RU2848929C1

RU2848929C1 - Laser-optical system for calibrating manipulator of industrial robot

Info

Publication number: RU2848929C1
Application number: RU2025117174A
Authority: RU
Inventors: Илья Александрович Баранчугов; Алексей Эдуардович Кожушко; Артемий Михайлович Никишин; Федор Александрович Плешаков
Filing date: 2025-06-23
Publication date: 2025-10-21

Abstract

FIELD: industrial robots.

SUBSTANCE: invention relates to systems for calibrating industrial robot manipulators. The claimed laser-optical system comprises a calibration screen, a digital camera, a computing unit, a laser emitter rigidly mounted on the flange of an industrial robot manipulator, and a measuring stand located outside the working area of the manipulator. The digital camera and calibration screen are rigidly fixed to the measuring stand, and the calibration screen itself is made of a translucent material with coordinate markings applied to it and a clearly marked geometric centre. The digital camera is designed to capture images of the laser spot projected by the laser emitter onto the translucent calibration screen and transmit them to a computing unit containing specialised software that implements computer vision algorithms for image processing and a multi-factor optimisation algorithm for analysing the correspondence between the actual coordinates of the laser spot and the coordinates of the centre of the screen, followed by the calculation of the kinematic parameters of the robot manipulator.

EFFECT: reduction of measurement errors and improvement of device reliability.

4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к системам для калибровки манипуляторов промышленных роботов, и может быть использовано для повышения точности позиционирования и управления движением роботизированных систем.The invention relates to systems for calibrating industrial robot manipulators and can be used to improve the accuracy of positioning and motion control of robotic systems.

Известно техническое решение, представляющее собой способ калибровки системы координат концевого эффектора робота на основе лазерного трекера (CN105716525, номер публикации 105716525, дата публикации 29.06.2016). Согласно этому способу, определяются системы координат инструмента и камеры в соответствии с требованиями обработки, такими как формирование отверстий. Лазерный трекер и специально изготовленная калибровочная пластина используются в качестве инструментов, при этом определяется система координат калибровочной пластины. Калибруется матрица положения системы координат фланца, системы координат инструмента и системы координат калибровочной пластины в системе координат лазерного трекера, а также калибруется матрица положения системы координат калибровочной пластины в системе координат камеры, что позволяет получить матрицы положения системы координат инструмента и системы координат камеры в системе координат фланца, и таким образом получить точную систему координат инструмента и систему координат камеры.A technical solution is known, which is a method for calibrating the coordinate system of a robot end effector based on a laser tracker (CN105716525, publication number 105716525, publication date 06/29/2016). According to this method, the coordinate systems of the tool and camera are determined in accordance with processing requirements, such as hole formation. A laser tracker and a specially manufactured calibration plate are used as tools, and the coordinate system of the calibration plate is determined. The position matrix of the flange coordinate system, the tool coordinate system, and the calibration plate coordinate system in the laser tracker coordinate system is calibrated, and the position matrix of the calibration plate coordinate system in the camera coordinate system is also calibrated, which makes it possible to obtain the position matrices of the tool coordinate system and the camera coordinate system in the flange coordinate system, and thus obtain an accurate tool coordinate system and camera coordinate system.

Недостаток этого устройства заключается в его высокой стоимости и сложности, обусловленной использованием дорогостоящего лазерного трекера. Кроме того, процесс калибровки является длительным и требует высокой квалификации оператора, что приводит к простоям оборудования и увеличивает эксплуатационные расходы. Система также чувствительна к условиям окружающей среды, таким как вибрации и запыленность, что может снижать точность измерений.The disadvantage of this device is its high cost and complexity, due to the use of an expensive laser tracker. Furthermore, the calibration process is lengthy and requires highly skilled operators, leading to equipment downtime and increased operating costs. The system is also sensitive to environmental conditions such as vibration and dust, which can reduce measurement accuracy.

Известен также способ калибровки "глаз-рука" концевого манипулятора с использованием одной камеры (CN107808401, номер публикации 107808401, дата публикации 16.03.2018). В данном способе описана система калибровки, включающая камеру, установленную на конце манипулятора робота и калибровочную пластину с контрастными метками, размещенную в поле зрения камеры. Система отслеживает координаты меток на изображениях и сравнивает их с позицией манипулятора. По результатам расчетов формируется матрица калибровки, устанавливающая точное соотношение между системой координат камеры и системой координат манипулятора. Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.A method for eye-hand calibration of an end-of-arm manipulator using a single camera is also known (CN107808401, publication number 107808401, publication date March 16, 2018). This method describes a calibration system comprising a camera mounted at the end of a robotic manipulator and a calibration plate with contrast marks positioned within the camera's field of view. The system tracks the coordinates of the marks in images and compares them with the manipulator's position. Based on the calculation results, a calibration matrix is generated, establishing a precise relationship between the camera's coordinate system and the manipulator's coordinate system. This device was selected as the prototype for the proposed solution.

Недостатком данного устройства является ограниченная точность, обусловленная использованием одной камеры и зависимостью от аппроксимации пиксельных координат. Это может приводить к повышению погрешности измерений, особенно при высокоточных задачах, а также к снижению надёжности работы устройства, поскольку не учитываются все возможные кинематические параметры манипулятора в 3D пространстве.A disadvantage of this device is its limited accuracy, due to its use of a single camera and its reliance on pixel coordinate approximation. This can lead to increased measurement error, especially in high-precision applications, and to reduced reliability, as it fails to account for all possible kinematic parameters of the manipulator in 3D space.

Кроме того, недостатком данного технического решения является отсутствие средств, позволяющих бороться с геометрическими искажениями камеры и влиянием внешних факторов, таких как неравномерное освещение или блики, которые могут значительно снижать точность определения пиксельных координат. Это также снижает надёжность работы устройства и ограничивает его применение в различных промышленных условиях.Furthermore, a drawback of this technical solution is the lack of means to combat camera geometric distortions and the influence of external factors, such as uneven lighting or glare, which can significantly reduce the accuracy of pixel coordinate determination. This also reduces the device's reliability and limits its use in various industrial settings.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении погрешности измерений, а также в повышении надёжности работы устройства.The technical result of the proposed invention consists in reducing the measurement error, as well as increasing the reliability of the device.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для лазерно-оптической калибровки манипулятора промышленного робота, содержащем лазерный излучатель, полупрозрачный калибровочный экран, цифровую камеру, вычислительный блок и блок управления, лазерный излучатель жестко закреплен на фланце манипулятора промышленного робота, полупрозрачный калибровочный экран и цифровая камера жестко зафиксированы на измерительной стойке, расположенной вне рабочей зоны манипулятора, при этом полупрозрачный калибровочный экран имеет координатную разметку и четко обозначенный геометрический центр, а цифровая камера выполнена с возможностью захвата изображений лазерного пятна, проецируемого лазерным излучателем на полупрозрачный калибровочный экран, и передачи их в вычислительный блок, который содержит специализированное программное обеспечение, реализующее алгоритмы компьютерного зрения для обработки изображений и многофакторный оптимизационный алгоритм для анализа соответствия фактических координат лазерного пятна и координат центра экрана, с последующим вычислением кинематических параметров манипулятора робота.The said technical result is achieved in that in a device for laser-optical calibration of an industrial robot manipulator, comprising a laser emitter, a translucent calibration screen, a digital camera, a computing unit and a control unit, the laser emitter is rigidly fixed on the flange of the industrial robot manipulator, the translucent calibration screen and the digital camera are rigidly fixed on a measuring stand located outside the working area of the manipulator, wherein the translucent calibration screen has coordinate markings and a clearly designated geometric center, and the digital camera is configured to capture images of the laser spot projected by the laser emitter onto the translucent calibration screen, and transmit them to the computing unit, which contains specialized software implementing computer vision algorithms for image processing and a multifactor optimization algorithm for analyzing the correspondence of the actual coordinates of the laser spot and the coordinates of the center of the screen, with subsequent calculation of the kinematic parameters of the robot manipulator.

Существует вариант, в котором полупрозрачный калибровочный экран изготовлен из оптического стекла с высоким коэффициентом пропускания. Существует также вариант, в котором измерительная стойка снабжена регулируемыми креплениями для жесткой фиксации камеры и полупрозрачного экрана. Возможен вариант, где вычислительный блок подключен к блоку управления манипулятором робота для корректировки его программы движения на основе полученных калибровочных данных.There is a variant in which the translucent calibration screen is made of high-transmittance optical glass. Another variant has the measuring stand equipped with adjustable mounts to firmly secure the camera and translucent screen. Another variant is in which the computing unit is connected to the robotic arm control unit to adjust its motion program based on the obtained calibration data.

Сущность представленного изобретения поясняется чертежами, где:The essence of the presented invention is explained by drawings, where:

На фиг.1 изображена схема расположения компонентов системы для лазерно-оптической калибровки манипулятора промышленного робота.Fig. 1 shows a diagram of the arrangement of components of a system for laser-optical calibration of an industrial robot manipulator.

На фиг.2 изображена измерительная стойка 7 с регулируемыми креплениями 8 для жесткой фиксации камеры 3 и полупрозрачного экрана 2.Fig. 2 shows a measuring stand 7 with adjustable fasteners 8 for rigidly fixing the camera 3 and the translucent screen 2.

Лазерно-оптическая система для калибровки манипулятора промышленного робота 1, содержит калибровочный экран 2, цифровую камеру 3, вычислительный блок 4, лазерный излучатель 5, жестко закрепленный на фланце 6 манипулятора промышленного робота, и измерительную стойку 7, расположенную вне рабочей зоны манипулятора. При этом цифровая камера 3 и калибровочный экран 2 жестко зафиксированы на измерительной стойке 7, а сам калибровочный экран 2 выполнен из полупрозрачного материала с нанесенной на нем координатной разметкой и четко обозначенным геометрическим центром. Цифровая камера 3 выполнена с возможностью захвата изображений лазерного пятна, проецируемого лазерным излучателем на полупрозрачный калибровочный экран, и передачи их в вычислительный блок 4, который содержит специализированное программное обеспечение, реализующее алгоритмы компьютерного зрения для обработки изображений и многофакторный оптимизационный алгоритм для анализа соответствия фактических координат лазерного пятна и координат центра экрана, с последующим вычислением кинематических параметров манипулятора робота.A laser-optical system for calibrating an industrial robot manipulator 1 comprises a calibration screen 2, a digital camera 3, a computing unit 4, a laser emitter 5 rigidly attached to a flange 6 of the industrial robot manipulator, and a measuring stand 7 located outside the manipulator's working area. Digital camera 3 and calibration screen 2 are rigidly attached to the measuring stand 7, and calibration screen 2 itself is made of a translucent material with coordinate markings and a clearly defined geometric center. The digital camera 3 is configured to capture images of the laser spot projected by the laser emitter onto the translucent calibration screen and transmit them to the computing unit 4, which contains specialized software implementing computer vision algorithms for image processing and a multifactor optimization algorithm for analyzing the correspondence of the actual coordinates of the laser spot and the coordinates of the center of the screen, with subsequent calculation of the kinematic parameters of the robot manipulator.

Программное обеспечение включает алгоритмы компьютерного зрения для обработки изображений и многофакторный оптимизационный алгоритм для анализа соответствия фактических координат лазерного пятна и координат центра экрана с последующим вычислением кинематических параметров манипулятора робота. Все исполнительные элементы подключены к блоку управления (на чертежах не указан).The software includes computer vision algorithms for image processing and a multivariate optimization algorithm for analyzing the correspondence between the actual coordinates of the laser spot and the coordinates of the screen center, followed by calculating the kinematic parameters of the robot manipulator. All actuators are connected to a control unit (not shown in the drawings).

Система работает следующим образом. The system works as follows.

Перед началом калибровки лазерный излучатель 5 жестко закрепляется на фланце манипулятора промышленного робота 1. Before starting the calibration, the laser emitter 5 is rigidly fixed on the flange of the industrial robot manipulator 1.

Полупрозрачный калибровочный экран 2 и цифровая камера 3 жестко фиксируются на измерительной стойке 7, расположенной таким образом, чтобы экран 2 находился в рабочей зоне лазерного луча. The translucent calibration screen 2 and the digital camera 3 are rigidly fixed on the measuring stand 7, located in such a way that the screen 2 is in the working area of the laser beam.

Манипулятор робота под управлением блока управления 4 перемещается в различные калибровочные положения. В каждом положении лазерный излучатель 5 проецирует лазерный луч на полупрозрачный калибровочный экран 2, образуя лазерное пятно. Цифровая камера 3, расположенная с обратной стороны экрана 2, фиксирует каждое положение лазерного пятна на экране 2. Захваченные изображения передаются в вычислительный блок 8. Вычислительный блок 8, используя специализированное программное обеспечение, реализующее алгоритмы компьютерного зрения, обрабатывает снимки и проводит анализ соответствия фактических координат центра лазерного пятна и координат геометрического центра экрана 2. На основе этих данных запускается многофакторный оптимизационный алгоритм, который вычисляет реальные геометрические параметры робота и корректирует его кинематическую модель. Полученные калибровочные данные передаются обратно в контроллер робота 9 для дальнейшей калибровки и повышения точности позиционирования робота.The robot arm, controlled by control unit 4, moves to various calibration positions. At each position, laser emitter 5 projects a laser beam onto translucent calibration screen 2, forming a laser spot. Digital camera 3, located on the back of screen 2, records each position of the laser spot on screen 2. The captured images are transmitted to computing unit 8. Using specialized software implementing computer vision algorithms, computing unit 8 processes the images and analyzes the correspondence between the actual coordinates of the laser spot center and the coordinates of the geometric center of screen 2. Based on this data, a multifactor optimization algorithm is launched, which calculates the actual geometric parameters of the robot and adjusts its kinematic model. The obtained calibration data is transmitted back to robot controller 9 for further calibration and improving the robot's positioning accuracy.

За счет того, что лазерный излучатель жестко закреплен на фланце манипулятора, а полупрозрачный калибровочный экран и цифровая камера жестко зафиксированы на измерительной стойке вне рабочей зоны манипулятора, повышается надёжность работы устройства и уменьшается погрешность измерения, поскольку обеспечиваются стабильность измерительной системы и возможность проведения калибровки в реальных условиях эксплуатации робота, что минимизирует влияние внешних факторов. Снабжение полупрозрачного калибровочного экрана координатной разметкой и четко обозначенным геометрическим центром повышает надёжность работы устройства и уменьшает погрешность измерения за счёт обеспечения точной привязки лазерного пятна к эталонным координатам. Использование вычислительного блока со специализированным программным обеспечением, реализующим алгоритмы компьютерного зрения и многофакторный оптимизационный алгоритм, повышает надёжность работы устройства и уменьшает погрешность измерения, обеспечивая автоматическую, высокоточную обработку данных и комплексную оптимизацию кинематической модели робота. Применение измерительной стойки с регулируемыми креплениями повышает надёжность работы устройства за счёт обеспечения точности позиционирования измерительных элементов.The laser emitter is rigidly mounted to the manipulator flange, while the translucent calibration screen and digital camera are firmly attached to a measuring stand outside the manipulator's working area. This increases the device's reliability and reduces measurement error, as it ensures the stability of the measuring system and allows calibration under real-world robot operating conditions, minimizing the influence of external factors. Equipping the translucent calibration screen with coordinate markings and a clearly defined geometric center increases the device's reliability and reduces measurement error by ensuring precise alignment of the laser spot with reference coordinates. The use of a computing unit with specialized software implementing computer vision algorithms and a multivariate optimization algorithm improves the device's reliability and reduces measurement error, ensuring automatic, high-precision data processing and comprehensive optimization of the robot's kinematic model. The use of a measuring stand with adjustable mounts improves the device's reliability by ensuring precise positioning of the measuring elements.

Claims

1. A laser-optical system for calibrating an industrial robot manipulator (1), comprising a calibration screen (2), a digital camera (3) and a computing unit (4), characterized in that the system additionally comprises a laser emitter (5) rigidly fixed to a flange (6) of the industrial robot manipulator, a measuring stand (7) located outside the working area of the manipulator, wherein the digital camera and the calibration screen are rigidly fixed to the measuring stand, and the calibration screen itself is made of a translucent material with coordinate markings applied to it and a clearly designated geometric center, and the digital camera is configured to capture images of a laser spot projected by the laser emitter onto a translucent calibration screen and transmit them to a computing unit that contains specialized software implementing computer vision algorithms for image processing and a multifactor optimization algorithm for analyzing the correspondence of the actual coordinates of the laser spot and the coordinates of the center of the screen, with subsequent calculation of the kinematic parameters of the manipulator robot.

2. A laser-optical system for calibrating an industrial robot manipulator according to claim 1, characterized in that the translucent calibration screen is made of optical glass with a low transmittance coefficient.

3. A laser-optical system for calibrating an industrial robot manipulator according to claim 1, characterized in that the measuring stand is equipped with adjustable fasteners (8) for rigidly fixing the camera (3) and the translucent screen (2).

4. A laser-optical system for calibrating an industrial robot manipulator according to claim 1, characterized in that the computing unit (4) is connected to the control unit of the robot manipulator to correct its movement program based on the received calibration data.