一种六轴机械臂超声波检测系统的TCP校准方法及装置与流程

一种六轴机械臂超声波检测系统的tcp校准方法及装置
技术领域
1.本发明涉及自动化超声波检测领域，具体涉及一种六轴机械臂超声波检测系统的tcp校准方法及装置。


背景技术：

2.六轴机械臂因其多自由度、价格和质量等特征，越来越多的取代常规的多轴联动的扫查架，应用于自动化超声波检测领域。六轴机械臂自动化超声波检测系统坐标系较多，包括robroot、world、flange、base和tool坐标系，其中robroot、world与机器人本体和安装方式相关，而base和tool需要结合机器人程序、检测对象和工具特点进行标定。一般的工具坐标的标定方法主要是三维模型计算导入法和接触式尖端四点法。
3.在基于单晶点聚焦探头技术的自动化水浸超声检测系统中，经常需要系统围绕探头发射声束焦点做转动。这就需要将探头的焦点位置做为机器人tool坐标系的原点，及tcp点。由于探头的安装有一定的随意性，因此很难采用三维模型计算导入的方法来设置tcp点。采用尖端四点法，通过接触的方法，只能将tcp点设置在探头的末端，无法准确得到探头声束焦点的坐标。
4.因此需要对现有技术的技术方案进行改进，解决现有技术中无法实现六轴机械臂自动化水浸超声检测系统tcp(及聚焦探头声束焦点)校准的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是：提供一种六轴机械臂超声波检测系统的tcp校准方法及装置，解决现有技术中无法实现焦点校准的问题。
6.为了实现上述目的，本发明提供了一种六轴机械臂超声波检测系统的tcp校准方法，包括：
7.控制六轴机械臂到检测球的上方，所述六轴机械臂上设置有探头；其中，所述检测球设置于水下，所述探头为具有a扫描功能的超声检测装置的探头，且探头在进行检测时也处于水下；
8.获取探头在第一空间位置的第一空间坐标，获取探头在第二空间位置的第二空间坐标，获取探头在第三空间位置的第三空间坐标，获取探头在第四空间位置的第四空间坐标；当探头在第一空间位置或第二空间位置或第三空间位置或第四空间位置时，探头的焦点在检测球表面且探头声束轴线穿过检测球的球心；
9.根据第一空间坐标、第二空间坐标、第三空间坐标和第四空间坐标，完成tcp点校准。
10.进一步的，所述获取探头在第一空间位置的第一空间坐标，具体为：
11.调整探头相对于检测球表面的角度，当超声检测装置在a扫描回波幅值最大时，将探头和检测球表面的角度记为第一角度；保持探头和检测球表面的角度为第一角度，调整探头到检测球表面的距离，当探头到检测球表面的距离为探头在水中的焦距时，保持探头
的空间位置不变再次调整探头与检测球表面的角度，判断探头在当前空间位置时超声检测装置的a扫描回波信号幅值是否最大；若是则得到探头的第一空间位置及第一空间位置的第一空间坐标。
12.进一步的，若否则保证探头和检测球表面的角度为第一角度，调整探头和检测球表面的距离。
13.进一步的，获取探头在第二空间位置的第二空间坐标的方法与获取探头在第一空间位置的第一空间坐标的方法相同；获取探头在第三空间位置的第三空间坐标的方法与获取探头在第一空间位置的第一空间坐标的方法相同；获取探头在第四空间位置的第四空间坐标的方法与获取探头在第一空间位置的第一空间坐标的方法相同。
14.进一步的，将第一空间坐标、第二空间坐标、第三空间坐标和第四空间坐标与检测球的球心连线，得到四根连接线；所述四根连接线中任意两根的夹角大于二十度。
15.进一步的，所述检测球为金属材质的实心球。
16.本发明还公开了一种六轴机械臂超声波检测系统的tcp校准装置，包括：检测水箱、检测球、六轴机械臂、探头和超声检测装置；
17.检测球设置于检测水箱内，六轴机械臂上设置有探头，超声检测装置用于反馈和展示探头的反馈信号；
18.当进行检测时，控制六轴机械臂到检测球的上方，所述检测球设置于水下，所述探头为具有a扫描功能的超声检测装置的探头，且探头在进行检测时也处于水下；
19.获取探头在第一空间位置的第一空间坐标，获取探头在第二空间位置的第二空间坐标，获取探头在第三空间位置的第三空间坐标，获取探头在第四空间位置的第四空间坐标；当探头在第一空间位置或第二空间位置或第三空间位置或第四空间位置时，探头的焦点在检测球表面且探头声束轴线穿过检测球的球心；
20.根据第一空间坐标、第二空间坐标、第三空间坐标和第四空间坐标，完成tcp点校准。
21.进一步的，所述获取探头在第一空间位置的第一空间坐标，具体为：
22.调整探头相对于检测球表面的角度，当超声检测装置在a扫描回波幅值最大时，将探头和检测球表面的角度记为第一角度；保持探头和检测球表面的角度为第一角度，调整探头到检测球表面的距离，当探头到检测球表面的距离为探头在水中的焦距时，保持探头的空间位置不变再次调整探头与检测球表面的角度，判断探头在当前空间位置时超声检测装置的a扫描回波信号幅值是否最大；若是则得到探头的第一空间位置及第一空间位置的第一空间坐标。
23.进一步的，将第一空间坐标、第二空间坐标、第三空间坐标和第四空间坐标与检测球的球心连线，得到四根连接线；所述四根连接线中任意两根的夹角大于二十度。
24.进一步的，所述检测球设置于检测水箱内具体为：
25.检测水箱内设置有锥台结构的空心陶瓷支架，所述空心陶瓷支架的上表面设置有检测球的安装孔。
26.本发明实施例一种六轴机械臂超声波检测系统的tcp校准方法及装置与现有技术相比，其有益效果在于：本发明的校准方法充分考虑超声波点聚焦探头声束特性，配合检检测球，可以快速对检测系统的tcp点进行校准，并且校准结果精度高。
附图说明
27.图1是本发明一种六轴机械臂超声波检测系统的tcp校准方法的流程示意图；
28.图2是本发明探头空间位置的一种实施方式的示意图；
29.图3是本发明检测球设置的一种实施方式的示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
31.实施例1：
32.如图1所示，本发明公开了一种六轴机械臂超声波检测系统的tcp校准方法，应用于自动化超声波检测，主要包括如下步骤：
33.步骤s1，控制六轴机械臂到检测球的上方，所述六轴机械臂上设置有探头；其中，所述检测球设置于水下，所述探头为具有a扫描功能的超声检测装置的探头，且探头在进行检测时也处于水下。
34.步骤s2，获取探头在第一空间位置的第一空间坐标，获取探头在第二空间位置的第二空间坐标，获取探头在第三空间位置的第三空间坐标，获取探头在第四空间位置的第四空间坐标；当探头在第一空间位置或第二空间位置或第三空间位置或第四空间位置时，探头的焦点在检测球表面、且探头声束轴线穿过检测球的球心。
35.步骤s3，根据第一空间坐标、第二空间坐标、第三空间坐标和第四空间坐标，完成tcp点校准。
36.在步骤s1中，控制六轴机械臂到检测球的上方，所述六轴机械臂上设置有探头；其中，所述检测球设置于水下，所述探头为具有a扫描功能的超声检测装置的探头，且探头在进行检测时也处于水下。
37.在本实施例中，六轴机械臂带动探头到检测球的上方，这里的上方包括检测球的正上方，斜上方或上侧。
38.在本实施例中，检测方法开始前需要进行少量的准备工作，将检测球放到检测水箱中，使水浸没检测球，为了方便检测，水应当超过检测球一定的高度。在机械臂带动探头移动时，使探头也浸没在水中。
39.在步骤s2中，获取探头在第一空间位置的第一空间坐标，获取探头在第二空间位置的第二空间坐标，获取探头在第三空间位置的第三空间坐标，获取探头在第四空间位置的第四空间坐标；当探头在第一空间位置或第二空间位置或第三空间位置或第四空间位置时，探头的焦点在检测球表面、且探头声束轴线穿过检测球的球心。
40.在本实施例中，所述获取探头在第一空间位置的第一空间坐标，具体为：
41.调整探头相对于检测球表面的角度，当超声检测装置在a扫描回波幅值最大时，将探头和检测球表面的角度记为第一角度；保持探头和检测球表面的角度为第一角度，调整探头到检测球表面的距离，当探头到检测球表面的距离为探头在水中的焦距时，保持探头的空间位置不变再次调整探头与检测球表面的角度，判断探头在当前空间位置时超声检测装置的a扫描回波信号幅值是否最大；若是则得到探头的第一空间位置及第一空间位置的第一空间坐标。
42.在本实施例中，本领域技术人员可以设置其它等效的调节过程，只要能够实现探头的焦点在检测球表面、且探头声束轴线穿过检测球的球心。
43.在本实施例中，有时一次调节不能获取到第一空间位置，因此需要重新执行在先的步骤，通过重复去除系统误差，最终确保探头在当前空间位置时超声检测装置的a扫描回波信号幅值最大。若否则保证探头和检测球表面的角度为第一角度，调整探头和检测球表面的距离。调节完成后，再次判断探头在当前空间位置时超声检测装置的a扫描回波信号幅值是否最大。
44.在本实施例中，获取探头在第二空间位置的第二空间坐标的方法与获取探头在第一空间位置的第一空间坐标的方法相同；获取探头在第三空间位置的第三空间坐标的方法与获取探头在第一空间位置的第一空间坐标的方法相同；获取探头在第四空间位置的第四空间坐标的方法与获取探头在第一空间位置的第一空间坐标的方法相同。
45.在本实施例中，为了进一步提高校准的精度，应当对四个空间位置对应的空间坐标进行优选的限定。参照图2，将第一空间坐标、第二空间坐标、第三空间坐标和第四空间坐标与检测球的球心连线，得到四根连接线；所述四根连接线中任意两根的夹角大于二十度。
46.在本实施例中，所述检测球为金属材质的实心球。
47.实施例2：
48.本发明还公开了一种六轴机械臂超声波检测系统的tcp校准装置，包括：检测水箱、检测球、六轴机械臂、探头和超声检测装置。
49.检测球设置于检测水箱内，六轴机械臂上设置有探头，超声检测装置用于反馈和展示探头的反馈信号。
50.当进行检测时，控制六轴机械臂到检测球的上方，所述检测球设置于水下，所述探头为具有a扫描功能的超声检测装置的探头，且探头在进行检测时也处于水下。
51.获取探头在第一空间位置的第一空间坐标，获取探头在第二空间位置的第二空间坐标，获取探头在第三空间位置的第三空间坐标，获取探头在第四空间位置的第四空间坐标；当探头在第一空间位置或第二空间位置或第三空间位置或第四空间位置时，探头的焦点在检测球表面且探头声束轴线穿过检测球的球心。
52.根据第一空间坐标、第二空间坐标、第三空间坐标和第四空间坐标，完成tcp点校准。
53.在本实施中，所述获取探头在第一空间位置的第一空间坐标，具体为：
54.调整探头相对于检测球表面的角度，当超声检测装置在a扫描回波幅值最大时，将探头和检测球表面的角度记为第一角度；保持探头和检测球表面的角度为第一角度，调整探头到检测球表面的距离，当探头到检测球表面的距离为探头在水中的焦距时，保持探头的空间位置不变再次调整探头与检测球表面的角度，判断探头在当前空间位置时超声检测装置的a扫描回波信号幅值是否最大；若是则得到探头的第一空间位置及第一空间位置的第一空间坐标。
55.在本实施例中，将第一空间坐标、第二空间坐标、第三空间坐标和第四空间坐标与检测球的球心连线，得到四根连接线；所述四根连接线中任意两根的夹角大于二十度。
56.在本实施例中，所述检测球设置于检测水箱内具体为：
57.参照图3，检测水箱内设置有锥台结构的空心陶瓷支架，所述空心陶瓷支架的上表
面设置有检测球的安装孔。
58.在本实施例中，检测球和空心陶瓷支架可以组成校准工具。其中，底座材料为陶瓷，壁厚5mm，呈中空形状。其上部有一个φ0.5mm的通孔。中空的陶瓷底座主要优点是：在水中不生锈、稳固。小孔的作用时方便小球定位。
59.在本实施例中，检测球优选为φ3mm，不锈钢，实心球，要求表面ra＜0.4。
60.综上，本发明实施例提供一种六轴机械臂超声波检测系统的tcp校准方法及装置，其有益效果在于：本发明的校准方法充分考虑超声波点聚焦探头声束特性，配合检检测球，可以快速对检测系统的tcp点进行校准，并且校准结果精度高。
61.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种六轴机械臂超声波检测系统的tcp校准方法，其特征是，包括：控制六轴机械臂到检测球的上方，所述六轴机械臂上设置有探头；其中，所述检测球设置于水下，所述探头为具有a扫描功能的超声检测装置的探头，且探头在进行检测时也处于水下；获取探头在第一空间位置的第一空间坐标，获取探头在第二空间位置的第二空间坐标，获取探头在第三空间位置的第三空间坐标，获取探头在第四空间位置的第四空间坐标；当探头在第一空间位置或第二空间位置或第三空间位置或第四空间位置时，探头的焦点在检测球表面且探头声束轴线穿过检测球的球心；根据第一空间坐标、第二空间坐标、第三空间坐标和第四空间坐标，完成tcp点校准。2.根据权利要求1所述的一种六轴机械臂超声波检测系统的tcp校准方法，其特征是，所述获取探头在第一空间位置的第一空间坐标，具体为：调整探头相对于检测球表面的角度，当超声检测装置在a扫描回波幅值最大时，将探头和检测球表面的角度记为第一角度；保持探头和检测球表面的角度为第一角度，调整探头到检测球表面的距离，当探头到检测球表面的距离为探头在水中的焦距时，保持探头的空间位置不变再次调整探头与检测球表面的角度，判断探头在当前空间位置时超声检测装置的a扫描回波信号幅值是否最大；若是则得到探头的第一空间位置及第一空间位置的第一空间坐标。3.根据权利要求2所述的一种六轴机械臂超声波检测系统的tcp校准方法，其特征是，若否则保证探头和检测球表面的角度为第一角度，调整探头和检测球表面的距离。4.根据权利要求2所述的一种六轴机械臂超声波检测系统的tcp校准方法，其特征是，获取探头在第二空间位置的第二空间坐标的方法与获取探头在第一空间位置的第一空间坐标的方法相同；获取探头在第三空间位置的第三空间坐标的方法与获取探头在第一空间位置的第一空间坐标的方法相同；获取探头在第四空间位置的第四空间坐标的方法与获取探头在第一空间位置的第一空间坐标的方法相同。5.根据权利要求1所述的一种六轴机械臂超声波检测系统的tcp校准方法，其特征是，将第一空间坐标、第二空间坐标、第三空间坐标和第四空间坐标与检测球的球心连线，得到四根连接线；所述四根连接线中任意两根的夹角大于二十度。6.根据权利要求1－5任意一项所述的一种六轴机械臂超声波检测系统的tcp校准方法，其特征是，所述检测球为金属材质的实心球。7.一种六轴机械臂超声波检测系统的tcp校准装置，其特征是，包括：检测水箱、检测球、六轴机械臂、探头和超声检测装置；检测球设置于检测水箱内，六轴机械臂上设置有探头，超声检测装置用于反馈和展示探头的反馈信号；当进行检测时，控制六轴机械臂到检测球的上方，所述检测球设置于水下，所述探头为具有a扫描功能的超声检测装置的探头，且探头在进行检测时也处于水下；获取探头在第一空间位置的第一空间坐标，获取探头在第二空间位置的第二空间坐标，获取探头在第三空间位置的第三空间坐标，获取探头在第四空间位置的第四空间坐标；当探头在第一空间位置或第二空间位置或第三空间位置或第四空间位置时，探头的焦点在检测球表面、且探头声束轴线穿过检测球的球心；
根据第一空间坐标、第二空间坐标、第三空间坐标和第四空间坐标，完成tcp点校准。8.根据权利要求7所述的一种六轴机械臂超声波检测系统的tcp校准装置，其特征是，所述获取探头在第一空间位置的第一空间坐标，具体为：调整探头相对于检测球表面的角度，当超声检测装置在a扫描回波幅值最大时，将探头和检测球表面的角度记为第一角度；保持探头和检测球表面的角度为第一角度，调整探头到检测球表面的距离，当探头到检测球表面的距离为探头在水中的焦距时，保持探头的空间位置不变再次调整探头与检测球表面的角度，判断探头在当前空间位置时超声检测装置的a扫描回波信号幅值是否最大；若是则得到探头的第一空间位置及第一空间位置的第一空间坐标。9.根据权利要求7所述的一种六轴机械臂超声波检测系统的tcp校准装置，其特征是，将第一空间坐标、第二空间坐标、第三空间坐标和第四空间坐标与检测球的球心连线，得到四根连接线；所述四根连接线中任意两根的夹角大于二十度。10.根据权利要求7所述的一种六轴机械臂超声波检测系统的tcp校准装置，其特征是，所述检测球设置于检测水箱内具体为：检测水箱内设置有锥台结构的空心陶瓷支架，所述空心陶瓷支架的上表面设置有检测球的安装孔。

技术总结
本发明属于自动化超声波检测领域，公开了一种六轴机械臂超声波检测系统的TCP校准方法及装置，方法包括：控制六轴机械臂到检测球的上方，所述六轴机械臂上设置有探头；探头、检测球在进行检测时处于水下；获取探头的第一空间位置，第二空间位置，第三空间位置和第四空间位置；当探头在第一空间位置或第二空间位置或第三空间位置或第四空间位置时，探头的焦点在检测球表面、且探头声束轴线穿过检测球的球心；根据第一空间坐标、第二空间坐标、第三空间坐标和第四空间坐标，完成TCP点校准。有益效果在于：本发明的校准方法充分考虑超声波点聚焦探头声束特性，配合检测球，可以快速对检测系统的TCP点进行校准，并且校准结果精度高。并且校准结果精度高。并且校准结果精度高。


技术研发人员：王锐 刘志宏 王丽芳 姜北燕 周能涛 吉海标 范小松 马建国 李波 吴杰峰
受保护的技术使用者：合肥聚能电物理高技术开发有限公司 淮南新能源研究中心
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2022/3/8