CN114199130B - 一种惯性位姿自调节矫正的光学信息特征提取设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种惯性位姿自调节矫正的光学信息特征提取设备，涉及位姿测量技术领域，包括安装设备，所述安装设备包括第一光学提取设备、第二光学提取设备和夹持组件，所述夹持组件和第一光学提取设备的端部设有转接箱，所述转接箱和夹持组件之间设有第一活动轴和第二活动轴，且第一活动轴和第二活动轴之间活动连接，所述第一光学提取设备和转接箱之间设有第三活动轴。通过增加第一光学提取设备和第二光学提取设备，第一光学提取设备跟随夹持组件移动提取，第二光学提取设备针对待安装位置的信息提取，第一光学提取设备和第二光学提取设备二者相互配合，可以保证特征点A、B、C、D的完全统一，实现初步的安装对应。

Description

一种惯性位姿自调节矫正的光学信息特征提取设备

技术领域

本发明涉及位姿测量技术领域，具体为一种惯性位姿自调节矫正的光学信息特征提取设备。

背景技术

目前已知一种系统，将基于3D、CAD数据等三维形状数据而制作出的表示对象物品形状特征的模型数据和基于三维测量机的测量结果的实际数据进行对照，由此确定对象物品的位置姿势，并相对于对象物品进行由机器人取出等的作业。

三维测量机例如获取在测量范围内包含物品表面上的三维位置信息的点群数据。另外，从三维形状数据中得到在对象物品的表面上采样了三维位置后的虚拟点群数据。从由三维测量机获取到的点群数据和虚拟点群数据这两者提取例如物品的角等具有形状特征的特征点，并通过将这些进行匹配来确定对象物品的位置姿势。机器人预先示教了针对对象物品的作业，配合对象物品的位置姿势修正动作，由此即使在对象物品的位置姿势发生变化的环境中也可以进行作业。

在目前对于工程零件安装的过程中，需要一定的精确度，比如对于航天工程中，需要达到一定的精度安装才可以确保最终产品的效果，在安装的过程中，往往都是通过自动化机器人的夹取安装，但是也会出现有安装的精度不高的情况，并且输入一定的程序之后，修正的位姿精度不高，达不到安装精度要求，因此影响安装效率和安装质量。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种惯性位姿自调节矫正的光学信息特征提取设备，解决了通过机器人安装时精度不够的问题，增加了机器人安装过程中实时调节矫正位姿的装置程序，提高了安装精度，可以用于高精度的产品生产中，提高生产效率和质量。

（二）技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种惯性位姿自调节矫正的光学信息特征提取设备，包括安装设备，所述安装设备包括第一光学提取设备、第二光学提取设备和夹持组件，所述夹持组件和第一光学提取设备的端部设有转接箱，所述转接箱和夹持组件之间设有第一活动轴和第二活动轴，且第一活动轴和第二活动轴之间活动连接，且第一活动轴的端部和转接箱活动连接，且第二活动轴的端部和夹持组件固定连接，所述第一光学提取设备和转接箱之间设有第三活动轴，且第三活动轴一端和转接箱活动连接，且第三活动轴的另一端和第一光学提取设备固定连接。

优选的，所述第二光学提取设备的顶部设有滑动平台，所述滑动平台的底面嵌有转盘，且转盘和滑动平台活动连接，所述转盘的顶部设有电机，且电机固定在滑动平台顶部，且电机的输出轴端部和转盘固定连接，所述转盘的底面固定安装有第二驱动装置。

优选的，所述第二驱动装置的端部轴接有第一驱动轴轴，所述第一驱动轴的底部设有第二驱动轴，且第一驱动轴和第二驱动轴活动连接，所述第二驱动轴的底部设有第三驱动轴，且第三驱动轴和第二驱动轴活动连接，且第三驱动轴和第二光学提取设备固定连接。

优选的，所述转接箱的端面设有第三机械手臂，且第三机械手臂和转接箱固定连接，所述第三机械手臂的端部设有第二机械手臂，且第二机械手臂和第三机械手臂活动连接，所述第二机械手臂的端部设有第一机械手臂，且第一机械手臂和第二机械手臂活动连接，所述第一机械手臂的端部设有第一驱动装置，且第一驱动装置和第一机械手臂的端部活动连接，所述第一驱动装置的底部固定安装有移动底盘。

优选的，所述滑动平台的底部设有支撑框架，所述支撑框架的顶面固定有两根滑轨，且滑动平台和滑轨滑动连接，所述支撑框架的底部设有底板，且支撑框架固定在底板顶面，且移动底盘和底板表面活动连接。

优选的，一种惯性位姿自调节矫正的光学信息特征提取设备，所述第一光学提取设备和第二光学提取设备的工作流程如下：

Sp1：建立三维空间，将夹持组件、夹持物件、第一光学提取设备和第二光学提取设备均设定在同一三维空间中；

Sp2：分别对夹持物件和待安装位置设定截面，建立第一坐标系，通过第一光学提取设备对夹持物件进行特征点提取，并且记为A、B、C、D，再建立第二坐标系，对于第二光学提取设备对待安装位置的特征点记为A1、B1、C1、D1；

Sp3：通过A、B、C、D和A1、B1、C1、D1之间的坐标，以相邻的特征点之间建立联系，并且确定相邻特征点的方向矢量，从而确定曲线位置的走向和对应曲率；

Sp4：通过第一光学提取设备和第二光学提取设备对夹持物件和待安装位置进行位置投影。

优选的，所述夹持组件中的夹持物件和第二光学提取设备对应在同一平面上，所述第一光学提取设备和夹持物件保持在同一水平面上。

（三）有益效果

本发明提供了一种惯性位姿自调节矫正的光学信息特征提取设备。具备以下有益效果：

1、本发明采用自动化控制机器人，在安装的过程中，通过自动化的控制方式可以大大增加生产制造的效率，并且配合程序可以保证生产的精度，对于精密制造工程中，本发明通过增加第一光学提取设备和第二光学提取设备，第一光学提取设备跟随夹持组件移动提取，第二光学提取设备针对待安装位置的信息提取，第一光学提取设备和第二光学提取设备二者相互配合，可以保证特征点A、B、C、D的完全统一，实现初步的安装对应。

2、本发明采用三维建模的方式，将第一光学提取设备、第二光学提取设备和夹持物件放在同一坐标系中，即第一坐标系（x1、y1、z1），在第一坐标系中，可以确定夹持物件特征点的位置参数，将夹持物件的未知参数通过数据分析，确定夹持物件特征点A、B、C、D的位置，再建立第二坐标系（x2、y2、z2），夹持物件特征点A、B、C、D位于第二坐标系内部，同时第二光学提取设备提取待安装位置的特征点参数A1、B1、C1、D1，A1、B1、C1、D1位于第一坐标系中，由于第二光学提取设备可以进行三维控制的运动，因此对于待安装位置的信息提取只需要第二光学提取设备，对于A1、B1、C1、D1的参数信息通过第二坐标系根据第一坐标系的位置关系，结合待安装位置特征点A1、B1、C1、D1的方向矢量和夹持物件特征点A、B、C、D各自方向矢量，可以计算出A1、B1、C1、D1和A、B、C、D之间的位置关系，再通过第一光学提取设备和第二光学提取设备的位置投影，判断出A1、B1、C1、D1和A、B、C、D之间的投影面是否重合，对于完全重合投影面就可以进行安装，在于A1、B1、C1、D1和A、B、C、D之间位置关系超过额定误差时，需要根据位置参数结合方向矢量更改A、B、C、D的位置。

3、本发明采用第一坐标系和第二坐标系，夹持物件、第一光学提取设备、第二光学提取设备和待安装位置都是位于第一坐标系内部，可以确定彼此之间的位置关系，并且通过三维空间计算，确定位置坐标，第二坐标系主要针对夹持物件的特征点和待安装位置的特征点之间的自动矫正，A1、B1、C1、D1和A、B、C、D之间位置数据在第二坐标系中的差距可以判断夹持取件和待安装位置之间的精密度，从而可以实现根据相差的数据来更改夹持物件的位置，通过自动化程序的修改和控制，实现高精度的安装。

附图说明

图1为本发明的轴测图；

图2为图1中安装设备的放大图；

图3为本发明的侧视图；

图4为本发明中的俯视图；

图5为本发明中的剖视图；

图6为本发明的第一坐标系特征点的三维空间图；

图7为本发明的第二坐标系特征点的三维空间图；

图8为本发明中特征点的截面图；

图9为本发明中特征点的平面方向矢量图。

其中，1、电机；2、滑动平台；3、滑轨；4、支撑框架；5、底板；6、移动底盘；7、第一驱动装置；8、安装设备；9、第一光学提取设备；10、第一活动轴；11、第二活动轴；12、夹持组件；13、第二光学提取设备；14、第一机械手臂；15、第二机械手臂；16、第三机械手臂；17、第一驱动轴；18、第二驱动轴；19、第三驱动轴；20、转接箱；21、第三活动轴；22、转盘；23、第二驱动装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

参照图1-5，一种惯性位姿自调节矫正的光学信息特征提取设备，包括安装设备8，安装设备8包括第一光学提取设备9、第二光学提取设备13和夹持组件12，夹持组件12和第一光学提取设备9的端部设有转接箱20，转接箱20和夹持组件12之间设有第一活动轴10和第二活动轴11，且第一活动轴10和第二活动轴11之间活动连接，且第一活动轴10的端部和转接箱20活动连接，且第二活动轴11的端部和夹持组件12固定连接，第一光学提取设备9和转接箱20之间设有第三活动轴21，且第三活动轴21一端和转接箱20活动连接，且第三活动轴21的另一端和第一光学提取设备9固定连接。

在安装的过程中，通过自动化的控制方式可以大大增加生产制造的效率，并且配合程序可以保证生产的精度，对于精密制造工程中，本发明通过增加第一光学提取设备9和第二光学提取设备13，第一光学提取设备9跟随夹持组件12移动提取，第二光学提取设备13针对待安装位置的信息提取，第一光学提取设备9和第二光学提取设备13二者相互配合，可以保证特征点A、B、C、D的完全统一，实现初步的安装对应。

第二光学提取设备13的顶部设有滑动平台2，滑动平台2的底面嵌有转盘22，且转盘22和滑动平台2活动连接，转盘22的顶部设有电机1，且电机1固定在滑动平台2顶部，且电机1的输出轴端部和转盘22固定连接，转盘22的底面固定安装有第二驱动装置23。第二驱动装置23的底面轴接有第一驱动轴17，第一驱动轴17的底部设有第二驱动轴18，且第一驱动轴17和第二驱动轴18活动连接，第二驱动轴18的底部设有第三驱动轴19，且第三驱动轴19和第二驱动轴18活动连接，且第三驱动轴19和第二光学提取设备13固定连接。

转接箱20的端面设有第三机械手臂16，且第三机械手臂16和转接箱20固定连接，第三机械手臂16的端部设有第二机械手臂15，且第二机械手臂15和第三机械手臂16活动连接，第二机械手臂15的端部设有第一机械手臂14，且第一机械手臂14和第二机械手臂15活动连接，第一机械手臂14的端部设有第一驱动装置7，且第一驱动装置7和第一机械手臂14的端部活动连接，第一驱动装置7的底部固定安装有移动底盘6。

滑动平台2的底部设有支撑框架4，支撑框架4的顶面固定有两根滑轨3，且滑动平台2和滑轨3滑动连接，支撑框架4的底部设有底板5，且支撑框架4固定在底板5顶面，且移动底盘6和底板5表面活动连接。

本发明中的夹持组件12和第二光学提取设备13均采用六自由度机械手控制，六自由度机械臂有第一机械手臂14、第二机械手臂15、第三机械手臂16，夹持组件12之间的配合工作形成六个自由度，六自由度机械手控制程序首先控制在0到180°范围内来回扫描，当第一个光电传感器检查到物体传感器传回一个低电平时，减缓旋转速度，进行对物体的精确定位，当扫描到物体后，机械臂向前运动，等待测距传感器返回AD值比较匹配，此时即定位到物体具体位置，夹持组件12张开夹取物体，并放到指定位置，然后单片机软件复位，恢复到扫描状态，等待下一次检测，为了进一步提高机械手在复杂工作环境中抓取物体的准确度，采用光电传感器构建伺服跟踪控制系统进行抓取定位，所设计的控制系统能使得机械手运动轨迹平滑、稳定和精确，从而能确保机械手在危险、陌生的工作环境中正常工作，更能大大提高自动化生产线的生产效率，降低危险场所人身事故的发生。

实施例二：

参照图6-9，一种惯性位姿自调节矫正的光学信息特征提取设备，第一光学提取设备9和第二光学提取设备13的使用方法如下：

Sp1：建立三维空间，将夹持组件12、夹持物件、第一光学提取设备9和第二光学提取设备13均设定在同一三维空间中，夹持物件、第一光学提取设备9、第二光学提取设备13和待安装位置都是位于第一坐标系内部，可以确定彼此之间的位置关系，并且通过三维空间计算，确定位置坐标，第二坐标系主要针对夹持物件的特征点和待安装位置的特征点之间的自动矫正，A1、B1、C1、D1和A、B、C、D之间位置数据在第二坐标系中的差距可以判断夹持组件12和待安装位置之间的精密度，从而可以实现根据相差的数据来更改夹持物件的位置，通过自动化程序的修改和控制，实现高精度的安装；

Sp2：分别对夹持物件和待安装位置设定截面，建立第一坐标系，通过第一光学提取设备9对夹持物件进行特征点提取，并且记为A、B、C、D，再建立第二坐标系，对于第二光学提取设备13对待安装位置的特征点记为A1、B1、C1、D1；

Sp3：通过A、B、C、D和A1、B1、C1、D1之间的坐标，以相邻的特征点之间建立联系，并且确定相邻特征点的方向矢量，从而确定曲线位置的走向和对应曲率；

Sp4：通过第一光学提取设备9和第二光学提取设备13对夹持物件和待安装位置进行位置投影。夹持组件12中的夹持物件和第二光学提取设备13对应在同一平面上，第一光学提取设备9和夹持物件保持在同一水平面上。

将第一光学提取设备9、第二光学提取设备13和夹持物件放在同一坐标系中，即第一坐标系x1、y1、z1，在第一坐标系中，可以确定夹持物件特征点的位置参数，将夹持物件的未知参数通过数据分析，确定夹持物件特征点A、B、C、D的位置，再建立第二坐标系x2、y2、z2，夹持物件特征点A、B、C、D位于第二坐标系内部，同时第二光学提取设备13提取待安装位置的特征点参数A1、B1、C1、D1，A1、B1、C1、D1位于第一坐标系中，由于第二光学提取设备13可以进行三维控制的运动，因此对于待安装位置的信息提取只需要第二光学提取设备13，对于A1、B1、C1、D1的参数信息通过第二坐标系根据第一坐标系的位置关系，结合待安装位置特征点A1、B1、C1、D1的方向矢量和夹持物件特征点A、B、C、D各自方向矢量，可以计算出A1、B1、C1、D1和A、B、C、D之间的位置关系，再通过第一光学提取设备9和第二光学提取设备13的位置投影，判断出A1、B1、C1、D1和A、B、C、D之间的投影面是否重合，对于完全重合投影面就可以进行安装，在于A1、B1、C1、D1和A、B、C、D之间位置关系超过额定误差时，需要根据位置参数结合方向矢量更改A、B、C、D的位置。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个引用结构”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种惯性位姿自调节矫正的光学信息特征提取设备，包括安装设备（8），其特征在于：所述安装设备（8）包括第一光学提取设备（9）、第二光学提取设备（13）和夹持组件（12），所述夹持组件（12）和第一光学提取设备（9）的端部设有转接箱（20），所述转接箱（20）和夹持组件（12）之间设有第一活动轴（10）和第二活动轴（11），且第一活动轴（10）和第二活动轴（11）之间活动连接，且第一活动轴（10）的端部和转接箱（20）活动连接，且第二活动轴（11）的端部和夹持组件（12）固定连接，所述第一光学提取设备（9）和转接箱（20）之间设有第三活动轴（21），且第三活动轴（21）一端和转接箱（20）活动连接，且第三活动轴（21）的另一端和第一光学提取设备（9）固定连接，所述第二光学提取设备（13）的顶部设有滑动平台（2），所述滑动平台（2）的底面嵌有转盘（22），且转盘（22）和滑动平台（2）活动连接，所述转盘（22）的顶部设有电机（1），且电机（1）固定在滑动平台（2）顶部，且电机（1）的输出轴端部和转盘（22）固定连接，所述转盘（22）的底面固定安装有第二驱动装置（23），所述第二驱动装置（23）的底面轴接有第一驱动轴（17），所述第一驱动轴（17）的底部设有第二驱动轴（18），且第一驱动轴（17）和第二驱动轴（18）活动连接，所述第二驱动轴（18）的底部设有第三驱动轴（19），且第三驱动轴（19）和第二驱动轴（18）活动连接，且第三驱动轴（19）和第二光学提取设备（13）固定连接，所述转接箱（20）的端面设有第三机械手臂（16），且第三机械手臂（16）和转接箱（20）固定连接，所述第三机械手臂（16）的端部设有第二机械手臂（15），且第二机械手臂（15）和第三机械手臂（16）活动连接，所述第二机械手臂（15）的端部设有第一机械手臂（14），且第一机械手臂（14）和第二机械手臂（15）活动连接，所述第一机械手臂（14）的端部设有第一驱动装置（7），且第一驱动装置（7）和第一机械手臂（14）的端部活动连接，所述第一驱动装置（7）的底部固定安装有移动底盘（6）。

2.根据权利要求1所述的一种惯性位姿自调节矫正的光学信息特征提取设备，其特征在于：所述滑动平台（2）的底部设有支撑框架（4），所述支撑框架（4）的顶面固定有两根滑轨（3），且滑动平台（2）和滑轨（3）滑动连接，所述支撑框架（4）的底部设有底板（5），且支撑框架（4）固定在底板（5）顶面，且移动底盘（6）和底板（5）表面活动连接。

3.根据权利要求1所述一种惯性位姿自调节矫正的光学信息特征提取设备的使用方法，其特征在于：所述使用方法如下：

Sp1：建立三维空间，将夹持组件（12）、夹持物件、第一光学提取设备（9）和第二光学提取设备（13）均设定在同一三维空间中；

Sp2：分别对夹持物件和待安装位置设定截面，建立第一坐标系，通过第一光学提取设备（9）对夹持物件进行特征点提取，并且记为A、B、C、D，再建立第二坐标系，对于第二光学提取设备（13）对待安装位置的特征点记为A1、B1、C1、D1；

Sp3：通过A、B、C、D和A1、B1、C1、D1之间的坐标，以相邻的特征点之间建立联系，并且确定相邻特征点的方向矢量，从而确定曲线位置的走向和对应曲率；

Sp4：通过第一光学提取设备（9）和第二光学提取设备（13）对夹持物件和待安装位置进行位置投影。

4.根据权利要求3所述的一种惯性位姿自调节矫正的光学信息特征提取设备，其特征在于：所述夹持组件（12）中的夹持物件和第二光学提取设备（13）对应在同一平面上，所述第一光学提取设备（9）和夹持物件保持在同一水平面上。

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