CN107152295A - 一种盾构管片拼装机用视觉平台自动抓取方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构管片拼装机用视觉平台自动抓取系统，涉及隧道掘进设备的技术领域，包括管片抓取机构、视觉平台、中心对准模块和位置计算模块，视觉平台包括第一电机、安装座、第二电机、旋转平台、摄像头和激光测距仪，安装座的底端连接于第一电机，第二电机设置于安装座上，旋转平台连接于第二电机的转轴，摄像头与激光测距仪设置于旋转平台上；中心对准模块用于接收并分析管片螺栓图像和特征点信息、接收来自激光测距仪的测距数据；位置计算模块用于接收对准数据，并计算出管片螺栓相对于管片抓取机构的位置、向管片抓取机构发布控制命令。本发明还公开了盾构管片拼装机用视觉平台自动抓取方法。本发明有利于提高管片拼装精度。

Description

一种盾构管片拼装机用视觉平台自动抓取方法及系统

技术领域

本发明涉及隧道掘进设备的技术领域，具体涉及一种盾构管片拼装机用视觉平台自动抓取方法及系统。

背景技术

如今盾构管片拼装机在抓取管片的时候，需要依靠2个工人师傅利用人眼对管片螺栓和抓取平台进行定位，这种定位方式不但精度低，而且还严重影响施工速度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的旨在提供一种盾构管片拼装机用视觉平台自动抓取方法及系统，实现对管片螺栓的自动化抓取和调整，提高工程效率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种盾构管片拼装机用视觉平台自动抓取系统，包括：

管片抓取机构；

视觉平台，该视觉平台包括第一电机、安装座、第二电机、旋转平台、摄像头和激光测距仪，该第一电机设置于管片抓取机构上，第一电机的转轴的转动方向垂直于竖直方向，安装座设置于第一电机的上方，安装座的底端连接于第一电机的转轴，第二电机设置于安装座上，第二电机的转轴的转动方向垂直于水平方向，旋转平台连接于第二电机的转轴，摄像头与激光测距仪并列设置于旋转平台上，其中，摄像头用于采集管片螺栓图像并识别管片螺栓的特征点信息，激光测距仪用于测量旋转平台与管片螺栓的直线距离；

中心对准模块，该中心对准模块用于接收并分析来自摄像头的管片螺栓图像和特征点信息：当管片螺栓的特征点偏离摄像头的中心位点时，中心对准模块分析特征点位于摄像头的位点位置，并形成面向第一电机和第二电机的控制命令，通过第一电机和第二电机的运动使管片螺栓的特征点位于摄像头的中心位点上；当管片螺栓的特征点位于摄像头的中心位点上时，中心对准模块向激光测距仪发布测距命令；中心对准模块还用于接收来自激光测距仪的测距数据；

位置计算模块，该位置计算模块用于接收来自中心对准模块的对准数据，该对准数据包括第一电机和第二电机的运行数据、以及激光测距仪的测距数据，位置计算模块根据对准数据计算出管片螺栓相对于管片抓取机构的位置，位置计算模块还用于向管片抓取机构发布抓取管片的控制命令。

进一步地，视觉平台包括相对地设置于管片螺栓两侧的第一视觉平台和第二视觉平台，视觉平台包括分别对应于第一视觉平台和第二视觉平台的两组第一电机、安装座、第二电机和旋转平台，视觉平台还包括并列设置于第一视觉平台上的第一摄像头和第一激光测距仪、并列设置于第二视觉平台上的第二摄像头和第二激光测距仪，该第一摄像头和第二摄像头相对设置，该第一激光测距仪和第二激光测距仪相对设置；该中心对准模块用于接收并分析来自第一摄像头和第二摄像头的管片螺栓图像和特征点信息：当管片螺栓的特征点偏离第一摄像头或第二摄像头的中心位点时，中心对准模块并形成分别面向两组第一电机和第二电机的控制命令，通过两组第一电机和第二电机的运动使管片螺栓的特征点同时位于第一摄像头和第二摄像头的中心位点上；当管片螺栓的特征点同时位于第一摄像头和第二摄像头的中心位点上时，中心对准模块向第一激光测距仪和第二激光测距仪发布测距命令；中心对准模块还用于接收来自第一激光测距仪和第二激光测距仪的测距数据；该对准数据包括两组第一电机和第二电机的运行数据、以及第一激光测距仪和第二激光测距仪的测距数据。

更进一步地，自动抓取系统还包括人工干预模块；该中心对准模块还用于录入并存储第一电机和第二电机的行程范围，并在发布面向第一电机和第二电机的控制命令前将该控制命令与设定的行程范围相比较：当控制命令在行程范围内时，中心对准模块向第一电机和第二电机发布控制命令，并通过第一电机和第二电机的运动使管片螺栓的特征点位于摄像头的中心位点上；当控制命令存在超出行程范围的情况时，中心对准模块中止发布该控制命令、并将控制命令超出行程范围的信息传送至计算机中的人工干预模块，人工干预模块发出需要人工干预的通知。

进一步地，人工干预模块以声光警示的形式发出需要人工干预的通知。

进一步地，管片抓取机构包括径向油缸、轴向油缸和抓取头。

一种盾构管片拼装机用视觉平台自动抓取方法，包含有以下步骤：

S1、设置于视觉平台上的摄像机采集管片螺栓图像并识别管片螺栓的特征点信息，摄像机将采集到的管片螺栓图像和特征点信息传送至中心对准模块；

S21、中心对准模块接收并分析管片螺栓图像和特征点信息，当管片螺栓的特征点偏离摄像头的中心位点时，中心对准模块分析管片螺栓的特征点位于摄像头上的位点位置，并分别向第一电机和第二电机发布控制命令、通过第一电机和第二电机的运动使管片螺栓的特征点位于摄像头的中心位点上，当管片螺栓的特征点位于摄像头的中心位点上时，中心对准模块向激光测距仪发布测距命令；

S22、激光测距仪测量旋转平台与管片螺栓的直线距离，并向中心对准模块返回测距数据，中心对准模块将对准数据发送至位置计算模块，该对准数据包括第一电机和第二电机的运行数据、以及激光测距仪的测距数据；

S3、位置计算模块根据对准数据计算得管片螺栓的位置，并向管片抓取机构发布抓取管片的控制命令，管片抓取机构抓取管片。

进一步地，视觉平台包括相对地设置于管片螺栓两侧的第一视觉平台和第二视觉平台，视觉平台包括分别对应于第一视觉平台和第二视觉平台的两组第一电机、安装座、第二电机和旋转平台，视觉平台还包括并列设置于第一视觉平台上的第一摄像头和第一激光测距仪、并列设置于第二视觉平台上的第二摄像头和第二激光测距仪，该第一摄像头和第二摄像头相对设置，该第一激光测距仪和第二激光测距仪相对设置；

S1中，该第一摄像机和第二摄像机同时采集管片螺栓图像并识别管片螺栓的特征点信息，第一摄像机和第二摄像机将采集到的管片螺栓图像和特征点信息传送至中心对准模块；

S21中，中心对准模块接收并分析来自第一摄像头和第二摄像头的管片螺栓图像和特征点信息：当管片螺栓的特征点偏离第一摄像头或第二摄像头的中心位点时，中心对准模块形成分别面向两组第一电机和第二电机的控制命令，通过两组第一电机和第二电机的运动使管片螺栓的特征点同时位于第一摄像头和第二摄像头的中心位点上；当管片螺栓的特征点同时位于第一摄像头和第二摄像头的中心位点上时，中心对准模块向第一激光测距仪和第二激光测距仪发布测距命令；

S22中，第一激光测距仪和第二激光测距仪分别测量对应的旋转平台与管片螺栓的直线距离，并向中心对准模块返回测距数据，中心对准模块将对准数据发送至位置计算模块，该对准数据包括第一电机和第二电机的运行数据、以及第一激光测距仪和第二激光测距仪的测距数据。

进一步地，中心对准模块中存储有第一电机和第二电机的行程范围；S21中，中心对准模块在发布面向第一电机和第二电机的控制命令前将该控制命令与设定的行程范围相比较：当控制命令在行程范围内时，中心对准模块向第一电机和第二电机发布控制命令，并通过第一电机和第二电机的运动使管片螺栓的特征点位于摄像头的中心位点上；当控制命令存在超出行程范围的情况时，中心对准模块中止发布该控制命令、并将控制命令超出行程范围的信息传送至计算机中的人工干预模块，人工干预模块发出需要人工干预的通知。

进一步地，人工干预模块以声光警示的形式发出需要人工干预的通知。

进一步地，管片抓取机构包括径向油缸、轴向油缸和抓取头。

本发明的有益效果在于：通过第一电机和第二电机的调整使管片螺栓的特征点位于摄像机的中心点上，再由激光测距仪进行测距，从而提高激光测距仪所得测距数据的精确性，有利于提高管片抓取和拼装的精确性；设置有两组视觉平台，同步进行校准和数据获取，进一步提高管片抓取和拼装的精确性。

附图说明

图1是本发明中一种盾构管片拼装机用视觉平台自动抓取方法的流程框图。

图2是视觉平台的结构示意图。

附图标记：1、第一电机；2、安装座；3、旋转平台；4、摄像头；5、激光测距仪；6、第二电机。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

实施例1

如图1所示，一种盾构管片拼装机用视觉平台自动抓取方法，包含有以下步骤：

S1、设置于第一视觉平台上的第一摄像机和设置于第二视觉平台上的第二摄像机采集管片螺栓图像并识别其管片螺栓的特征点信息，该管片螺栓位于第一视觉平台和第二视觉平台之间，第一摄像机和第二摄像机将采集到的管片螺栓图像和特征点信息经无线传输技术传送至计算机中的中心对准模块；

S21、中心对准模块接收并分析来自第一摄像头和第二摄像头的管片螺栓图像和特征点信息，当管片螺栓的特征点偏离第一摄像头或第二摄像头的中心位点时，中心对准模块分析管片螺栓的特征点位于第一摄像头与第二摄像头画面上的位点位置，并分别向第一视觉平台和第二视觉平台上的第一电机和第二电机发布控制命令、通过两组第一电机和第二电机的运动使管片螺栓的特征点同时位于第一摄像头和第二摄像头的中心位点上，当管片螺栓的特征点同时位于第一视觉平台和第二视觉平台上的摄像头的中心位点上时，中心对准模块向第一激光测距仪和第二激光测距仪发布测距命令；中心对准模块中还存储有两组第一电机和第二电机的行程范围，中心对准模块在发布控制命令之前将控制命令与存储的行程范围相比较，当控制命令存在超出行程范围的情况时，中心对准模块中止发布控制命令、并将控制命令超出行程范围的信息传送至计算机中的人工干预模块，人工干预模块以声光警示的形式发出需要人工干预的通知，人工干预完成后，继续进行S1；

S22、当第一激光测距仪和第二激光测距仪返回第一测距数据和第二测距数据时，中心对准模块将包括两组第一电机和第二电机的运行数据、第一测距数据和第二测距数据在内的对准数据发送至位置计算模块；

S3、位置计算模块根据对准数据计算得管片螺栓的位置，并向管片抓取机构发布控制命令，管片抓取机构抓取管片；位置计算模块计算第一摄像头和第二摄像头相对于管片抓取机构的位置的方法具体为：

以竖直方向为z轴，第一电机运行时旋转平台随安装座绕z轴旋转，其旋转矩阵为：

从连杆i到连杆i-1的坐标变换矩阵为：

根据上式可求出：

变换矩阵T如下所示：

其中d₁、d₂、d₃、a₂和a₃为旋转平台的自身特征量，而θ₁、θ₂、θ₃、θ₄分别为两组第一电机、第二电机的旋转角度，利用变换矩阵T，在已知旋转平台的特征参数和各电机旋转的角度下，可以求出两组旋转平台上摄像头和激光测距仪相对于管片抓取机构的位置信息；管片螺栓位置的计算公式如下：

除了满足上式，还满足fsinθ₁cosθ₁+esinθ₃cosθ₃＝d，其中，f为第一激光测距仪的测量数据，e为第二激光测距仪的测量数据，d为两旋转平台的直线距离；

管片抓取机构包括径向抓取组件和轴向抓取组件径向抓取组件包括径向油缸，轴向抓取组件包括轴向油缸。

实施例2

如图2所示，一种盾构管片拼装机用视觉平台自动抓取系统，包括相对设置的第一视觉平台、第二视觉平台、计算机和管片抓取机构，第一视觉平台与第二视觉平台分别对应于两组第一电机1、安装座2、第二电机6和旋转平台3，第一视觉平台与第二视觉平台还分别包括有第一摄像头4和第二摄像头4，第一视觉平台与第二视觉平台还分别包括有第一激光测距仪5和第二激光测距仪5，在第一视觉平台和第二视觉平台中：第一电机1设置于管片抓取机构上，第一电机1的转轴的转动方向垂直于竖直方向，安装座2设置于第一电机1的上方，安装座2的底端连接于第一电机1的转轴，第二电机6设置于安装座2上，第二电机6的转轴的转动方向垂直于水平方向，旋转平台3连接于第二电机6的转轴，第一摄像头4与第一激光测距仪5并列设置于第一视觉平台的旋转平台3上，第二摄像头4与第二激光测距仪5并列设置于第二视觉平台的旋转平台3上；第一视觉平台和第二视觉平台分别设置于待安装管片螺栓的两侧，第一摄像头4和第二摄像头4相对设置，第一摄像头4和第二摄像头4均用于采集管片螺栓图像并识别管片螺栓的特征点信息，第一激光测距仪5和第二激光测距仪5相对设置，第一激光测距仪5和第二激光测距仪5均用于测量对应的旋转平台3与管片螺栓的直线距离；第一视觉平台和第二视觉平台均与计算机信号连接，其中第一摄像头4和第二摄像头4经无线传输技术与计算机信号连接，计算机与管片抓取机构信号连接；

计算机中设置有中心对准模块、位置计算模块和人工干预模块，其中，中心对准模块用于存储两组第一电机1和第二电机6的行程范围，还用于接收并分析来自第一摄像头4和第二摄像头4的管片螺栓图像和特征点信息：当管片螺栓的特征点偏离第一摄像头4或第二摄像头4的中心位点时，中心对准模块分析特征点位于第一摄像头4与第二摄像头4画面上的位点位置，并形成需要向第一视觉平台和第二视觉平台上的第一电机1和第二电机6发布控制命令，在发布控制命令之前中心对准模块将该控制命令与存储的行程范围相比较，当控制命令在行程范围内时，中心对准模块分别向两组第一电机1和第二电机6发布控制命令，并通过两组第一电机1和第二电机6的运动使管片螺栓的特征点同时位于第一摄像头4和第二摄像头4的中心位点上；当控制命令存在超出行程范围的情况时，中心对准模块中止发布该控制命令、并将控制命令超出行程范围的信息传送至计算机中的人工干预模块，人工干预模块以声光警示的形式发出需要人工干预的通知；

当特征点同时位于第一摄像头4和第二摄像头4的中心位点上时，中心对准模块用于向第一激光测距仪5和第二激光测距仪5发布测距命令，当第一激光测距仪5和第二激光测距仪5返回第一测距数据和第二测距数据时，中心对准模块将包括两组第一电机1和第二电机6的运行数据、第一测距数据和第二测距数据的对准数据发送至位置计算模块；位置计算模块用于根据对准数据计算得管片螺栓的位置，并向管片抓取机构发布控制命令，管片抓取机构抓取管片；位置计算模块计算第一摄像头4和第二摄像头4相对于管片抓取机构的位置的方法具体为：

以竖直方向为z轴，第一电机1运行时旋转平台3随安装座2绕z轴旋转，其旋转矩阵为：

从连杆i到连杆i-1的坐标变换矩阵为：

根据上式可求出：

变换矩阵T如下所示：

其中d₁、d₂、d₃、a₂和a₃为旋转平台3的自身特征量，而θ₁、θ₂、θ₃、θ₄分别为两组第一电机1、第二电机6的旋转角度，利用变换矩阵T，在已知旋转平台3的特征参数和各电机旋转的角度下，可以求出两组旋转平台3上摄像头4和激光测距仪5相对于管片抓取机构的位置信息；管片螺栓位置的计算公式如下：

除了满足上式，还满足fsinθ₁cosθ₁+esinθ₃cosθ₃＝d，其中，f为第一激光测距仪5的测量数据，e为第二激光测距仪5的测量数据，d为两旋转平台3的直线距离；

管片抓取机构包括径向油缸、轴向油缸和抓取头。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种盾构管片拼装机用视觉平台自动抓取系统，其特征在于，包括：

管片抓取机构；

视觉平台，所述视觉平台包括第一电机、安装座、第二电机、旋转平台、摄像头和激光测距仪，所述第一电机设置于管片抓取机构上，第一电机的转轴的转动方向垂直于竖直方向，安装座设置于第一电机的上方，安装座的底端连接于第一电机的转轴，第二电机设置于安装座上，第二电机的转轴的转动方向垂直于水平方向，旋转平台连接于第二电机的转轴，摄像头与激光测距仪并列设置于旋转平台上，其中，摄像头用于采集管片螺栓图像并识别管片螺栓的特征点信息，激光测距仪用于测量旋转平台与管片螺栓的直线距离；

中心对准模块，所述中心对准模块用于接收并分析来自摄像头的管片螺栓图像和特征点信息：当管片螺栓的特征点偏离摄像头的中心位点时，中心对准模块分析特征点位于摄像头的位点位置，并形成面向第一电机和第二电机的控制命令，通过第一电机和第二电机的运动使管片螺栓的特征点位于摄像头的中心位点上；当管片螺栓的特征点位于摄像头的中心位点上时，中心对准模块向激光测距仪发布测距命令；中心对准模块还用于接收来自激光测距仪的测距数据；

位置计算模块，所述位置计算模块用于接收来自中心对准模块的对准数据，所述对准数据包括第一电机和第二电机的运行数据、以及激光测距仪的测距数据，位置计算模块根据对准数据计算出管片螺栓相对于管片抓取机构的位置，位置计算模块还用于向管片抓取机构发布抓取管片的控制命令。

2.如权利要求1所述的自动抓取系统，其特征在于，所述视觉平台包括相对地设置于管片螺栓两侧的第一视觉平台和第二视觉平台，视觉平台包括分别对应于第一视觉平台和第二视觉平台的两组第一电机、安装座、第二电机和旋转平台，视觉平台还包括并列设置于第一视觉平台上的第一摄像头和第一激光测距仪、并列设置于第二视觉平台上的第二摄像头和第二激光测距仪，所述第一摄像头和第二摄像头相对设置，所述第一激光测距仪和第二激光测距仪相对设置；所述中心对准模块用于接收并分析来自第一摄像头和第二摄像头的管片螺栓图像和特征点信息：当管片螺栓的特征点偏离第一摄像头或第二摄像头的中心位点时，中心对准模块并形成分别面向两组第一电机和第二电机的控制命令，通过两组第一电机和第二电机的运动使管片螺栓的特征点同时位于第一摄像头和第二摄像头的中心位点上；当管片螺栓的特征点同时位于第一摄像头和第二摄像头的中心位点上时，中心对准模块向第一激光测距仪和第二激光测距仪发布测距命令；中心对准模块还用于接收来自第一激光测距仪和第二激光测距仪的测距数据；所述对准数据包括两组第一电机和第二电机的运行数据、以及第一激光测距仪和第二激光测距仪的测距数据。

3.如权利要求1所述的自动抓取系统，其特征在于，所述自动抓取系统还包括人工干预模块；所述中心对准模块还用于录入并存储第一电机和第二电机的行程范围，并在发布面向第一电机和第二电机的控制命令前将该控制命令与设定的行程范围相比较：当控制命令在行程范围内时，中心对准模块向第一电机和第二电机发布控制命令，并通过第一电机和第二电机的运动使管片螺栓的特征点位于摄像头的中心位点上；当控制命令存在超出行程范围的情况时，中心对准模块中止发布该控制命令、并将控制命令超出行程范围的信息传送至计算机中的人工干预模块，人工干预模块发出需要人工干预的通知。

4.如权利要求3所述的动抓取系统，其特征在于，所述人工干预模块以声光警示的形式发出需要人工干预的通知。

5.如权利要求1所述的自动抓取系统，其特征在于，所述管片抓取机构包括径向油缸、轴向油缸和抓取头。

6.一种盾构管片拼装机用视觉平台自动抓取方法，其特征在于，包含有以下步骤：

S1、设置于视觉平台上的摄像机采集管片螺栓图像并识别管片螺栓的特征点信息，摄像机将采集到的管片螺栓图像和特征点信息传送至中心对准模块；

S21、中心对准模块接收并分析管片螺栓图像和特征点信息，当管片螺栓的特征点偏离摄像头的中心位点时，中心对准模块分析管片螺栓的特征点位于摄像头上的位点位置，并分别向第一电机和第二电机发布控制命令、通过第一电机和第二电机的运动使管片螺栓的特征点位于摄像头的中心位点上，当管片螺栓的特征点位于摄像头的中心位点上时，中心对准模块向激光测距仪发布测距命令；

S22、激光测距仪测量旋转平台与管片螺栓的直线距离，并向中心对准模块返回测距数据，中心对准模块将对准数据发送至位置计算模块，所述对准数据包括第一电机和第二电机的运行数据、以及激光测距仪的测距数据；

S3、位置计算模块根据对准数据计算得管片螺栓的位置，并向管片抓取机构发布抓取管片的控制命令，管片抓取机构抓取管片。

7.如权利要求6所述的自动抓取方法，其特征在于，所述视觉平台包括相对地设置于管片螺栓两侧的第一视觉平台和第二视觉平台，视觉平台包括分别对应于第一视觉平台和第二视觉平台的两组第一电机、安装座、第二电机和旋转平台，视觉平台还包括并列设置于第一视觉平台上的第一摄像头和第一激光测距仪、并列设置于第二视觉平台上的第二摄像头和第二激光测距仪，所述第一摄像头和第二摄像头相对设置，所述第一激光测距仪和第二激光测距仪相对设置；

S1中，所述第一摄像机和第二摄像机同时采集管片螺栓图像并识别管片螺栓的特征点信息，第一摄像机和第二摄像机将采集到的管片螺栓图像和特征点信息传送至中心对准模块；

S21中，中心对准模块接收并分析来自第一摄像头和第二摄像头的管片螺栓图像和特征点信息：当管片螺栓的特征点偏离第一摄像头或第二摄像头的中心位点时，中心对准模块形成分别面向两组第一电机和第二电机的控制命令，通过两组第一电机和第二电机的运动使管片螺栓的特征点同时位于第一摄像头和第二摄像头的中心位点上；当管片螺栓的特征点同时位于第一摄像头和第二摄像头的中心位点上时，中心对准模块向第一激光测距仪和第二激光测距仪发布测距命令；

S22中，第一激光测距仪和第二激光测距仪分别测量对应的旋转平台与管片螺栓的直线距离，并向中心对准模块返回测距数据，中心对准模块将对准数据发送至位置计算模块，所述对准数据包括第一电机和第二电机的运行数据、以及第一激光测距仪和第二激光测距仪的测距数据。

8.如权利要求6所述的自动抓取方法，其特征在于，所述中心对准模块中存储有第一电机和第二电机的行程范围；S21中，中心对准模块在发布面向第一电机和第二电机的控制命令前将该控制命令与设定的行程范围相比较：当控制命令在行程范围内时，中心对准模块向第一电机和第二电机发布控制命令，并通过第一电机和第二电机的运动使管片螺栓的特征点位于摄像头的中心位点上；当控制命令存在超出行程范围的情况时，中心对准模块中止发布该控制命令、并将控制命令超出行程范围的信息传送至计算机中的人工干预模块，人工干预模块发出需要人工干预的通知。

9.如权利要求8所述的自动抓取方法，其特征在于，S21中，所述人工干预模块以声光警示的形式发出需要人工干预的通知。

10.如权利要求6所述的自动抓取方法，其特征在于，所述管片抓取机构包括径向油缸、轴向油缸和抓取头。