CN111716367B - 一种基于视觉的水下机械臂末端卡钳旋转角度测量装置 - Google Patents

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    • B63C11/52—Tools specially adapted for working underwater, not otherwise provided for

Abstract

本发明公开了一种基于视觉的水下机械臂末端卡钳旋转角度测量装置，涉及定轴旋转角度测量方法，包括水下相机、水下机械臂、旋转环和机械手卡钳，水下机械臂连接机械手卡钳，水下相机安装在水下机械臂上，水下相机朝向平行于机械手卡钳旋转轴方向；旋转环套设在机械手卡钳上，旋转环上印有外圆线、螺旋线和内圆线，外圆线和内圆线为同心圆且圆心位于机械手卡钳旋转轴的旋转中心，螺旋线的起点位于外圆线和内圆线之间，螺旋线的终点位于外圆线上，并且起点和终点的连接线穿过圆心；水下相机通过拍摄旋转环获取机械手卡钳的旋转角度，通过截得的各个线段的比例，即可计算出旋转角度，可对水下机械臂末端卡钳360°内任意旋转角度进行测量。

Description

一种基于视觉的水下机械臂末端卡钳旋转角度测量装置
技术领域
本发明涉及定轴旋转角度测量方法领域，尤其是一种基于视觉的水下机械臂末端卡钳旋转角度测量装置。
背景技术
水下机械臂在水下施工作业过程中起到至关重要的作用，实现水下机械臂自主作业是水下机器人的研究和发展方向。
水下机械臂末端执行器一般为机械卡钳形式，可以绕机械臂末端关节实现360°连续自由旋转。一般为了满足水下重载作业的需求，水下机械臂采用液压驱动，对于部分液压机械臂而言，并不具有角度位置反馈功能，这就导致了在机械臂自主作业时，没有卡钳旋转角度位置反馈，无法精准调整旋转角度以对准被抓握物体。在不配备有位置或角度传感器的机械臂本体上加装位置或角度传感器可能会改变机械臂结构，对机械臂本体造成破坏。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于视觉的水下机械臂末端卡钳旋转角度测量装置，水下相机通过拍摄旋转环获取机械手卡钳的旋转角度，通过截得的各个线段的比例，即可计算出旋转角度，可对水下机械臂末端卡钳360°内任意旋转角度进行测量。
本发明的技术方案如下：
一种基于视觉的水下机械臂末端卡钳旋转角度测量装置，包括水下相机、水下机械臂、旋转环和机械手卡钳，水下机械臂连接机械手卡钳，水下相机安装在水下机械臂上，水下相机朝向平行于机械手卡钳旋转轴方向；
旋转环位于水下机械臂和机械手卡钳之间，并且套设在机械手卡钳上，旋转环的中心位于机械手卡钳旋转轴上，旋转环上印有外圆线、螺旋线和内圆线，外圆线和内圆线为同心圆且圆心位于机械手卡钳旋转轴的旋转中心，外圆线的直径大于内圆线，螺旋线的起点位于外圆线和内圆线之间，螺旋线的终点位于外圆线上，并且起点和终点的连接线穿过圆心；
水下相机通过拍摄旋转环获取机械手卡钳的旋转角度。
其进一步的技术方案为，水下相机通过拍摄旋转环获取机械手卡钳的旋转角度，包括：
首先将旋转环旋转至初始位置，初始位置为：在水下相机视野中，螺旋线的起点垂直穿过机械手卡钳旋转轴的旋转中心的位置；
获取水下相机拍摄的初始位置图像，在初始位置处做一条辅助线，辅助线穿过旋转中心，并分别与外圆线交于第一点、与螺旋线交于第二点、与内圆线交于第三点，记第一点与第二点的连接线为第一线段，记第二点与第三点的连接线为第二线段；
在初始位置图像中，分别计算第一线段和第二线段的像素长度；
将机械手卡钳旋转任意角度，则旋转环也随之旋转任意角度，获取水下相机拍摄的旋转位置图像，此时辅助线的位置不变，辅助线分别与螺旋线交于第四点、与内圆线交于第五点，记第四点与第五点的连接线为第三线段，在旋转位置图像中，计算第三线段的像素长度；
通过
Figure BDA0002559911310000021
求解出机械手卡钳的旋转角度，旋转角度为辅助线与旋转线之间的夹角，旋转线为旋转后的螺旋线起点穿过机械手卡钳旋转轴的旋转中心的线，其中，θ表示机械手卡钳的旋转角度，|QN|表示第三线段的像素长度，|PT|表示第二线段的像素长度，|SP|表示第一线段的像素长度。
本发明的有益技术效果是：
本申请基于处理水下相机拍摄图像的水下机械臂末端卡钳旋转角度测量装置简单易行，安装水下相机和旋转环对原有水下机械臂无损害，并且工作可靠、实用性强，通过分别获取旋转环位于初始位置和旋转位置时的辅助线与外圆线、内圆线、螺旋线的三个交点，通过截得的各个线段的比例，即可计算出旋转角度，可对水下机械臂末端卡钳360°内任意旋转角度进行测量，实现卡钳位置反馈，为实现水下机械臂自动抓取打下基础。
附图说明
图1是本申请提供的水下机械臂末端卡钳旋转角度测量装置的结构示意图。
图2是本申请提供的旋转环位于初始位置的示意图。
图3是本申请提供的旋转环位于旋转位置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种基于视觉的水下机械臂末端卡钳旋转角度测量装置，结构示意图如图1所示，旋转角度测量装置包括水下相机1、水下机械臂2、旋转环3和机械手卡钳4，水下机械臂2连接机械手卡钳4，水下相机1安装在水下机械臂2上，水下相机1朝向平行于机械手卡钳旋转轴方向。
旋转环3位于水下机械臂2和机械手卡钳4之间，并且套设在机械手卡钳4上，旋转环3的中心位于机械手卡钳旋转轴上，旋转环3上印有外圆线301、螺旋线302和内圆线303，外圆线301和内圆线303为同心圆且圆心位于机械手卡钳旋转轴的旋转中心O，外圆线301的直径大于内圆线303，螺旋线302的起点位于外圆线301和内圆线303之间，螺旋线302的终点位于外圆线301上，并且起点和终点的连接线穿过圆心(也即旋转中心O)。
水下相机1通过拍摄旋转环3获取机械手卡钳4的旋转角度，包括：
首先将旋转环3旋转至初始位置，初始位置为：在水下相机1视野中，螺旋线302的起点垂直穿过机械手卡钳旋转轴的旋转中心O的位置。
获取水下相机1拍摄的初始位置图像，如图2所示，在初始位置处做一条辅助线L，辅助线L穿过旋转中心O，并分别与外圆线301交于第一点S、与螺旋线302交于第二点P、与内圆线303交于第三点T，记第一点S与第二点P的连接线为第一线段SP，记第二点P与第三点T的连接线为第二线段PT，记第一点S与第三点T的连接线为第四线段ST。
在初始位置图像中，分别计算第一线段SP的像素长度，记为|SP|，计算第二线段PT的像素长度，记为|PT|。其中各个线段的像素长度是通过计算像素点的个数得到的。
将机械手卡钳4旋转任意角度，则旋转环3也随之旋转任意角度。获取水下相机1拍摄的旋转位置图像，如图3所示，水下相机1的拍摄范围为图中虚线框所示，此时辅助线L的位置不变，也即辅助线L仍垂直穿过旋转中心O，辅助线L分别与螺旋线302交于第四点Q、与内圆线303交于第五点N、还与外圆线301交于第六点M，记第四点Q与第五点N的连接线为第三线段QN，在旋转位置图像中，计算第三线段的像素长度，记为|QN|。在本申请中，旋转环3旋转一周，则螺旋线302也旋转一周，并从内圆环303上部位置旋转到外圆环301，第四线段ST的长度固定不变(也即|ST|＝|MN|)，第二点P的位置会随着机械手卡钳的旋转而变化。
通过
Figure BDA0002559911310000041
求解出机械手卡钳4的旋转角度，旋转角度为辅助线与旋转线之间的夹角，旋转线为旋转后的螺旋线起点穿过机械手卡钳旋转轴的旋转中心的线，其中，θ表示机械手卡钳的旋转角度，|QN|表示第三线段的像素长度，|PT|表示第二线段的像素长度，|SP|表示第一线段的像素长度。
本申请通过获取第二点P在第四线段ST中的位置，或者第四点Q在第五线段MN中的位置，计算出截得的线段比例再乘以360°就是0°到360°之间的旋转角度，实现了对水下机械臂末端卡钳360°内任意旋转角度进行测量，实现卡钳位置反馈，为实现水下机械臂自动抓取打下基础。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于视觉的水下机械臂末端卡钳旋转角度测量装置，其特征在于，包括水下相机、水下机械臂、旋转环和机械手卡钳，所述水下机械臂连接所述机械手卡钳，所述水下相机安装在所述水下机械臂上，所述水下相机朝向平行于所述机械手卡钳旋转轴方向；
所述旋转环位于所述水下机械臂和机械手卡钳之间，并且套设在所述机械手卡钳上，所述旋转环的中心位于所述机械手卡钳旋转轴上，所述旋转环上印有外圆线、螺旋线和内圆线，所述外圆线和内圆线为同心圆且圆心位于所述机械手卡钳旋转轴的旋转中心，所述外圆线的直径大于所述内圆线，所述螺旋线的起点位于所述外圆线和内圆线之间，所述螺旋线的终点位于所述外圆线上，并且所述起点和终点的连接线穿过所述圆心；
所述水下相机通过拍摄所述旋转环获取所述机械手卡钳的旋转角度，包括：
首先将所述旋转环旋转至初始位置，所述初始位置为：在所述水下相机视野中，所述螺旋线的起点垂直穿过所述机械手卡钳旋转轴的旋转中心的位置；
获取所述水下相机拍摄的初始位置图像，在所述初始位置处做一条辅助线，所述辅助线穿过所述旋转中心，并分别与所述外圆线交于第一点、与所述螺旋线交于第二点、与所述内圆线交于第三点，记所述第一点与所述第二点的连接线为第一线段，记所述第二点与所述第三点的连接线为第二线段；
在所述初始位置图像中，分别计算所述第一线段和第二线段的像素长度；
将所述机械手卡钳旋转任意角度，则所述旋转环也随之旋转所述任意角度，获取所述水下相机拍摄的旋转位置图像，此时所述辅助线的位置不变，所述辅助线分别与所述螺旋线交于第四点、与所述内圆线交于第五点，记所述第四点与所述第五点的连接线为第三线段，在所述旋转位置图像中，计算所述第三线段的像素长度；
通过
Figure FDA0003241269780000011
求解出所述机械手卡钳的旋转角度，所述旋转角度为所述辅助线与旋转线之间的夹角，所述旋转线为旋转后的螺旋线起点穿过所述机械手卡钳旋转轴的旋转中心的线，其中，θ表示所述机械手卡钳的旋转角度，|QN|表示所述第三线段的像素长度，|PT|表示所述第二线段的像素长度，|SP|表示所述第一线段的像素长度。
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