专利名称：工业机器人室内精确定位系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种工业机器人的室内精确定位系统及方法，具体涉及一种通过激光及三角测量的方式，可在室内运行的使工业机器人进行精确定位系统。
背景技术：
随着科技的迅速发展，工业机器人在很多领域都有应用，诸如在汽车、航空、航天等系统中，工业机器人正在取代人工完成某些重复性、劳动强度大、工作环境恶劣的工作，例如搬运机器人，打磨机器人，喷涂机器人等，但是由于机器人的定位精度较差，在很大程度上限制了其应用，尤其在精度要求较高的应用领域。目前工业机器人定位应用较多的有图像定位、激光测距仪测量定位等。这些定位方法都会受到诸如环境、光照、测量距离等因素的影响，使用范围受到限制。图像定位受光照影响较大，而且不能出现遮挡的情况；激光测距仪测量距离有限。

发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种应用于室内工作的工业机器人精确定位系统及方法，可在不同光照、温度、大距离等情况下对工业机器人进行精确定位。为实现这一目的，本发明的技术解决方案是，定位系统包括机器人系统和测量系统，测量系统包括两个基站、三个接收器、处理器，机器人系统包括机器人本体以及机器人末端执行器；基站固定于支架或平稳的地面上，基站是一个能够发出两种激光的旋转转台，两种激光包括4束同步光和2束扇面光，4束同步光在转台的下方呈90°均匀分布，2束扇面光位于转台的上方，2束扇面光水平角呈90°，2束扇面光在竖直方向分别呈±30°，电机带动转台旋转，进而带动同步光和扇面光旋转；两个基站位于机器人末端执行器2-10米范围内，三个接收器固定于机器人末端执行器上，且不共线分布；三个接收器通过处理器与计算机连接。工业机器人的室内精确定位系统的定位方法是，(I)根据机器人末端执行器的外形尺寸，将两个基站分布在机器人本体周围2-10m处；(2)机器人坐标系与测量系统坐标系建立首先根据3个接收器在机器人末端执行器上的安装位置，确定机器人坐标系下的初始坐标，根据两台基站之间的距离建立以一个基站中心点为坐标原点的系统坐标系；(3)基站的旋转转台向周围空间发出同步光和两束扇面光，当光束扫过每个接收器时，接收器的感光器件产生脉冲，处理器将接收器传来的脉冲进行滤波后计时，通过计算机解算每个接收器在测量系统坐标系下的三维坐标。根据机器人坐标系与测量坐标系之间的关系，将三个接收器在测量坐标系下的坐标转换到机器人坐标系下。(4)根据三个接收器在机器人坐标系下的三维坐标，结合三个接收器与机器人末端执行器中心点的位置关系，推导出当前机器人末端执行器中心点在机器人坐标系下的空间位置坐标。(5)根据机器人末端执行器中心点位置坐标与机器人理想位置坐标进行比对，根据差值控制机器人动作，进行补偿，以达到误差允许范围。所述的根据机器人末端执行器中心点位置坐标与机器人理想位置坐标进行比对后的差值控制机器人动作，进行反复补偿，直至达到误差允许范围内即可。本发明具有的优点和有益效果本发明针对在大距离范围机器人定位精度低的问题，设计了由室内空间测量系统及工业机器人组成的定位系统，其中室内空间测量系统由2台基站、多个(>=3)接收器和处理器组成；接收器均安装在机器人的末端执行器上，且安装位置不共线，根据安装位置与机器人末端执行器之间的关系，可转换得到3个接收器在机器人坐标系下的初始坐标。本发明的优点在于，通过测量系统可同时测量多个接收器的空间坐标，避免了其它激光测量仪器(例如激光跟踪仪，激光测距仪)单点测量的问题，可在不同光照、温度、大距离等情况下对工业机器人进行精确定位，提高了机器人的定位精度。


图1系统结构框图。图2本发明定位方法流程图。图3接收器和两台基站的布局不意图。
具体实施例方式I)系统总体布局定位系统包括机器人系统和测量系统，测量系统包括两个基站1、三个接收器2、处理器5，机器人系统包括机器人本体4以及机器人末端执行器3 ;基站I固定于支架或平稳的地面上，基站I是一个能够发出两种激光的旋转转台，两种激光包括4束同步光和2束扇面光，4束同步光在转台的下方呈90°均匀分布，2束扇面光位于转台的上方，2束扇面光水平角呈90°，2束扇面光在竖直方向分别呈±30°，电机带动转台旋转，进而带动同步光和扇面光旋转；两个基站I位于机器人末端执行器2-10米范围内，三个接收器固定于机器人末端执行器3上，且不共线分布；三个接收器2通过处理器5与计算机连接。根据工业机器人末端执行器3的外形尺寸，对3个接收器2进行不共线分布在末端执行器3上，两个基站分布在工业机器人周围2-10m处，当同步光、扇面光扫过接收器2时，接收器2内部的感光器件接收到光信号，产生脉冲，脉冲传给处理器进行滤波，滤波后进行计数，同步光脉冲为转台每周扫过接收器的初始时刻，两个扇面光脉冲推算接收器相对于基站的水平角和方位角，根据两个基站之间的距离，根据三角测量法，解算出每个接收器的三维坐标。2)机器人定位系统坐标系建立首先根据机器人的安装位置与末端执行器之间的关系，确定3个接收器在机器人坐标系下的初始坐标。测量系统启动后，经过预热可根据两台基站之间的距离建立以一个基站中心点为坐标原点的测量系统坐标系。测量系统可同时测得三个接收器的三维坐标，处理器根据接收器的脉冲，进行滤波，记录脉冲的时刻，同步光脉冲为转台每周扫过接收器的初始时刻，两个扇面光脉冲推算接收器相对于基站的水平角和方位角，根据两个基站之间的距离，根据三角测量法，计算机解算出每个接收器的三维坐标。根据三个接收器在机器人末端执行器上的位置分布，推算出三个接收器在机器人坐标系下的三维坐标，通过坐标系转换，即可得到室内空间定位系统坐标系和机器人坐标系的转换关系。从而建立机器人定位系统坐标系。3)机器人在运动过程中，实时测量三个接收器的三维坐标，通过控制软件计算得到机器人末端执行器中心点的坐标。根据当前机器人末端执行器中心点坐标和理想位置坐标，进行比对，软件系统根据差值，控制机器人动作，通过机器人控制系统，实现对机器人的定位和补偿。4)软件系统在测量的同时，还能够实现数据管理、系统设置、打印测量报告等功能。机器人的定位精度一般在亚毫米级，经室内空间定位系统补偿，机器人的定位精度提高十倍至几十微米。实施例工业机器人末端执行器的外形尺寸为半径为20cm的圆盘，3个接收器在机器人末端执行器的圆盘上呈60°均与分布，距机器人末端执行器的圆盘中心点15cm，两个基站位于在工业机器人前方Sm处。根据3个接收器在机器人末端执行器的圆盘上的位置，推算出三个接收器在机器人坐标系下的坐标。启动测量系统，测量当前三个接收器在测量坐标系下的三维坐标，根据三个接收器在机器人坐标系下的坐标，得到测量坐标系与机器坐标系之间的转换关系。测量三个接受器在测量系统坐标系下的三维坐标，根据三个接收器与机器人末端执行器圆盘中心点的位置关系，推导出机器人末端执行器的圆盘中心点的三维坐标。

令机器人末端执行器的圆盘中心点在机器人坐标系下的理想位置坐标为(500, O, 0)，根据测量三个接收器的三维坐标，得到机器人末端执行器的圆盘中心点在机器人坐标系下的三维坐标，根据差值控制机器人进行补偿，三次补偿结果如下所示
理论值(職V 实际值(mm) ^ 偏差(mm) ^补偿卮的偏差(im)*>*
500,'500. 7874*" -O. 7874.'-0.0231*"
500^500. 0231^-O· 0231'+''-0.0156^ *
50CW500. 0156·*=-0.0156#O. 0044,-' ‘
权利要求
1.一种工业机器人的室内精确定位系统，其特征在于，定位系统包括机器人系统和测量系统，测量系统包括两个基站、三个接收器、处理器，机器人系统包括机器人本体以及机器人末端执行器；基站固定于支架或平稳的地面上，基站是一个能够发出两种光的旋转转台，两种光包括4束同步光和2束扇面光，4束同步光在转台的下方呈90°均匀分布，2束扇面光位于转台的上方，2束扇面光水平角呈90°，2束扇面光在竖直方向分别呈±30°，电机带动转台旋转，进而带动同步光和扇面光旋转；两个基站位于机器人末端执行器2-10米范围内，三个接收器固定于机器人末端执行器上，且不共线分布；三个接收器通过处理器与计算机连接。
2.一种利用权利要求1的工业机器人的室内精确定位系统的定位方法，其特征在于， (1)根据机器人末端执行器的外形尺寸，将两个基站分布在机器人本体周围2-10m处； (2)机器人坐标系与测量系统坐标系建立 首先根据3个接收器在机器人末端执行器上的安装位置，确定机器人坐标系下的初始坐标，根据两台基站之间的距离建立以一个基站中心点为坐标原点的系统坐标系； (3)基站的旋转转台向周围空间发出同步光和两束扇面光，当光束扫过每个接收器时，接收器的感光器件产生脉冲，处理器将接收器传来的脉冲进行滤波后计时，通过计算机解算每个接收器在测量系统坐标系下的三维坐标，根据机器人坐标系与测量坐标系之间的关系，将三个接收器在测量坐标系下的坐标转换到机器人坐标系下； (4)根据三个接收器在机器人坐标系下的三维坐标，结合三个接收器与机器人末端执行器中心点的位置关系，推导出当前机器人末端执行器中心点在机器人坐标系下的空间位置坐标； (5)根据机器人末端执行器中心点位置坐标与机器人理想位置坐标进行比对，根据差值控制机器人动作，进行补偿，以达到误差允许范围。
3.根据权利要求2所述的工业机器人的室内精确定位方法，其特征是，所述的根据机器人末端执行器中心点位置坐标与机器人理想位置坐标进行比对后的差值控制机器人动作，进行反复补偿，直至达到误差允许范围内即可。
全文摘要
本发明涉及一种工业机器人的室内精确定位系统及方法，具体涉及一种通过激光及三角测量的方式，可在室内运行的使工业机器人进行精确定位系统。定位系统包括机器人系统和测量系统，测量系统包括两个基站、三个接收器、处理器，机器人系统包括机器人本体以及机器人末端执行器。本发明通过测量系统可同时测量多个接收器的空间坐标，避免了其它激光测量仪器(例如激光跟踪仪，激光测距仪)单点测量的问题，可在不同光照、温度、大距离等情况下对工业机器人进行精确定位，提高了机器人的定位精度。
文档编号G01C21/00GK103033183SQ20121054527
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月14日 优先权日2012年12月14日
发明者甘志超, 王希花, 王柏林, 杨超, 黄威, 张玉如, 崔静静, 邓英灿 申请人:中国航空工业集团公司北京长城航空测控技术研究所, 中航高科智能测控有限公司, 北京瑞赛长城航空测控技术有限公司