CN114833872B - 一种基于图像识别作为引导信息的机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械臂技术领域，具体为一种基于图像识别作为引导信息的机械臂，包括电控机械臂，还包括设置在电控机械臂输出末端的中空且两端开口的安装筒；所述电控机械臂输出末端设置有舵机，所述安装筒与舵机的输出轴连接，通过舵机对安装筒角度调整；所述安装筒的侧壁设置有图像识别模块和距离传感器；所述图像识别模块的下侧检测端和距离传感器的下侧检测端与安装筒的下表面平齐。通过图像识别模块和距离传感器的设置，能够同时对目标物件的位置和距离电控机械臂输出末端的高度做出一个测量，能够获取目标物件与电控机械臂输出末端的高度值和具体位置值，作为调控电控机械臂输出末端的依据值。

Description

一种基于图像识别作为引导信息的机械臂

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，具体为一种基于图像识别作为引导信息的机械臂。

背景技术

机械臂是指高精度，多输入多输出、高度非线性、强耦合的复杂系统。因其独特的操作灵活性，已在工业装配、安全防爆等领域得到广泛应用。

机械臂是一个复杂系统，存在着参数摄动、外界干扰及未建模动态等不确定性。因而机械臂的建模模型也存在着不确定性，对于不同的任务，需要规划机械臂关节空间的运动轨迹，从而级联构成末端位姿。

图像识别，是指利用计算机对图像进行处理、分析和理解，以识别各种不同模式的目标和对象的技术，是应用深度学习算法的一种实践应用。

目前对于机械臂的使用越来越广泛，机械臂使用时，机械臂驱动操作工具对物件取放或作出相应操作，随着图像识别技术的发展，将其结合到机械臂上的使用越来越多，但是目前图像识别与机械臂的配合不够深入，机械臂通常能获取目标物件的大致方向，存在误差，这样对物件取放或操作时，容易造成物件磨损，或者导致无法进行相应动作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于图像识别作为引导信息的机械臂，以解决上述背景技术中提出的目前图像识别与机械臂的配合不够深入，机械臂通常能获取目标物件的大致方向，这样对物件取放或操作时，容易造成物件磨损，或者导致无法进行相应动作的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于图像识别作为引导信息的机械臂，包括电控机械臂，还包括设置在电控机械臂输出末端的中空且两端开口的安装筒；

所述电控机械臂输出末端设置有舵机，所述安装筒与舵机的输出轴连接，通过舵机对安装筒角度调整；

所述安装筒的侧壁设置有图像识别模块和距离传感器；

所述图像识别模块的下侧检测端和距离传感器的下侧检测端与安装筒的下表面平齐；

所述安装筒的内部下侧设置有横向的支撑板，所述支撑板的中部纵向滑动安装有滑杆，所述安装筒的内部上侧纵向安装有伸缩机构，所述伸缩机构的伸缩端与滑杆顶端同轴固定连接；

在所述滑杆的底端连接有安装座，所述安装座内下侧安装有操作工具；

所述安装筒的底端后侧设置有光电位置检测传感器，所述安装座的后侧壁上设置有与光电位置检测传感器位置对应的遮挡板，所述光电位置检测传感器与图像识别模块的下侧检测端平齐；

所述图像识别模块、距离传感器、光电位置检测传感器的输出端与PLC控制器连接，所述PLC控制器与伸缩机构、电控机械臂、舵机电性连接；

通过图像识别模块对目标物识别定位，通过距离传感器测量与目标物的竖直距离，作为通过电控机械臂、伸缩机构调控操作工具的依据，所述安装座的轴线与图像识别模块、距离传感器之间为固定距离；

所述操作工具包括上座，所述上座的左右侧壁均设置有弹性伸缩块，所述弹性伸缩块上表面为倾斜状、下表面为水平状，所述安装座的内部左右下侧均可拆卸连接有下表面倾斜、上表面水平的限位支撑块，所述弹性伸缩块的上表面与同侧限位支撑块的下表面平行，所述安装座的顶部纵向设置有支柱，所述上座开设有与支柱形状、尺寸适配的滑槽，所述支柱为多棱柱或椭圆柱，所述上座的底端设置有工具件；

所述上座的左右侧壁均开设有伸缩槽，所述弹性伸缩块滑动连接在伸缩槽内，且弹性伸缩块与伸缩槽内壁通过弹性件连接；

所述安装座的内部两侧上端均连接有支撑弹簧，所述支撑弹簧的底端连接有活动支撑块，所述活动支撑块的上表面设置为倾斜状、下表面设置为水平状，且活动支撑块的上表面与同侧的限位支撑块的下表面相对称。

进一步地，所述安装筒的上端设置有对安装筒上端开口封闭的顶盖。

进一步地，所述伸缩机构为气缸，所述安装筒的侧壁上开设有两个安装槽，两个安装槽上均设置有导管，下侧的所述导管贯穿支撑板并延伸至支撑板的下侧。

进一步地，所述支撑板的下表面设置有行程开关，所述行程开关与安装座的位置相对应。

进一步地，所述安装座的内部两侧均设置有滑轨，所述活动支撑块滑动卡接在滑轨上，且滑轨的上部设置有定位挡块。

进一步地，所述工具件的横向操作范围在图像识别模块和距离传感器之间。

进一步地，所述图像识别模块为线扫描工业相机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）通过图像识别模块和距离传感器的设置，能够同时对目标物件的位置和距离电控机械臂输出末端的高度做出一个测量，能够获取目标物件与电控机械臂输出末端的高度值和具体位置值，作为调控电控机械臂输出末端的依据；

2）安装座的轴线与图像识别模块、距离传感器之间为固定距离，当图像识别模块获取目标物件的具体位置后，调节电控机械臂输出末端，并以安装座的轴线与图像识别模块之间距离作为补偿值对电控机械臂输出末端进一步调整，使得电控机械臂输出末端与目标物件准确对应，由于操作工具的纵向高度为事先获取的已知值，在距离传感器测量目标物件与距离传感器底端（即电控机械臂输出末端底部）的距离值后，通过该距离值减去操作工具的纵向高度，即为需要对操作工具实际降低来对目标物件加工操作的高度；

3）通过光电位置检测传感器的设置，对安装座的位置检测，当安装座后侧的遮挡板对光电位置检测传感器遮挡时，视为此时安装座位于安装筒内，当安装座后侧的遮挡板不对光电位置检测传感器遮挡时，视为安装座及下侧的操作工具已经下降，作为控制伸缩机构伸长量的控制依据。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明安装筒的内部结构示意图；

图3为本发明安装座、遮挡板的右侧视图；

图4为本发明安装座的内部结构示意图；

图5为本发明拆卸时对操作工具向安装座内上推的结构示意图；

图6为本发明拆卸时对弹性伸缩块压在活动支撑块上的结构示意图；

图7为本发明拆卸时弹性伸缩块受压收缩结构示意图；

图8为本发明使用时的结构示意图；

图9为本发明电控系统的逻辑框图。

图中：1电控机械臂、2舵机、3安装筒、4图像识别模块、5距离传感器、6顶盖、7支撑板、8滑杆、9伸缩机构、10安装座、11导管、12行程开关、13光电位置检测传感器、14遮挡板、15操作工具、151上座、152弹性伸缩块、153工具件、16限位支撑块、17活动支撑块、18支撑弹簧、19支柱。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例：

请参阅图1-9，本发明提供一种技术方案：一种基于图像识别作为引导信息的机械臂，包括电控机械臂1，还包括设置在电控机械臂1输出末端的中空且两端开口的安装筒3；如图1所示，电控机械臂1为多自由度机械臂，左下侧能够驱动旋转，能够通过收缩右上侧的臂对安装筒3进行拉近或推远驱动，且电控机械臂1上述运动也是采用舵机驱动，该舵机设置有对输出轴自锁的结构（现有技术，此处不做赘述），调节后，不易自行转动角度。

所述电控机械臂1输出末端设置有舵机2，所述安装筒3与舵机2的输出轴连接，通过舵机2对安装筒3角度调整；舵机2与安装筒3之间通过减速器连接，使得舵机2最终输出的转速降低、扭矩增加，能够保障对安装筒3的稳定驱动。

所述安装筒3的侧壁设置有图像识别模块4和距离传感器5；图像识别模块4和距离传感器5能够随着安装筒3的移动，对目标物件位置识别和目标物件距离距离传感器5的高度采集，通常工作情况为：目标物件设置有多个并有序排布在载料盘上，在电控机械臂1的驱动下，安装筒3在载料盘上侧平稳移动，图像识别模块4能够通过扫描载料盘上目标物件的形状识别各个目标物件的具体位置，通过距离传感器5测量与目标物件的距离，经过一次的扫描，各个目标物件的位置和距离已经记录存储，对电控机械臂1具体输出移动方式，即可将各个目标物件依次取放或操作，当目标物件不同或者目标物件的厚度等参数不同，每次对目标物件取放或加工操作，则每次需要图像识别模块4扫描一次，距离传感器5测量一次。

所述图像识别模块4的下侧检测端和距离传感器5的下侧检测端与安装筒3的下表面平齐；图像识别模块4的下侧检测端与安装筒3的下表面平齐，当操作工具15工作时，直接向下推，不会对图像识别模块4造成磨损，距离传感器5的下侧检测端与安装筒3的下表面平齐，测量下侧检测端与目标物件之间的距离即为安装筒3的下表面与目标物件之间的距离，由于后文叙述的光电位置检测传感器13位于安装筒3的内部底端，在不使用操作工具15时，安装座10位于安装筒3的内部底端，使得测量结果准确，方便找准相应的参考物。

所述安装筒3的内部下侧设置有横向的支撑板7，所述支撑板7的中部纵向滑动安装有滑杆8，所述安装筒3的内部上侧纵向安装有伸缩机构9，所述伸缩机构9的伸缩端与滑杆8顶端同轴固定连接；伸缩机构9采用液压缸或者气缸，同轴的连接关系，使得伸缩机构9驱动滑杆8轴向移动时，不会对滑杆8造成磨损，使用时，支撑板7处嵌入直线轴承，滑杆8同轴插入在直线轴承内，在直线轴承内加注润滑油，使得滑杆8接触位置磨损进一步减小。

在所述滑杆8的底端连接有安装座10，所述安装座10内下侧安装有操作工具15；根据使用的情况，操作工具15为夹具、吸盘等工具，且每种工具的尺寸为标准值，后续在更换操作工具15时，方便对更换后的操作工具15与目标物件之间的距离换算。

所述安装筒3的底端后侧设置有光电位置检测传感器13，所述安装座10的后侧壁上设置有与光电位置检测传感器13位置对应的遮挡板14，所述光电位置检测传感器13与图像识别模块4的下侧检测端平齐；光电位置检测传感器13为光电开关，包括接收端和发射端，发射端向接收端发出光束，利用遮挡板14对光束的遮挡，由同步回路接通电路，从而检测遮挡板14的有无。遮挡板14不限于金属，能对光线有遮挡作用的物体均可以被检测。光电开关将输入电流在发射端上转换为光信号射出，接收端再根据接收到的光线的强弱或有无对遮挡板14进行探测。当检测到遮挡板14在光电开关的发射端和接收端之间时，此时认为安装座10在安装筒3内部底端，因此，位于安装筒3下部只有操作工具15，由于操作工具15的尺寸为标准值，则操作工具15底端距离目标物件的实际距离为距离传感器5测量到目标物件与距离传感器5底端竖直距离减去该操作工具15的纵向长度值。

如图9所示，所述图像识别模块4、距离传感器5、光电位置检测传感器13的输出端与PLC控制器连接，所述PLC控制器与伸缩机构9、电控机械臂1、舵机2电性连接；图像识别模块4采集图像并能识别图像，其内部设定对目标物件的机器学习模型（采用现有技术，此处不做赘述），识别相应的目标物件，距离传感器5测量距离值，识别结果数据和测量的距离值输出至PLC控制器，由PLC控制器设定电控机械臂1、舵机2、伸缩机构9的工作方式，对操作工具15驱动，操作工具15采用单独的控制端，伸缩机构9的油路或气路从上侧的导管11与伸缩机构9建立连接，操作工具15也采用液压油或高压气体驱动，则油路或气路从下侧的导管11与操作工具15建立连接。

距离传感器5采用optoNCDT14xx微型激光三角反射式传感器系列。

光电位置检测传感器13采用欧姆龙光电开关EE-SX670型号的传感器。

PLC控制器采用西门子S7-200系列的控制器。

通过图像识别模块4对目标物识别定位，通过距离传感器5测量与目标物件的竖直距离，作为通过电控机械臂1、伸缩机构9调控操作工具15的依据，所述安装座10的轴线与图像识别模块4、距离传感器5之间为固定距离。当图像识别模块4检测到目标物件在位置一时，此时图像识别模块4与位置一之间距离L已经得到，将操作工具15相应移动距离L，并补偿操作工具15与图像识别模块4之间固定距离，对操作工具15再次移动该固定距离值，使得操作工具15与目标物件正对（根据目标物件的具体位置，可以预先计算好需要移动的值，则在移动时不需要停顿）。

优选的，所述安装筒3的上端设置有对安装筒3上端开口封闭的顶盖6。安装筒3为中空上下开口状，方便内部部件的安装，通过顶盖6的设置，对安装筒3上侧开口封闭，起到防尘作用。

优选的，所述伸缩机构9为气缸，所述安装筒3的侧壁上开设有两个安装槽，两个安装槽上均设置有导管11，下侧的所述导管11贯穿支撑板7并延伸至支撑板7的下侧。该导管11用于穿过气路管道、油路管道。

优选的，所述支撑板7的下表面设置有行程开关12，所述行程开关12与安装座10的位置相对应。通过行程开关12的设置，对安装座10的上行位置限定。

优选的，所述操作工具15包括上座151，所述上座151的左右侧壁均设置有弹性伸缩块152，所述弹性伸缩块152上表面为倾斜状、下表面为水平状，所述安装座10的内部左右下侧均可拆卸连接有下表面倾斜、上表面水平的限位支撑块16，所述弹性伸缩块152的上表面与同侧限位支撑块16的下表面平行，所述安装座10的顶部纵向设置有支柱19，所述上座151开设有与支柱19形状、尺寸适配的滑槽，所述支柱19为多棱柱或椭圆柱，所述上座151的底端设置有工具件153。

优选的，所述上座151的左右侧壁均开设有伸缩槽，所述弹性伸缩块152滑动连接在伸缩槽内，且弹性伸缩块152与伸缩槽内壁通过弹性件连接。

优选的，所述安装座10的内部两侧上端均连接有支撑弹簧18，所述支撑弹簧18的底端连接有活动支撑块17，所述活动支撑块17的上表面设置为倾斜状、下表面设置为水平状，且活动支撑块17的上表面与同侧的限位支撑块16的下表面相对称。

优选的，所述安装座10的内部两侧均设置有滑轨，所述活动支撑块17滑动卡接在滑轨上，且滑轨的上部设置有定位挡块。通过滑轨与活动支撑块17的配合作用，使得活动支撑块17移动较为平稳，通过定位挡块的设定，避免活动支撑块17上升位置过高，给弹性伸缩块152上升留有足够空间。

优选的，所述工具件153的横向操作范围在图像识别模块4和距离传感器5之间。

优选的，所述图像识别模块4为线扫描工业相机。线扫描工业相机如采用海伯森技术品牌，型号为HPS4K的线扫描工业相机，分辨率为3.2μm*3.2μm。

工作原理：使用时，电控机械臂1和舵机2对安装筒3驱动，使得图像识别模块4、距离传感器5能够在装有目标物件的载料盘上移动一次，图像识别模块4对载料盘扫描，根据目标物件的形状对载料盘上的目标物件识别，获取目标物件的位置，距离传感器5测量目标物件与距离传感器5底端的距离值，位置和距离获取后，传输至PLC控制器，PLC控制器通过对电控机械臂1、舵机2和伸缩机构9的驱动，使得操作工具15移动至目标物件的上方，光电位置检测传感器13与遮挡板14正对，通过伸缩机构9对操作工具15驱动开始下行，同时遮挡板14离开光电位置检测传感器13位置，并计量操作工具15的下降长度，使得操作工具15与目标物件接触并做相应处理或取放。

对于操作工具15的更换：

安装时，将上座151上推，使得上座151内的滑槽对应与支柱19连接，并推动上座151上推，当弹性伸缩块152接触限位支撑块16时，弹性伸缩块152被向上座151内推动，使得弹性伸缩块152缩入上座151的伸缩槽内，直至上座151位于限位支撑块16上侧，弹性伸缩块152弹出，此时活动支撑块17在限位支撑块16的弹力作用下压在上座151上，使得上座151不易晃动。

拆卸时，如图5所示，将上座151继续上推，使得弹性伸缩块152与活动支撑块17接触，受到弹性伸缩块152的作用力，活动支撑块17有上升趋势，但是受到滑轨上的定位挡块阻挡作用，使得活动支撑块17不能上升，弹性伸缩块152缩入上座151的伸缩槽内，直至上座151位于活动支撑块17上部，弹性伸缩块152弹出；

如图6所示，将工具件153下拉，使得上座151下移，上座151通过弹性伸缩块152对活动支撑块17下压，直至活动支撑块17与限位支撑块16接触；

如图7所示，上座151继续下降，弹性伸缩块152被活动支撑块17和限位支撑块16压住缩入上座151的伸缩槽内，此时在支撑弹簧18的弹力作用下活动支撑块17上升，上座151逐渐脱离安装座10，实现脱离。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

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 (7)

1.一种基于图像识别作为引导信息的机械臂，包括电控机械臂（1），其特征在于，还包括：

设置在电控机械臂（1）输出末端的中空且两端开口的安装筒（3）；

所述电控机械臂（1）输出末端设置有舵机（2），所述安装筒（3）与舵机（2）的输出轴连接，通过舵机（2）对安装筒（3）角度调整；

所述安装筒（3）的侧壁设置有图像识别模块（4）和距离传感器（5）；

所述图像识别模块（4）的下侧检测端和距离传感器（5）的下侧检测端与安装筒（3）的下表面平齐；

所述安装筒（3）的内部下侧设置有横向的支撑板（7），所述支撑板（7）的中部纵向滑动安装有滑杆（8），所述安装筒（3）的内部上侧纵向安装有伸缩机构（9），所述伸缩机构（9）的伸缩端与滑杆（8）顶端同轴固定连接；

在所述滑杆（8）的底端连接有安装座（10），所述安装座（10）内下侧安装有操作工具（15）；

所述安装筒（3）的底端后侧设置有光电位置检测传感器（13），所述安装座（10）的后侧壁上设置有与光电位置检测传感器（13）位置对应的遮挡板（14），所述光电位置检测传感器（13）与图像识别模块（4）的下侧检测端平齐；

所述图像识别模块（4）、距离传感器（5）、光电位置检测传感器（13）的输出端与PLC控制器连接，所述PLC控制器与伸缩机构（9）、电控机械臂（1）、舵机（2）电性连接；

通过图像识别模块（4）对目标物识别定位，通过距离传感器（5）测量与目标物的竖直距离，作为通过电控机械臂（1）、伸缩机构（9）调控操作工具（15）的依据，所述安装座（10）的轴线与图像识别模块（4）、距离传感器（5）之间为固定距离；

所述操作工具（15）包括上座（151），所述上座（151）的左右侧壁均设置有弹性伸缩块（152），所述弹性伸缩块（152）上表面为倾斜状、下表面为水平状，所述安装座（10）的内部左右下侧均可拆卸连接有下表面倾斜、上表面水平的限位支撑块（16），所述弹性伸缩块（152）的上表面与同侧限位支撑块（16）的下表面平行，所述安装座（10）的顶部纵向设置有支柱（19），所述上座（151）开设有与支柱（19）形状、尺寸适配的滑槽，所述支柱（19）为多棱柱或椭圆柱，所述上座（151）的底端设置有工具件（153）；

所述上座（151）的左右侧壁均开设有伸缩槽，所述弹性伸缩块（152）滑动连接在伸缩槽内，且弹性伸缩块（152）与伸缩槽内壁通过弹性件连接；

所述安装座（10）的内部两侧上端均连接有支撑弹簧（18），所述支撑弹簧（18）的底端连接有活动支撑块（17），所述活动支撑块（17）的上表面设置为倾斜状、下表面设置为水平状，且活动支撑块（17）的上表面与同侧的限位支撑块（16）的下表面相对称。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像识别作为引导信息的机械臂，其特征在于：所述安装筒（3）的上端设置有对安装筒（3）上端开口封闭的顶盖（6）。

3.根据权利要求1所述的一种基于图像识别作为引导信息的机械臂，其特征在于：所述伸缩机构（9）为气缸，所述安装筒（3）的侧壁上开设有两个安装槽，两个安装槽上均设置有导管（11），下侧的所述导管（11）贯穿支撑板（7）并延伸至支撑板（7）的下侧。

4.根据权利要求1所述的一种基于图像识别作为引导信息的机械臂，其特征在于：所述支撑板（7）的下表面设置有行程开关（12），所述行程开关（12）与安装座（10）的位置相对应。

5.根据权利要求1所述的一种基于图像识别作为引导信息的机械臂，其特征在于：所述安装座（10）的内部两侧均设置有滑轨，所述活动支撑块（17）滑动卡接在滑轨上，且滑轨的上部设置有定位挡块。

6.根据权利要求1所述的一种基于图像识别作为引导信息的机械臂，其特征在于：所述工具件（153）的横向操作范围在图像识别模块（4）和距离传感器（5）之间。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种基于图像识别作为引导信息的机械臂，其特征在于：所述图像识别模块（4）为线扫描工业相机。

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