CN105945561B - 基于腕眼立体视觉的机械臂‑电磁可更换螺钉旋拧系统 - Google Patents

基于腕眼立体视觉的机械臂‑电磁可更换螺钉旋拧系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于腕眼立体视觉的机械臂‑电磁可更换螺钉旋拧系统，包含：电磁可更换螺钉旋拧操作器；机械臂系统，其与所述的电磁可更换螺钉旋拧操作器连接设置；腕眼立体视觉系统，其与所述的机械臂系统通过电路连接；所述的腕眼立体视觉系统对螺钉进行识别和测量，并向机械臂系统发送螺钉的位置及姿态信息，引导机械臂系统以带动电磁可更换螺钉旋拧操作器对螺钉进行逼近和旋拧操作，以更换安装在螺钉平台上的螺钉。本发明结构简单、使用方便、成本低；实现在空间特殊环境中自主安装、拆卸螺钉的功能；可广泛用于在轨服务、在轨维护或工业领域中的螺钉旋拧操作。

Description

基于腕眼立体视觉的机械臂-电磁可更换螺钉旋拧系统
技术领域
本发明涉及一种螺钉旋拧系统，具体是指一种基于腕眼立体视觉的机械臂-电磁可更换螺钉旋拧系统，属于机器人领域。
背景技术
随着航天科技的发展和人类探索太空的深入，空间机器人和空间机械臂已经越来越多的应用于在轨组装、维护、释放、捕获、回收与科学实验等操作中，大大提高了空间设备的自动化水平和作业效率，减少宇航员太空作业的危险。由于空间和舱外任务日益复杂多样，因此不同的任务需要配备专用的操作器。
申请号为CN201220247552.9的名为一种自动打螺钉机的中国实用新型专利，具体公开了一种旋拧螺丝的自动化设备，与其相类似的还有申请号为CN201320529614.X的名为一种新型自动打螺钉机构的中国实用新型专利，但上述两种设备的体型均较大，并不方便安装在机械臂末端关节进行螺钉旋拧操作，因此并不满足在轨服务和在轨维护的要求。
申请号为CN20082011760.2的名为一种用于打螺钉机构中的磁吸式螺刀头装置的中国实用新型专利，其体型较小，装置中的磁性件导套用于吸附旋拧下的螺钉，但磁性件具有永磁特性，装置在工作空间内可能对其他可被磁性吸附的设备、部件产生吸附力，进而可能对设备或线路造成损坏。
现有技术中，尚未有关于具有腕眼立体视觉的机械臂-电磁可更换螺钉旋拧系统的技术公开。因此，目前亟需提出一种具有腕眼立体视觉的机械臂-电磁可更换螺钉旋拧系统，实现在空间特殊环境中自主识别、测量、旋拧螺钉的操作。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于腕眼立体视觉的机械臂-电磁可更换螺钉旋拧系统，结构简单、使用方便、成本低；实现在空间特殊环境中自主安装、拆卸螺钉的功能；可广泛用于在轨服务、在轨维护或工业领域中的螺钉旋拧操作。
为实现上述目的，本发明提供一种基于腕眼立体视觉的机械臂-电磁可更换螺钉旋拧系统，包含：电磁可更换螺钉旋拧操作器；机械臂系统，其与所述的电磁可更换螺钉旋拧操作器连接设置；腕眼立体视觉系统，其与所述的机械臂系统通过电路连接；所述的腕眼立体视觉系统对螺钉进行识别和测量，并向机械臂系统发送螺钉的位置及姿态信息，引导机械臂系统以带动电磁可更换螺钉旋拧操作器对螺钉进行逼近和旋拧操作，以更换安装在螺钉平台上的螺钉。
本发明所述的基于腕眼立体视觉的机械臂-电磁可更换螺钉旋拧系统，还包含视景仿真计算机，其分别与所述的电磁可更换螺钉旋拧操作器以及机械臂系统通过电路连接，实时模拟电磁可更换螺钉旋拧操作器和机械臂系统的运动，提供实时仿真画面。
所述的电磁可更换螺钉旋拧操作器包含：适配筒；传动滑杆，其设置在所述的适配筒的孔轴内，可与适配筒保持同步旋转，并可沿适配筒的轴向方向前后滑动；电磁铁组件，其固定设置在所述的传动滑杆内；扳手组件，其与所述的传动滑杆固定连接，通过控制电磁铁组件的通断电，使扳手组件实现对螺钉的吸附、夹持和释放；其中，所述的传动滑杆、电磁铁组件和扳手组件固定连接形成一体，并与所述的适配筒通过孔轴配合形成运动副，在与适配筒保持同步旋转的同时可沿其轴向方向前后滑动，在扳手组件夹持螺钉时，适应螺钉在更换过程中的旋进旋出的直线运动。
所述的扳手组件为可拆卸的固定连接在传动滑杆上，根据不同规格的螺钉，更换与其相匹配的扳手组件。
所述的电磁铁组件包含：电磁铁骨架，其固定设置在所述的传动滑杆内；电磁铁铁芯，其固定设置在所述的电磁铁骨架内，且与所述的扳手组件固定连接；电磁铁线圈，其绕设在所述的电磁铁铁芯上，且位于所述的电磁铁骨架内，通过控制电磁铁线圈的通断电，使得与电磁铁铁芯固定连接的扳手组件具备磁性，实现其对螺钉的吸附、夹持和释放。
所述的电磁可更换螺钉旋拧操作器还包含：复位弹簧，其支撑设置在所述的传动滑杆与适配筒之间，始终处于压缩状态，跟随传动滑杆的前后滑动而压缩或复位，保持传动滑杆、电磁铁组件和扳手组件在各种操作姿态中处于压紧力平衡状态，实现扳手组件对螺钉的柔性旋拧。
所述的机械臂系统包含：机械臂基座；机械臂机构本体，其设置在所述的机械臂基座上，该机械臂机构本体的末端上还连接设置有手腕末端关节以及手腕相邻关节，该手腕末端关节与所述的适配筒相连接；机械臂示教器，其与所述的腕眼立体视觉系统通过电路连接，接收其发送的螺钉的位置及姿态信息；机械臂控制器，其分别与所述的机械臂示教器以及机械臂机构本体通过电路连接，根据机械臂示教器所获得的螺钉的位置及姿态信息，控制机械臂机构本体动作，以带动电磁可更换螺钉旋拧操作器对螺钉进行逼近和旋拧操作。
所述的腕眼立体视觉系统包含：腕眼立体视觉相机工装，其设置在所述的机械臂机构本体的手腕相邻关节上；腕眼立体视觉相机，其设置在所述的腕眼立体视觉相机工装上；镜头，其设置在所述的腕眼立体视觉相机上，且该镜头的对准方向与手腕末端关节的轴线平行；测量计算机，其分别与所述的腕眼立体视觉相机以及机械臂示教器通过电路连接；腕眼立体视觉相机对螺钉的正面进行拍摄，并以螺钉的螺钉头外圆与内六边形轮廓作为特征进行识别；测量计算机测量螺钉的位置和姿态，发送至机械臂示教器，引导机械臂机构本体以带动电磁可更换螺钉旋拧操作器对螺钉进行逼近和旋拧操作。
所述的腕眼立体视觉系统还包含：光源，其设置在所述的腕眼立体视觉相机工装上，且位于所述的镜头的前方。
本发明所提供的基于腕眼立体视觉的机械臂-电磁可更换螺钉旋拧系统，采用腕眼立体视觉系统进行螺钉的识别、测量、定位和引导抓取，且与传统相机安装方式不同，腕眼立体视觉相机安装于机械臂机构本体的手腕相邻关节上，从而避免了机械臂机构本体的手腕末端关节带动电磁可更换螺钉旋拧操作器旋转时，腕眼立体视觉相机与其一起旋转的情况；电磁可更换螺钉旋拧操作器采用电磁控制而不是永磁体，解决了螺钉旋拧之后掉落的问题，同时防止永磁对其它设备、部件或导体产生影响；对机械臂机构本体的手腕末端关节采取力位混合控制，从而使得机械臂-电磁可更换螺钉旋拧系统具有良好的自适应和柔顺特性，在满足功能要求的前提下，电磁可更换螺钉旋拧操作器具有结构简单、使用方便、成本低的优点。该系统方便集成扩展，具有一定的推广价值。
附图说明
图1为本发明中的基于腕眼立体视觉的机械臂-电磁可更换螺钉旋拧系统的结构示意图；
图2为本发明中的基于腕眼立体视觉的机械臂-电磁可更换螺钉旋拧系统的近景结构示意图；
图3为本发明中的电磁可更换螺钉旋拧操作器的剖面结构示意图；
图4为本发明中的电磁可更换螺钉旋拧操作器的电磁铁组件的剖面结构示意图；
图5为本发明中的由腕眼立体视觉系统所识别的螺钉的示意图。
具体实施方式
以下结合图1～图5，详细说明本发明的一个优选实施例。
如图1和图2所示，为本发明提供的基于腕眼立体视觉的机械臂-电磁可更换螺钉旋拧系统，包含：电磁可更换螺钉旋拧操作器1；机械臂系统2，其与所述的电磁可更换螺钉旋拧操作器1连接设置；腕眼立体视觉系统3，其与所述的机械臂系统2通过电路连接；所述的腕眼立体视觉系统3对螺钉5进行识别和测量，并向机械臂系统2发送螺钉5的位置及姿态信息，引导机械臂系统2以带动电磁可更换螺钉旋拧操作器1对螺钉5进行逼近和旋拧操作，以更换安装在螺钉平台6上的螺钉5。
本发明所述的基于腕眼立体视觉的机械臂-电磁可更换螺钉旋拧系统，还包含视景仿真计算机4，其分别与所述的电磁可更换螺钉旋拧操作器1以及机械臂系统2通过电路连接，用于实时模拟电磁可更换螺钉旋拧操作器1和机械臂系统2的运动，为所述的螺钉旋拧系统的操作提供实时仿真画面，以供参考。
如图3所示，所述的电磁可更换螺钉旋拧操作器1包含：适配筒11；传动滑杆12，其设置在所述的适配筒11的孔轴内，可与适配筒11保持同步旋转，并可沿适配筒11的轴向方向前后滑动；电磁铁组件13，其固定设置在所述的传动滑杆12内，可跟随该传动滑杆12旋转及前后滑动；扳手组件15，其与所述的传动滑杆12固定连接，可跟随该传动滑杆12旋转及前后滑动，通过控制电磁铁组件13的通断电，使扳手组件15实现对螺钉5的吸附、夹持和释放；其中，所述的传动滑杆12、电磁铁组件13和扳手组件15固定连接形成一体，并与所述的适配筒11通过孔轴配合形成运动副，在与适配筒11保持同步旋转的同时可沿其轴向方向前后滑动，在扳手组件15夹持螺钉5时，适应螺钉5在更换过程中的旋进旋出的直线运动。
所述的扳手组件15为可拆卸的固定连接在传动滑杆12上，其与螺钉5相匹配。本实施例中，由于所述的螺钉5可以是各种不同规格的内六角圆柱头螺钉；因此对应不同规格的螺钉5，只需更换与其规格相匹配的扳手组件15即可。
如图4所示，所述的电磁铁组件13包含：电磁铁骨架131，其固定设置在所述的传动滑杆12内；电磁铁铁芯133，其固定设置在所述的电磁铁骨架131内，且与所述的扳手组件15固定连接；电磁铁线圈132，其绕设在所述的电磁铁铁芯133上，且位于所述的电磁铁骨架131内，通过控制电磁铁线圈132的通断电，使得与电磁铁铁芯133固定连接的扳手组件15具备磁性，从而实现其对螺钉5的吸附、夹持和释放。
如图3所示，所述的电磁可更换螺钉旋拧操作器1还包含：复位弹簧14，其支撑设置在所述的传动滑杆12与适配筒11之间，始终处于压缩状态，跟随传动滑杆12的前后滑动而压缩或复位，以实现电磁可更换螺钉旋拧操作器1对螺钉5的紧密随动，保持传动滑杆12、电磁铁组件13和扳手组件15在各种操作姿态中处于压紧力平衡状态，实现扳手组件15对螺钉5的柔性旋拧。
如图1所示，所述的机械臂系统2包含：机械臂基座22；机械臂机构本体21，其设置在所述的机械臂基座22上，该机械臂机构本体21的末端上还连接设置有手腕末端关节211以及手腕相邻关节212，该手腕末端关节211与所述的适配筒11相连接；机械臂示教器23，其与所述的腕眼立体视觉系统3通过电路连接，接收其发送的螺钉5的位置及姿态信息；机械臂控制器24，其分别与所述的机械臂示教器23以及机械臂机构本体21通过电路连接，根据机械臂示教器23所获得的螺钉5的位置及姿态信息，控制机械臂机构本体21动作，以带动电磁可更换螺钉旋拧操作器1对螺钉5进行逼近和旋拧操作。
如图1和图2所示，所述的腕眼立体视觉系统3包含：腕眼立体视觉相机工装34，其设置在所述的机械臂机构本体21的手腕相邻关节212上；腕眼立体视觉相机31，其设置在所述的腕眼立体视觉相机工装34上；镜头32，其设置在所述的腕眼立体视觉相机31上，且该镜头32的对准方向与手腕末端关节211的轴线平行；测量计算机35，其分别与所述的腕眼立体视觉相机31以及机械臂示教器23通过电路连接；腕眼立体视觉相机31对螺钉5的正面进行拍摄，并以螺钉5的螺钉头外圆与内六边形轮廓作为特征进行识别；测量计算机35测量螺钉5的位置和姿态，发送至机械臂示教器23，引导机械臂机构本体21以带动电磁可更换螺钉旋拧操作器1对螺钉5进行逼近和旋拧操作。
所述的腕眼立体视觉系统3还包含：光源33，其设置在所述的腕眼立体视觉相机工装34上，且位于所述的镜头32的前方。
在本发明的一个优选实施例中，首先，腕眼立体视觉相机31对目标螺钉的正面进行拍摄，并以目标螺钉的螺钉头外圆与内六边形轮廓作为特征进行识别，随后将图像传输至测量计算机35，测量计算机35将其与预先准备好的标准螺钉图像特征进行比较，按照相似程度进行打分，当相似度超过一定百分比即认为所拍摄的目标螺钉为需要操作的螺钉5。
如图5所示，图中两个箭头的交点即为螺钉5的中心位置，对于水平向右的箭头，其绕两个箭头交点的转角即为螺钉5在腕眼立体视觉相机31坐标系下的姿态角。根据螺钉5的螺钉头外圆与内六边形轮廓信息，测量计算机35可得到螺钉5在腕眼立体视觉相机31坐标系中的坐标，由于腕眼立体视觉相机31安装在机械臂机构本体21的手腕相邻关节212上，因此要得到螺钉5在机械臂机构本体21的笛卡尔坐标系内的坐标，测量计算机35需要进行腕眼立体视觉相机31安装位置到机械臂基座22的坐标变换，之后可得到螺钉5在机械臂基座22坐标系下的位置和姿态，再将螺钉在机械臂基座22坐标系下的位置和姿态信息发送到机械臂示教器23，从而引导机械臂机构本体21以带动电磁可更换螺钉旋拧操作器1对螺钉5进行逼近和旋拧操作。
综上所述，本发明提供的基于腕眼立体视觉的机械臂-电磁可更换螺钉旋拧系统，通过安装于机械臂机构本体的手腕相邻关节上的腕眼立体视觉相机对螺钉进行识别和测量，从而引导机械臂系统带动电磁可更换螺钉旋拧操作器对螺钉进行定位和旋拧，其具备以下有益效果：
1、由腕眼立体视觉相机通过对螺钉的螺钉头外圆与内六边形特征进行识别，与传统相机安装方式不同，腕眼立体视觉相机是安装在机械臂机构本体末端的手腕相邻关节上的，从而避免了机械臂机构本体在带动电磁可更换螺钉旋拧操作器进行旋转操作时，腕眼立体视觉相机与其一起旋转的情况。
2、电磁可更换螺钉旋拧操作器体积小、质量小、结构简单，且具有电磁铁线圈，其结构形式为直流螺管式电磁铁；电磁铁产生的磁场大小与电流大小、线圈圈数及中心的铁芯有关，通过电流大小来控制磁场强度，进而控制吸力大小。通过电磁铁线圈的通断电可实现对螺钉的吸附，利用电磁控制解决了螺钉旋拧之后掉落的问题，且无需为空间环境特殊定制不松脱螺钉，适合在轨服务和在轨维护领域。
3、电磁可更换螺钉旋拧操作器具有复位弹簧，便于实现扳手组件对螺钉的柔性旋拧，从而简化系统的控制方案；传统的末端工具进行旋拧螺钉操作时需要协调同步两种动作：①旋转运动，驱动螺钉旋转；②直线运动，跟随螺钉进出。直线运动速度与旋转速度线性相关。通过复位弹簧只需要控制机械臂机构本体的旋转运动，旋拧操作器上的扳手组件可跟随螺钉的直线运动，无需进行机械臂的直线运动控制。
4、机械臂机构本体对末端的手腕末端关节采取力位混合控制，从而使得机械臂-电磁可更换螺钉旋拧系统具有良好的自适应和柔顺特性，在满足功能要求的前提下，电磁可更换螺钉旋拧操作器具有结构简单、使用方便、成本低的优点。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种基于腕眼立体视觉的机械臂-电磁可更换螺钉旋拧系统，其特征在于，包含：
电磁可更换螺钉旋拧操作器（1）；
机械臂系统（2），其与所述的电磁可更换螺钉旋拧操作器（1）连接设置；
腕眼立体视觉系统（3），其与所述的机械臂系统（2）通过电路连接；
视景仿真计算机（4），其分别与所述的电磁可更换螺钉旋拧操作器（1）以及机械臂系统（2）通过电路连接；
所述的腕眼立体视觉系统（3）对螺钉（5）进行识别和测量，并向机械臂系统（2）发送螺钉（5）的位置及姿态信息，引导机械臂系统（2）以带动电磁可更换螺钉旋拧操作器（1）对螺钉（5）进行逼近和旋拧操作，以更换安装在螺钉平台（6）上的螺钉（5）；同时视景仿真计算机（4）实时模拟电磁可更换螺钉旋拧操作器（1）和机械臂系统（2）的运动，提供实时仿真画面。
2.如权利要求1所述的基于腕眼立体视觉的机械臂-电磁可更换螺钉旋拧系统，其特征在于，所述的电磁可更换螺钉旋拧操作器（1）包含：
适配筒（11）；
传动滑杆（12），其设置在所述的适配筒（11）的孔轴内，可与适配筒（11）保持同步旋转，并可沿适配筒（11）的轴向方向前后滑动；
电磁铁组件（13），其固定设置在所述的传动滑杆（12）内；
扳手组件（15），其与所述的传动滑杆（12）固定连接，通过控制电磁铁组件（13）的通断电，使扳手组件（15）实现对螺钉（5）的吸附、夹持和释放；
其中，所述的传动滑杆（12）、电磁铁组件（13）和扳手组件（15）固定连接形成一体，并与所述的适配筒（11）通过孔轴配合形成运动副，在与适配筒（11）保持同步旋转的同时可沿其轴向方向前后滑动，在扳手组件（15）夹持螺钉（5）时，适应螺钉（5）在更换过程中的旋进旋出的直线运动。
3.如权利要求2所述的基于腕眼立体视觉的机械臂-电磁可更换螺钉旋拧系统，其特征在于，所述的扳手组件（15）为可拆卸的固定连接在传动滑杆（12）上，根据不同规格的螺钉（5），更换与其相匹配的扳手组件（15）。
4.如权利要求2所述的基于腕眼立体视觉的机械臂-电磁可更换螺钉旋拧系统，其特征在于，所述的电磁铁组件（13）包含：
电磁铁骨架（131），其固定设置在所述的传动滑杆（12）内；
电磁铁铁芯（133），其固定设置在所述的电磁铁骨架（131）内，且与所述的扳手组件（15）固定连接；
电磁铁线圈（132），其绕设在所述的电磁铁铁芯（133）上，且位于所述的电磁铁骨架（131）内，通过控制电磁铁线圈（132）的通断电，使得与电磁铁铁芯（133）固定连接的扳手组件（15）具备磁性，实现其对螺钉（5）的吸附、夹持和释放。
5.如权利要求4所述的基于腕眼立体视觉的机械臂-电磁可更换螺钉旋拧系统，其特征在于，所述的电磁可更换螺钉旋拧操作器（1）还包含：复位弹簧（14），其支撑设置在所述的传动滑杆（12）与适配筒（11）之间，始终处于压缩状态，跟随传动滑杆（12）的前后滑动而压缩或复位，保持传动滑杆（12）、电磁铁组件（13）和扳手组件（15）在各种操作姿态中处于压紧力平衡状态，实现扳手组件（15）对螺钉（5）的柔性旋拧。
6.如权利要求5所述的基于腕眼立体视觉的机械臂-电磁可更换螺钉旋拧系统，其特征在于，所述的机械臂系统（2）包含：
机械臂基座（22）；
机械臂机构本体（21），其设置在所述的机械臂基座（22）上，该机械臂机构本体（21）的末端上还连接设置有手腕末端关节（211）以及手腕相邻关节（212），该手腕末端关节（211）与所述的适配筒（11）相连接；
机械臂示教器（23），其与所述的腕眼立体视觉系统（3）通过电路连接，接收其发送的螺钉（5）的位置及姿态信息；
机械臂控制器（24），其分别与所述的机械臂示教器（23）以及机械臂机构本体（21）通过电路连接c，根据机械臂示教器（23）所获得的螺钉（5）的位置及姿态信息，控制机械臂机构本体（21）动作，以带动电磁可更换螺钉旋拧操作器（1）对螺钉（5）进行逼近和旋拧操作。
7.如权利要求6所述的基于腕眼立体视觉的机械臂-电磁可更换螺钉旋拧系统，其特征在于，所述的腕眼立体视觉系统（3）包含：
腕眼立体视觉相机工装（34），其设置在所述的机械臂机构本体（21）的手腕相邻关节（212）上；
腕眼立体视觉相机（31），其设置在所述的腕眼立体视觉相机工装（34）上；
镜头（32），其设置在所述的腕眼立体视觉相机（31）上，且该镜头（32）的对准方向与手腕末端关节（211）的轴线平行；
测量计算机（35），其分别与所述的腕眼立体视觉相机（31）以及机械臂示教器（23）通过电路连接；
腕眼立体视觉相机（31）对螺钉（5）的正面进行拍摄，并以螺钉（5）的螺钉头外圆与内六边形轮廓作为特征进行识别；测量计算机（35）测量螺钉（5）的位置和姿态，发送至机械臂示教器（23），引导机械臂机构本体（21）以带动电磁可更换螺钉旋拧操作器（1）对螺钉（5）进行逼近和旋拧操作。
8.如权利要求7所述的基于腕眼立体视觉的机械臂-电磁可更换螺钉旋拧系统，其特征在于，所述的腕眼立体视觉系统（3）还包含：光源（33），其设置在所述的腕眼立体视觉相机工装（34）上，且位于所述的镜头（32）的前方。
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