阵
[0019][0020]
4)、示教器是操作机器人的可视化设备，具备参数设置，运动编程，调试等功能，操作示教器设定标定工装坐标系{t}参数并设置为当前使用；然后使标定工装的tcp点(103)分别与标定板上的第一点、第二点、第三点对准碰触，并从示教器中读取tcp点在基坐标系{b}下的位置数据，分别记录为p1(x1,y1,z1)、p2(x2,y2,z2)、p3(x3,y3,z3)；从标定板三维模型中获取对应点的坐标数据分别记录为q1(x4,y4,z4)、q2(x5,y5,z5)、q3(x6,y6,z6)；
[0021]
5)、使用icp配准svd奇异值分解，解算工件坐标系{g}与基坐标系{b}的齐次转换矩阵icp算法是通过最小二乘法确定点集p＝{p1,p2,p3}与点集q{q1,q2,q3}的旋转r、平移t关系；点集q通过工件坐标系{g}直接获得，由于两个点集的点对应关系已经很明确，避免了粗配准的过程，定义各点对距离残差平方和最小为目标函数
[0022][0023]
svd求解icp的核心思想是先确定r、t之间的转换关系，使得(r,t)从二维降到一维，然后计算出r参数值，从而计算出t；
[0024]
6)、拆卸标定工装，安装固定板、哈夫夹具、探针，探针尖点相对于哈夫夹具的位置，要与实际检测探头作业状态一致，通过自身刻度尺调节；
[0025]
7)、操作示教器取消步骤4的工具坐标系，再使探针尖点与标定板上第一点、第二点及第三点中任一点重合，查看示教器，记录当前各关节角度值ji(i＝1、2、
…
)；8)、根据ji通过式(1.1)-(1.3)计算令式(1.3)矩阵的第四列中元素分别与式(1.4)对应元素相等，得到一个三元一次方程组，式(1.5)，即可计算出尖点位置(p
x
',py',pz')；
[0026][0027][0028][0029][0030][0031]
9)、拆除探针，安装弹性工装与检测探头，标定工作完成。
[0032]
本发明的有效收益：本发明设计一种标定工装和标定板实现坐标系点面标定，通过icp配准算法，快速计算出标定板坐标系与机器人基坐标系的位姿关系，从而获得标定板三点在基坐标系中的位置。设计一套具备缓冲结构的固定装置避免检测探头受外力损坏。使用探针代替检测探头进行tcp点的位置标定工作，只需要一个标定点就可以计算出tcp的位置。
附图说明
[0033]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0034]
图1为本发明的标定工装正视图；
[0035]
图2为本发明的标定工装仰视图；
[0036]
图3为本发明的标定板示意图；
[0037]
图4为本发明的检测探头标定状态示意图；
[0038]
图5为本发明的夹具示意图；
[0039]
图6为本发明的探针示意图；
[0040]
图7为本发明的伸缩工装示意图；
[0041]
图8为本发明的机器人dh模型示意图；
[0042]
图9为本发明的标定示意图；
[0043]
图10为本发明的标定流程图。
具体实施方式
[0044]
如图1至图10所示，本发明采用坐标系标定装置，它包括标定工装101、标定板114及探针121，标定操作时标定工装101的法兰连接于机器人末端法兰上，所述的探针121标定时固定在哈夫夹具的锁紧孔120内；还采用了检测探头固定装置，它包括l型的固定板115、哈夫夹具116、弹性工装122，检测操作时固定板115与机器人末端法兰连接，所述的弹性工装122检测时固定在哈夫夹具锁紧孔120内，使弹性工装中检测探头126在受到外力作用时，可以在局部坐标系z轴方向运动，并且可以自动复位，避免损坏探头。
[0045]
所述标定工装101由同轴的法兰104、柱体102和锥形尖顶103加工成一个整体；法兰上设有四个安装孔105和两个销孔106，确保法兰101及销孔安装时，标定工装101法兰连接于机器人末端法兰上，尖顶点103在机器人末端法兰的轴线上。所述的标定板114由金属材料制成，标定板表面激光雕刻三个标定参考点，即第一点111、第二点112及第三点113，这三个标定参考点围城一个直角三角形。所述探针121为金属材料制成的圆柱体，圆柱体一端设有锥形体及尖点，圆柱体表面沿轴向设有刻度。
[0046]
所述l型的固定板115为金属材料制成的l型结构，l型上边通过一组安装孔115a及辅助定位销孔115b与机器人末端法兰连接，固定板l型下边与哈夫夹具相连。
[0047]
所述哈夫夹具116由聚四氟乙烯制成的一侧开口的哈夫式结构，通过哈夫夹具非开口侧的螺纹孔117与l型的固定板115下边固定；哈夫夹具开口的一侧设有通孔119，通孔中拧入螺钉到开口的另一侧的螺孔中对哈夫夹具中心的锁紧孔120进行锁定调节。
[0048]
弹性工装122由聚四氟乙烯材料制成的圆筒，圆筒内设有滑动配合的内筒123，弹性工装122与内筒123之间设有复位弹簧125；检测探头126安装在内筒123中形成一个整体；内筒123与外筒122通过弹簧衔接，使检测探头126可以在局部坐标系z轴方向运动，并且可以自动复位，作业时，弹性工装122固定在夹具116的锁紧孔120内。当探头触碰到物体时，缓冲外力，避免损坏探头。
[0049]
一种检测探头固定装置及其坐标系标定装置的使用方法：
[0050]
1、以图9为例，在机器人工作空间中适当位置固定标定板114，建立坐标系{g}，以第一点111为原点，第二点112为x轴上一点，第三点113为y轴上一点，以右手法则确定z轴；
[0051]
2、在机器人末端安装标定工装101，如图8所示，机器人本体使用标准dh参数法建模，{b}为基坐标系，{e}为机器人末端法兰坐标系，其他为中间连杆相对应的坐标系；如图9所示标定工装坐标系{t}与{e}只有z方向位置偏移；
[0052]
3、根据刚体三维空间位姿描述，坐标系{t}与{e}的旋转矩阵为单位矩阵，坐标系{t}原点在{e}中表示为(0 0 z)
t
，计算标定工装坐标系{t}与机器人末端法兰坐标系{e}的齐次转换矩阵
[0053][0054]
4、示教器是操作机器人的可视化设备，具备参数设置，运动编程，调试等功能，操作示教器设定标定工装坐标系{t}参数并设置为当前使用；然后使标定工装tcp点103分别与标定板上的点111、112、113重合(即图9中点124分别触碰这三点，124为图1标定工装简化图)，并从示教器中读取tcp点103在基坐标系{b}下的位置数据，分别记录为p1(x1,y1,z1)、p2(x2,y2,z2)、p3(x3,y3,z3)；从标定板三维模型中获取对应点的坐标数据分别记录为q1(x4,y4,z4)、q2(x5,y5,z5)、q3(x6,y6,z6)；
[0055]
5、使用icp配准svd奇异值分解，解算工件坐标系{g}与基坐标系{b}的齐次转换矩阵icp算法是通过最小二乘法确定点集p＝{p1,p2,p3}与点集q{q1,q2,q3}的旋转r、平移t关系；点集q通过工件坐标系{g}直接获得，由于两个点集的点对应关系已经很明确，避免了粗配准的过程,定义各点对距离残差平方和最小为目标函数
[0056][0057]
svd求解icp的核心思想是先确定r、t之间的转换关系，使得(r,t)从二维降到一维，然后计算出r参数值，从而计算出t。
[0058]
6、拆卸标定工装，安装固定板、哈夫夹具、探针，如图4所示；探针尖点相对于哈夫夹具的位置，要与实际检测探头作业状态一致，通过自身刻度尺调节；
[0059]
7、操作示教器取消步骤4的工具坐标系，再使探针尖点与标定板上三点中任一点p重合，查看示教器，记录当前各关节角度值ji(i＝1、2、
…
)；
[0060]
8、根据ji通过式(1.1)-(1.3)计算令式(1.3)矩阵的第四列中元素分别与式(1.4)对应元素相等，得到一个三元一次方程组，式(1.5)，即可计算出尖点位置(p
x
',py',pz')；
[0061][0062]
[0063][0064][0065][0066]
9、拆除探针，安装弹性工装与检测探头，标定工作完成。
[0067]
以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法，描述了本发明的主要特征、优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
技术特征：1.一种涡流检测机器人坐标系点面标定方法，其特征在于：采用坐标系标定装置，它包括标定工装(101)、标定板(114)及探针(121)，标定操作时标定工装(101)的法兰连接于机器人末端法兰上，所述的探针(121)标定时固定在哈夫夹具的锁紧孔(120)内；还采用了检测探头固定装置，它包括l型的固定板(115)、哈夫夹具(116)、弹性工装(122)，检测操作时固定板(115)与机器人末端法兰连接，所述的弹性工装(122)检测时固定在哈夫夹具锁紧孔(120)内，使弹性工装中检测探头(126)在受到外力作用时可以在局部坐标系z轴方向运动，并且可以自动复位，避免损坏探头；所述坐标系点面标定方法包括以下步骤：1)、在机器人工作空间中适当位置固定标定板(114)，建立坐标系{g}，以标定板(114)上的第一点(111)为原点，第二点(112)为x轴上一点，第三点(113)为y轴上一点，以右手法则确定z轴；2)、在机器人末端法兰上安装标定工装(101)，机器人本体使用标准dh参数法建模，{b}为基坐标系，{e}为机器人末端法兰坐标系，其他为中间连杆相对应的坐标系，标定工装坐标系{t}与机器人末端法兰坐标系{e}只有z方向位置偏移；3)、根据刚体三维空间位姿描述，坐标系{t}与{e}的旋转矩阵为单位矩阵，坐标系{t}原点在{e}中表示为(0 0 z)
t
，计算标定工装坐标系{t}与机器人末端法兰坐标系{e}的齐次转换矩阵次转换矩阵4)、操作示教器设定标定工装坐标系{t}参数并设置为当前使用；然后使标定工装的tcp点(103)分别与标定板上的第一点(111)、第二点(112)、第三点(113)对准碰触，并从示教器中读取tcp点(103)在基坐标系{b}下的位置数据，分别记录为p1(x1,y1,z1)、p2(x2,y2,z2)、p3(x3,y3,z3)；从标定板三维模型中获取对应点的坐标数据分别记录为q1(x4,y4,z4)、q2(x5,y5,z5)、q3(x6,y6,z6)；5)、使用icp配准svd奇异值分解，解算工件坐标系{g}与基坐标系{b}的齐次转换矩阵icp算法是通过最小二乘法确定点集p＝{p1,p2,p3}与点集q{q1,q2,q3}的旋转r、平移t关系，点集q通过工件坐标系{g}直接获得；由于两个点集的点对应关系已经很明确，避免了粗配准的过程，定义各点对距离残差平方和最小为目标函数svd求解icp的核心思想是先确定r、t之间的转换关系，使得(r,t)从二维降到一维，然后计算出r参数值，从而计算出t；6)、拆卸标定工装，安装固定板、哈夫夹具、探针，探针尖点相对于哈夫夹具的位置，要与实际检测探头作业状态一致，通过自身刻度尺调节；7)、操作示教器取消步骤4的工具坐标系，再使探针尖点与标定板上第一点、第二点及第三点中任一点重合，查看示教器，记录当前各关节角度值j
i
(i＝1、2、
…
)；
8)、根据j
i
通过式(1.1)-(1.3)计算令式(1.3)矩阵的第四列中元素分别与式(1.4)对应元素相等，得到一个三元一次方程组，式(1.5)，即可计算出尖点位置(p
x
',p
y
',p
z
')；')；')；')；')；9)、拆除探针，安装弹性工装与检测探头，标定工作完成。2.根据权利要求1所述的一种涡流检测机器人坐标系点面标定方法，其特征在于：所述标定工装(101)由同轴的法兰(104)、柱体(102)和锥形尖顶(103)加工成一个整体；法兰上设有四个安装孔(105)和两个销孔(106)，确保法兰(101)及销孔安装时，标定工装(101)法兰连接于机器人末端法兰上，尖顶点(103)在机器人末端法兰的轴线上。3.根据权利要求1所述的一种涡流检测机器人坐标系点面标定方法，其特征在于：所述的标定板(114)由金属材料制成，标定板表面激光雕刻三个标定参考点，即第一点(111)、第二点(112)及第三点(113)，这三个标定参考点围城一个直角三角形。4.根据权利要求1所述的一种涡流检测机器人坐标系点面标定方法，其特征在于：所述探针(121)为金属材料制成的圆柱体，圆柱体一端设有锥形体及尖点，圆柱体表面沿轴向设有刻度。5.根据权利要求1所述的一种涡流检测机器人坐标系点面标定方法，其特征在于：l型的固定板(115)为金属材料制成的l型结构，l型上边通过一组安装孔(115a)及辅助定位销孔(115b)与机器人末端法兰连接，固定板l型下边与哈夫夹具相连。
6.根据权利要求1所述的一种涡流检测机器人坐标系点面标定方法，其特征在于：哈夫夹具(116)由聚四氟乙烯制成的一侧开口的哈夫式结构，通过哈夫夹具非开口侧的螺纹孔(117)与l型的固定板(115)下边固定；哈夫夹具开口的一侧设有通孔(119)，通孔中拧入螺钉到开口的另一侧的螺孔中对哈夫夹具中心的锁紧孔(120)进行锁定调节。7.根据权利要求1所述的一种涡流检测机器人坐标系点面标定方法，其特征在于：弹性工装(122)由聚四氟乙烯材料制成的圆筒，圆筒内设有滑动配合的内筒(123)，弹性工装(122)与内筒(123)之间设有复位弹簧(125)；检测探头(126)安装在内筒(123)中形成一个整体；内筒(123)与外筒(122)通过弹簧衔接，使检测探头(126)可以在局部坐标系z轴方向运动，并且可以自动复位，作业时，弹性工装(122)固定在夹具(116)的锁紧孔(120)内。
技术总结本发明涉及一种涡流检测机器人坐标系点面标定方法，1.机器人工作空间固定标定板（114），建立坐标系{G}，2.在机器人末端法兰上安装标定工装，机器人本体使用标准DH参数法建模，{B}为基坐标系，{E}为机器人末端法兰坐标系；3.计算标定工装坐标系{T}与机器人末端法兰坐标系{E}的齐次转换矩阵；4.操作示教器设定标定工装坐标系{T}；5.使用ICP配准SVD奇异值分解，解算工件坐标系{G}与基坐标系{B}的齐次转换矩阵；6.操作示教器再使探针尖点与标定板上第一至三点中任一点重合，记录当前各关节角度值计算出尖点位置，标定工作完成。本发明的有益效果：设计一种标定工装和标定板实现坐标系点面标定，通过ICP配准算法，快速计算出标定板坐标系与机器人基坐标系的位姿关系。设计一套具备缓冲结构的固定装置避免检测探头受外力损坏。使用探针代替检测探头进行TCP点的位置标定工作，只需要一个标定点就可以计算出TCP的位置。TCP的位置。TCP的位置。
技术研发人员：程万里 程军 许德章 汪步云 刘莉
受保护的技术使用者：芜湖安普机器人产业技术研究院有限公司
技术研发日：2022.06.21
技术公布日：2022/11/1
