CN101698299B - 一种用于气浮机械臂遥操作的三目视觉装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于气浮机械臂遥操作的三目视觉装置，属于空间机器人技术领域。本装置中，高压气瓶置于气浮平台内，气浮平台的下方设有气足，气足通过气管与高压气瓶相连接，并通过支撑柱支撑气浮平台。六自由度机械臂固定在气浮平台上。安装支架置于六自由度机械臂的端部。三个摄像头置于安装支架的上部。手爪通过手爪支架置于安装支架的下部。本发明装置增加了主动视觉功能，使平台上的摄像头自适应的跟踪目标物，提高遥操作的效率；采用三目视觉方案，多方位的观察目标物，利于遥操作人员在操作过程中对远端环境的了解，避免了碰撞等意外的发生，为遥操作任务的顺利完成提供保障。

Description

一种用于气浮机械臂遥操作的三目视觉装置

技术领域

本发明涉及一种用于气浮机械臂遥操作的三目视觉装置，属于空间机器人技术领域。

背景技术

人类进入21世纪，科技高速发展，已经开始积极地向地球外的领域开拓。开发太空和利用空间的能力已成为衡量一个国家综合实力和大国地位的重要象征。而空间机器人正逐渐成为未来开发太空的一种重要手段。遥操作是空间机器人的一种重要控制方式，用遥操作空间机器人代替宇航员进行空间作业不但能够避免宇航员舱外作业的风险，还能提高空间探索的经济性和安全性。

由于空间机器人工作在微重力的环境中，且基座不固定，机器人本体和机械手臂之间存在严重的运动耦合，其运动学、动力学模型非常复杂，故十分有必要在地面建立实验验证系统进行预先研究。由于视觉信息占人类获取外界信息的80％左右，所以目前几乎所有的遥操作平台都具有视觉系统，视觉系统也是实际遥操作过程中本地操作员获取遥操作远端环境信息的重要途径。但现有遥操作平台采用的视觉系统缺乏主动视觉功能，摄像机不能主动跟踪目标物，从而在遥操作过程中很容易出现目标物偏离出视场的情况，这时就需要人为调整视觉系统，重新搜索目标物，使目标物回到摄像机的视场。但由于遥操作过程中大时延的存在，这个搜索过程往往既费时，效果还不好，故不能最大限度的发挥视觉系统的作用；另外现有遥操作平台末端仅具有单目视觉，其视野有限，在遥操作过程中容易被遮挡且不能测量深度信息，从而也限制了视觉系统的作用，不利于遥操作任务的顺利完成。

现有空间机器人的遥操作装置存在以下缺点：

1、现有遥操作平台无主动视觉功能，在遥操作过程中容易出现目标物偏离出视场的情况；

2、现有遥操作平台末端仅具有单目视觉，视野受限，容易被遮挡且不能测量深度信息。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于气浮机械臂遥操作的三目视觉装置，改变已有遥操作装置的结构，在机械臂前端安装三台摄像机，并采用主动视觉技术，克服现有遥操作单目视觉装置存在的不足，以用于空间机械臂遥操作实验验证，及高等学校和科研院所做教学和科研之用。

本发明提出的用于气浮机械臂遥操作的三目视觉装置，包括气浮平台、高压气瓶、六自由度机械臂、安装支架、手爪支架和三个摄像头；所述的高压气瓶置于气浮平台内，气浮平台的下方设有气足，气足通过气管与高压气瓶相连接，并通过支撑柱支撑气浮平台；所述的六自由度机械臂固定在气浮平台上；所述的安装支架置于六自由度机械臂的端部，所述的三个摄像头置于安装支架的上部，所述的手爪通过手爪支架置于安装支架的下部。

本发明提出的用于气浮机械臂遥操作的三目视觉装置，其优点是：首先，现有遥操作平台都没有采用主动视觉功能，故在操作过程中很容易出现目标物偏离出平台摄像头视场的情况，严重影响遥操作的效率，本发明增加了主动视觉功能，能使平台上的摄像头自适应的跟踪目标物，使目标物始终处于摄像头视场的中心部位，极大方便了遥操作人员的观察，提高了遥操作的效率；其次，现有遥操作平台末端仅具有单目视觉，视野受限，容易被遮挡且不能测量深度信息，本发明采用了三目视觉方案，既能够多方位的观察目标物，也克服了单目视觉在操作过程中容易被遮挡的弊端，同时利用三目视觉还能给出到目标物的深度信息，利于遥操作人员在操作过程中对远端环境的了解，避免了碰撞等意外的发生，为遥操作任务的顺利完成提供保障。

附图说明

图1为本发明提出的气浮机械臂遥操作装置的结构示意图。

图2为本发明的三目视觉机构的结构示意图。

图1中，1是摄像头，2是安装支架，3是手爪，4是手爪支架，5是六自由度机械臂，6是固定螺栓，7是软木块，8是气浮平台，9是高压气瓶，10是气阀，11是气管，12是气动接头，13是支撑柱，14是气足。图2中，201是底座，202是支架安装孔，203是滑动槽，204是滑动杆固定螺丝，205是滑动杆，206是摄像头座固定螺丝，207是摄像头固定座，208是摄像头固定螺丝。

具体实施方式

本发明提出的用于气浮机械臂遥操作的三目视觉装置，其结构如图1所示，包括气浮平台8、高压气瓶9、六自由度机械臂5、安装支架2、手爪支架4和三个摄像头1。高压气瓶9置于气浮平台8内，气浮平台8的下方设有气足14，气足14通过气管11与高压气瓶9相连接，并通过支撑柱13支撑气浮平台8。六自由度机械臂5通过固定螺栓6固定在气浮平台上。安装支架2置于六自由度机械臂5的端部。三个摄像头1置于安装支架2的上部，所述的手爪3通过手爪支架4置于安装支架的下部。

如图2所示，本发明的安装支架2包括支架底座201、支架安装孔202、滑动槽203、滑动杆固定螺丝204、滑动杆205、摄像头座固定螺丝206、摄像头固定座207、摄像头固定螺丝208和三目视觉摄像头1。摄像头依次通过摄像头固定螺丝208、摄像头固定座207、摄像头固定螺丝206、滑动杆205和滑动杆固定螺丝204和滑动槽203，最后固定在支架底座201上，支架底座201上开有安装孔202，通过安装孔202，使安装支架2固定在六自由度机械臂5的端部。摄像头共有3个，包括左摄像头，中间摄像头，右摄像头。一般以中间摄像头为默认主摄像头，即对物体进行主动跟踪，其角度可调整，位置固定；左摄像头和右摄像头为辅助摄像头，其角度可调整，位置也可调整。在实际操作过程中，也可将左摄像头或右摄像头设置为主摄像头。摄像头固定座207根据需要在滑动槽203上滑动从而改变位置。

气浮平台气浮操作过程及气浮原理为：打开控制气流的气阀10，高压空气从高压气瓶9中释放出来，经过气管11和气动接头12流向安装在气浮平台底部的气足14，由气足底部的小孔中喷出，并在气足底面与下面的大理石平台之间形成很薄的气垫层。这样整个遥操作平台就能浮在气垫层上，与下面的大理石平台面脱离接触，因而能在大理石平台面上做近似无阻力的二维自由漂浮运动。

本发明提出的用于气浮机械臂遥操作的三目视觉装置，其主要功能是使三目视觉摄像头1的主摄像头自适应的跟踪目标物体，使目标物体始终处于主摄像头图像界面的中心位置。其工作过程如下：当目标物体不在主摄像头图像界面的中心位置时，计算出目标物体位置到主摄像头图像界面中心位置的偏移量，然后根据该偏移量以及机械臂5与气浮平台8之间的运动耦合关系解算出六自由度机械臂5各关节应转动的角度，各关节根据解算出的角度转动，带动三目视觉摄像头1运动，从而使目标物体到达主摄像头图像界面的中心位置。

另外，本发明提出的用于气浮机械臂遥操作的三目视觉装置，还可以根据三目视觉摄像头1中三个摄像头的相对位置关系和目标物体在三个摄像头图像界面中的位置坐标，计算出目标物体到三目视觉摄像头1中主摄像头的深度信息，提供给遥操作人员进行辅助决策。

本发明装置的一个实施例中，六自由度机械臂5为购置于首钢莫托曼机器人有限公司的HP3型六自由度机械臂。

Claims (1)

1.一种用于气浮机械臂遥操作的三目视觉装置，其特征在于该装置包括气浮平台(8)、高压气瓶(9)、六自由度机械臂(5)、安装支架(2)、手爪支架(4)、手爪(3)和三个摄像头(1)；高压气瓶(9)置于气浮平台(8)内，气浮平台(8)的下方设有气足(14)，气足(14)通过气管(11)与高压气瓶(9)相连接，并通过支撑柱(13)支撑气浮平台(8)；六自由度机械臂(5)通过固定螺栓(6)固定在气浮平台上；安装支架(2)置于六自由度机械臂(5)的端部；三个摄像头(1)置于安装支架(2)的上部，所述的手爪(3)通过手爪支架(4)置于安装支架的下部；所述的安装支架(2)包括支架底座(201)、支架安装孔(202)、滑动槽(203)、滑动杆固定螺丝(204)、滑动杆(205)、摄像头座固定螺丝(206)、摄像头固定座(207)、摄像头固定螺丝(208)和三目视觉摄像头(1)；摄像头依次通过摄像头固定螺丝(208)、摄像头固定座(207)、摄像头座固定螺丝(206)、滑动杆(205)和滑动杆固定螺丝(204)和滑动槽(203)，最后固定在支架底座(201)上，支架底座(201)上开有安装孔(202)，通过安装孔(202)，使安装支架(2)固定在六自由度机械臂(5)的端部；所述的摄像头共有3个，包括左摄像头、中间摄像头和右摄像头，所述的中间摄像头为默认主摄像头，对物体进行主动跟踪，中间摄像头的角度可调整、位置固定，左摄像头和右摄像头为辅助摄像头，左摄像头和右摄像头的角度可调和位置可调；所述的摄像头固定座(207)在滑动槽(203)上滑动，以改变摄像头的位置；当目标物体不在主摄像头图像界面的中心位置时，计算出目标物体位置到主摄像头图像界面中心位置的偏移量，并根据该偏移量以及六自由度机械臂(5)与气浮平台(8)之间的运动耦合关系，解算出六自由度机械臂(5)各关节应转动的角度，各关节根据解算出的角度转动，带动三目视觉摄像头(1)运动，使目标物体到达主摄像头图像界面的中心位置。

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