CN108171749A - 一种基于陀螺仪的机械手臂热源追踪辅助系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于陀螺仪的机械手臂热源追踪辅助系统及其方法，收集大量图片信息数据，建模机械手臂工作环境图像，在机械手臂臂端加入热源供应装置和陀螺仪，通过精确追踪机械手臂臂端热源，准确的测量出机械手臂臂端位置，并利用高精度陀螺仪测量出的高精度角度信息，结合数论公式，精确计算出机械手臂末端的相对位置，用以单独定位机械手臂末端位置，或辅助其他追踪机械手臂末端位置的算法或装置，对机械手臂末端位置进行误差修正和校准，以保障图像处理系统中显示出来的手臂末端位置的精度。可实时持续动态追踪机械手臂末端位置位置，将其虚拟在对应的图像系统中，定位机械手臂末端位置，辅助和引导操作者或智能算法进行各类精细机械操作。

Description

一种基于陀螺仪的机械手臂热源追踪辅助系统及其方法

技术领域

本发明涉及技术领域，尤其涉及一种基于陀螺仪的机械手臂热源追踪辅助系统及其方法。

背景技术

机械手臂是机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维(或二维)空间上的某一点进行作业。

传统的机械手臂大都在机械手臂末端加入信号源标志物或传感器，然而存在的最大的问题是在不少可操控的智能机械手臂上，其末端的信号源标志物或传感器为较精细或固定材质，无法对机械手臂末端进行改造或替换。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于陀螺仪的机械手臂热源追踪辅助系统及其方法，以解决现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于陀螺仪的机械手臂热源追踪辅助系统，包括

3D建模部分：收集和分析被控物体的扫描图，对收集的被控物体图进行图像增强后，再将图像进行压缩编码，传输到PC端后，解码图像构造被控物体的3D模拟图像，以(x,y,z)三维数据存储，定义横轴为x,纵轴为y,竖轴为z,若(x,y,z)坐标点数据不为零时，即为被控物体某部分的图源数据；

机械手臂臂端捕捉部分：两机械手臂臂端捕捉设备对机械手臂臂端固定的热源进行捕捉，其中一台热源捕捉设备获取(x2,y2),另一台热源捕捉设备获取(y2,z2),其中两组纵轴Y坐标可用来互相校准，再由热源追踪系统计算出机械手臂臂端相对位置数据(x2,y2,z2)，将数据传输至数字图像处理系统部分中；

图像处理系统部分：根据机械手臂臂端捕捉部分提供的坐标确定了机械手臂臂端位置后，同时获取实时的陀螺仪数据，依据陀螺仪获取的三维角度信息，对机械手臂的工作角度方向进行计算，结合机械手臂臂端相对位置(x2,y2,z2)和机械手臂的三维角度信息，即可计算出机械手臂末端的相对位置(x1,y1,z1)，再收集大量图片数据进行整合，将整合后的图片进行图像灰度处理，并在横轴位置、纵轴位置和竖轴位置具体加深标注。

进一步地，所述3D建模部分通过利用不限于CT、磁共振、3D扫描、X射线的技术收集和分析被控物体的扫描图。

进一步地，所述机械手臂臂端捕捉部分安装在工作台右侧200cm和顶部200cm位置。

进一步地，所述机械手臂末端相对位置(x1,y1,z1)在显示系统的图像中标注出来后，图像系统中的显示图片可进行放大缩小。

进一步地，所述两机械手臂臂端捕捉设备均以频率为50Hz对机械手臂臂端固定的热源进行捕捉。

一种基于陀螺仪的机械手臂热源追踪辅助方法，包括以下步骤：

步骤1、收集和分析被控物体的扫描图，对收集的被控物体图进行图像增强后，再将图像进行压缩编码，传输到PC端后，解码图像构造被控物体的3D模拟图像；

步骤2、两机械手臂端捕设备均能以频率为50Hz对机械手臂臂端固定的热源进行捕捉，其中一台热源捕捉设备获取(x2,y2),另一台热源捕捉设备获取(y2,z2)，再由热源追踪系统计算出机械手臂臂端相对位置数据(x2,y2,z2)，将数据传输至数字图像处理部分中；

步骤3、根据机械手臂端捕捉部分提供的坐标确定了机械手臂端位置后，同时获取实时的陀螺仪数据，依据陀螺仪获取的三维角度信息，计算出机械手臂末端的相对位置，然后收集大量图片数据进行整合，将整合后的图片进行图像灰度处理，并在横轴位置、纵轴位置和竖轴位置具体加深标注。

本发明的有益效果是：

本发明利用CT、磁共振、3D扫描、X射线等技术，收集大量图片信息数据，建模机械手臂工作环境图像，在机械手臂臂端加入热源供应装置和陀螺仪，通过精确追踪机械手臂臂端热源，准确的测量出机械手臂臂端位置，并利用高精度陀螺仪测量出的高精度角度信息，结合数论公式，精确计算出机械手臂末端的相对位置，用以单独定位机械手臂末端位置，或辅助其他追踪机械手臂末端位置的算法或装置，对机械手臂末端位置进行误差修正和校准，以保障图像处理系统中显示出来的手臂末端位置的精度。可实时持续动态追踪机械手臂末端位置位置，将其虚拟在对应的图像系统中，来达到定位机械手臂末端位置，辅助和引导操作者或智能算法进行各类精细机械操作。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的系统框图。

图2是本发明的系统流程图。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，一种基于陀螺仪的机械手臂热源追踪辅助系统，该系统包括：

A.整合数字图像信息进行3D建模部分：通过利用CT、磁共振、3D扫描、X射线等技术收集和分析被控物体的扫描图，对收集的被控物体图进行图像增强后，再将图像进行压缩编码，传输到PC端后。解码图像构造被控物体的3D模拟图像，以(x,y,z)三维数据存储，定义横轴为x,纵轴为y,竖轴为z,若(x,y,z)坐标点数据不为零时，即为被控物体某部分的图源数据；

B.机械手臂臂端捕捉部分：在工作台右侧200cm和顶部200cm位置分别安装一台热源捕捉设备，两设备均能以频率为50Hz对机械手臂臂端固定的热源进行捕捉，其中一台热源捕捉设备获取(x2,y2),另一台热源捕捉设备获取(y2,z2),其中两组纵轴Y坐标可用来互相校准，再由热源追踪系统计算出机械手臂臂端相对位置数据(x2,y2,z2)，将数据传输至数字图像处理系统中。

C.图像处理系统部分：根据机械手臂臂端捕捉部分提供的坐标确定了机械手臂臂端位置后，同时获取实时的陀螺仪数据，依据陀螺仪获取的三维角度信息，对机械手臂的工作角度方向进行较精确的计算，利用数论公式，结合机械手臂臂端相对位置(x2,y2,z2)和机械手臂的三维角度信息，即可计算出机械手臂末端的相对位置(x1,y1,z1)。将利用CT、磁共振、3D扫描、X射线等技术，收集大量图片数据进行整合，将整合后的图片进行图像灰度处理，并在横轴位置、纵轴位置和竖轴位置具体加深标注，方便机械工程师快速准确识别位置。具体实施步骤如下：

第一步将两台热源捕捉设备以50HZ的刷新频率扫描信号热源，再根据已定阈值，判断机械手臂臂端位置，获取(x2,y2)和(y2,z2)，依照图像处理中的比对计算公式，确定其坐标(x2,y2,z2)。

第二步在已知坐标情况下，据其陀螺仪获取的三维角度坐标，将已知的机械手臂臂端位置(x2,y2,z2)通过数论公式推算出机械手臂末端相对位置(x1,y1,z1)，将数据传输到PC端的显示处理系统中，并对PC端的图像数据进行增强。

第三步将传输过来机械手臂末端相对位置(x1,y1,z1)在对应显示系统的图像中标示出来，为方便观察，图像系统中的显示图片可进行放大缩小。

确定好机械手臂末端位置后即可按照既定的操作路线进行机械控制操作。

实施例二

与实施例一不同的地方是，本系统作为辅助系统使用，则可先获取其他追踪装置或系统传输过来的相对位置(x,y,z)，比对直接经信号源定位传输过来的数据(x,y,z)和(x1,y1,z1)，进行误差分析，选择优化数据再在图像显示系统中标点。完成既定基本路线操作后，若还要在终点处进行下一个操作。同理，继续B、C部分，完成后续实施步骤，重新规划一条新的操作路线，从终点处继续机械操作，根据现实被操作物与机械手臂末端的三维位置信息匹配，结合机械工程师自身经验，进行细微修正，再进行下一部分操作。

值得注意的是使用该系统前需要对被操作物进行固定操作，最简单实用的是，使用机械手臂操作前将被操作物固定于工作台，并用胶条等装置固定，在进行图源数据信息获取时，系统将对被操作物的各个部位进行相对位置标定，并可在操作途中对数据源进行调整和修正，用以保证系统坐标不会出现偏差，同时，机械工程师在使用过程中可以自行微调一些参数等，用以方便对照操作。其中参数包含图片大小、定位校准等。

综上，本发明利用CT、磁共振、3D扫描、X射线等技术，收集大量图片信息数据，建模机械手臂工作环境图像，在机械手臂臂端加入热源供应装置和陀螺仪，通过精确追踪机械手臂臂端热源，准确的测量出机械手臂臂端位置，并利用高精度陀螺仪测量出的高精度角度信息，结合数论公式，精确计算出机械手臂末端的相对位置，用以单独定位机械手臂末端位置，或辅助其他追踪机械手臂末端位置的算法或装置，对机械手臂末端位置进行误差修正和校准，以保障图像处理系统中显示出来的手臂末端位置的精度。可实时持续动态追踪机械手臂末端位置位置，将其虚拟在对应的图像系统中，来达到定位机械手臂末端位置，辅助和引导操作者或智能算法进行各类精细机械操作。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于陀螺仪的机械手臂热源追踪辅助系统，其特征在于，包括

3D建模部分：收集和分析被控物体的扫描图，对收集的被控物体图进行图像增强后，再将图像进行压缩编码，传输到PC端后，解码图像构造被控物体的3D模拟图像，以(x,y,z)三维数据存储，定义横轴为x,纵轴为y,竖轴为z,若(x,y,z)坐标点数据不为零时，即为被控物体某部分的图源数据；

机械手臂臂端捕捉部分：两机械手臂臂端捕捉设备对机械手臂臂端固定的热源进行捕捉，其中一台热源捕捉设备获取(x2,y2),另一台热源捕捉设备获取(y2,z2),其中两组纵轴Y坐标可用来互相校准，再由热源追踪系统计算出机械手臂臂端相对位置数据(x2,y2,z2)，将数据传输至数字图像处理系统部分中；

图像处理系统部分：根据机械手臂臂端捕捉部分提供的坐标确定了机械手臂臂端位置后，同时获取实时的陀螺仪数据，依据陀螺仪获取的三维角度信息，对机械手臂的工作角度方向进行计算，结合机械手臂臂端相对位置(x2,y2,z2)和机械手臂的三维角度信息，即可计算出机械手臂末端的相对位置(x1,y1,z1)，再收集大量图片数据进行整合，将整合后的图片进行图像灰度处理，并在横轴位置、纵轴位置和竖轴位置具体加深标注。

2.如权利要求1所述的一种基于陀螺仪的机械手臂热源追踪辅助系统，其特征在于：所述3D建模部分通过利用不限于CT、磁共振、3D扫描、X射线的技术收集和分析被控物体的扫描图。

3.如权利要求1所述的一种基于陀螺仪的机械手臂热源追踪辅助系统，其特征在于：所述机械手臂臂端捕捉部分安装在工作台右侧200cm和顶部200cm位置。

4.如权利要求1所述的一种基于陀螺仪的机械手臂热源追踪辅助系统，其特征在于：所述机械手臂末端相对位置(x1,y1,z1)在显示系统的图像中标注出来后，图像系统中的显示图片可进行放大缩小。

5.如权利要求1所述的一种基于陀螺仪的机械手臂热源追踪辅助系统，其特征在于：所述两机械手臂臂端捕捉设备均以频率为50Hz对机械手臂臂端固定的热源进行捕捉。

6.一种基于陀螺仪的机械手臂热源追踪辅助方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、收集和分析被控物体的扫描图，对收集的被控物体图进行图像增强后，再将图像进行压缩编码，传输到PC端后，解码图像构造被控物体的3D模拟图像；

步骤2、两机械手臂端捕设备均能以频率为50Hz对机械手臂臂端固定的热源进行捕捉，其中一台热源捕捉设备获取(x2,y2),另一台热源捕捉设备获取(y2,z2)，再由热源追踪系统计算出机械手臂臂端相对位置数据(x2,y2,z2)，将数据传输至数字图像处理部分中；

步骤3、根据机械手臂端捕捉部分提供的坐标确定了机械手臂端位置后，同时获取实时的陀螺仪数据，依据陀螺仪获取的三维角度信息，计算出机械手臂末端的相对位置，然后收集大量图片数据进行整合，将整合后的图片进行图像灰度处理，并在横轴位置、纵轴位置和竖轴位置具体加深标注。