CN114963894A - 全弹装配智能感知系统 - Google Patents

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CN114963894A CN202210602252.6A CN202210602252A CN114963894A CN 114963894 A CN114963894 A CN 114963894A CN 202210602252 A CN202210602252 A CN 202210602252A CN 114963894 A CN114963894 A CN 114963894A
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晋严尊
汤辉
赵英杰
闫华
赵亮
武飞
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Abstract

本发明公开了一种全弹装配智能感知系统，在装配空间内设置有抓取机器人、弹体舱段存放台、全弹存储台、弹体对接分解台，所述装配空间外圈设置有云台相机。本发明的特点是：自动化程度高，整个导弹的对接过程尽量减少了人为操作，保证对接的高度一致性，且省时省力，大幅节约了成本，大大提升了设计能力和生产效率。

Description

全弹装配智能感知系统
技术领域
本发明涉及智能装配相关技术领域，具体涉及一种全弹装配智能感知系统。
背景技术
在传统导弹装配过程中，导弹搬运和对接需要人力耗时、费力，容易出现错误的问题，而且在面向2025智能制造的大背景下，全球制造业都在向着柔性智能方向发展，因此，为了实现我国导弹装配生产线智能制造，需要一种全弹装配智能感知系统。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足问题，提供一种全弹装配智能感知系统。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：全弹装配智能感知系统，在装配空间内设置有抓取机器人、弹体舱段存放台、全弹存储台、弹体对接分解台，所述装配空间外圈设置有云台相机，所述抓取机器人安装在机器人平移基台上，所述弹体舱段存放台、全弹存储台、弹体对接分解台设置在抓取机器人周围且位于抓取机器人抓取范围内，所述弹体对接分解台包括对接平移基台、对接基准台、六自由度浮动平台、龙门检测装置，所述对接基准台、六自由度浮动平台、龙门检测装置安装在对接平移基台上，所述对接基准台、六自由度浮动平台安装有对应的弹体舱段，所述龙门检测装置沿弹体轴线方向平移，所述龙门检测装置包括三坐标测量仪、视觉系统，所述三坐标测量仪检测对接基准台、六自由度浮动平台上的各弹体舱段的位姿并通过六自由度浮动平台调整进行轴向对接，所述对接基准台上的弹体舱段与六自由度浮动平台的弹体舱段通过定位销、定位槽配合进行径向定位，所述定位槽开设在对应弹体舱段的表面，所述定位销安装在对应弹体舱段的内部，所述定位销对应的弹体舱段表面处安装有视觉辅助块，所述视觉系统采集视觉辅助块、定位槽的图像，并与模板匹配计算定位销、定位槽的位置，确定角度偏差。
所述三坐标测量仪的测量头在垂直导弹轴线的剖切面上进行测量，提取弹体舱段内径上至少四个点的三维坐标值以及用于弹体舱段前后圆心计算的点的坐标值，一个圆心由四个点拟合得到，从而计算出弹体舱段坐标系，通过坐标系拟合计算出六自由度浮动平台上弹体舱段坐标系在对接基准台上弹体舱段坐标系的位姿。
所述弹体舱段坐标系计算如下：首先测量前端面内壁上四个点m1,m2,m3,m4坐标值,通过拟合算法计算出圆心坐标O1，然后测量后端面内壁上的四个坐标点值n1,n2,n3,n4,通过拟合算法计算出圆形坐标O2，再次测量后端面上的四个点值p1,p2,p3,p4，通过p1,p2,p3,p4拟合出平面，通过点O1、点O2和平面P1P2P3P4计算出该弹体舱段的坐标系M1。
圆心拟合计算如下：
多点所在的平面方程表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
矩阵形式：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
根据最小二乘法计算出
Figure DEST_PATH_IMAGE010
由于圆上的点都在圆上，那么任意两点之间连线的中垂线必过圆心，取圆上两点
Figure DEST_PATH_IMAGE012
与
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，假设圆心为
Figure DEST_PATH_IMAGE016
记
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
所有的点在圆上，则
Figure DEST_PATH_IMAGE024
记
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
则
Figure DEST_PATH_IMAGE032
可得
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，记
Figure DEST_PATH_IMAGE036
，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
则圆心坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE040
六自由度浮动平台上弹体舱段坐标系与对接基准台上弹体舱段坐标系的位姿关系表达式：
Figure DEST_PATH_IMAGE042
。
所述模板匹配采用归一化相关系数法，公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE044
。
所述弹体舱段存放台包括部段存放车、过渡段存放车、模拟后弹体存放台。
所述对接基准台、六自由度浮动平台上均安装有环形接口，通过环形接口支撑对应的弹体舱段。
本发明的特点是：自动化程度高，整个导弹的对接过程尽量减少了人为操作，保证对接的高度一致性，且省时省力，大幅节约了成本，大大提升了设计能力和生产效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的三坐标测量仪处示意图。
图3是本发明的弹体舱段坐标系建立示意图。
图4是本发明的弹体舱段对接位姿计算示意图。
图5是本发明的定位销和定位槽处示意图。
图6是本发明的视觉辅助块和定位销处示意图。
图7是本发明的视觉系统识别控制角度偏差流程图。
图8是本发明的视觉系统在图像匹配时使用的图像金字塔示意图。
其中：1、防护围栏 2、抓取机器人 3、机器人平移基台 4、全弹存储台 5、部段存放车 6、过渡段存放车 7、模拟后弹体存放台 8、云台相机 9、对接平移基台 10、对接基准台11、六自由度浮动平台 12、龙门检测装置 13、环形接口 14、定位销 15、定位槽 16、视觉辅助块。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明为一种全弹装配智能感知系统，在围栏防护1围成的装配空间内设置有抓取机器人2、弹体舱段存放台、全弹存储台4、弹体对接分解台，所述装配空间外圈设置有云台相机8，所述云台相机8配有3D视觉相机传感器、光电传感器以协助抓取机器人2实现自动对产品类型信息进行采集、对不同产品进行分类识别、对产品摆放位置是否正确和有无产品进行识别。
所述抓取机器人2安装在机器人平移基台3上，所述抓取机器人2可在机器人平移基台3上平移并实现自动抓弹、放弹任务，所述弹体舱段存放台、全弹存储台4、弹体对接分解台设置在抓取机器人2周围且位于抓取机器人2抓取范围内，所述弹体舱段存放台分类存放各弹体舱段，包括部段存放车5、过渡段存放车6、模拟后弹体存放台7。
所述弹体对接分解台包括对接平移基台9、对接基准台10、六自由度浮动平台11、龙门检测装置12，所述对接基准台10、六自由度浮动平台11、龙门检测装置12安装在对接平移基台9上，所述对接基准台10、六自由度浮动平台11上均安装有环形接口13，通过环形接口13支撑对应的弹体舱段，所述龙门检测装置12可在对接平移基台9上沿弹体轴线方向平移，所述龙门检测装置12包括三坐标测量仪、视觉系统，所述三坐标测量仪检测对接基准台10、六自由度浮动平台11上的各弹体舱段的位姿并通过六自由度浮动平台11调整进行轴向对接。
如图3、4所示，所述三坐标测量仪的测量头在垂直导弹轴线的剖切面上进行测量，提取弹体舱段内径上四个点的三维坐标值以及用于弹体舱段前后圆心计算的点的坐标值，一个圆心由四个点拟合得到，即一个弹体舱段需要测量12个点坐标，从而计算出弹体舱段坐标系，所述弹体舱段坐标系计算如下：首先测量前端面内壁上四个点m1,m2,m3,m4坐标值,通过拟合算法计算出圆心坐标O1，然后测量后端面内壁上的四个坐标点值n1,n2,n3,n4,通过拟合算法计算出圆形坐标O2，再次测量后端面上的四个点值p1,p2,p3,p4，通过p1,p2,p3,p4拟合出平面，通过点O1、点O2和平面P1P2P3P4计算出该弹体舱段的坐标系M1。
圆心拟合计算如下：
多点所在的平面方程表示为：
Figure 217171DEST_PATH_IMAGE002
矩阵形式：
Figure 971500DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 974091DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 294214DEST_PATH_IMAGE008
根据最小二乘法计算出
Figure 740370DEST_PATH_IMAGE010
由于圆上的点都在圆上，那么任意两点之间连线的中垂线必过圆心，取圆上两点
Figure 513154DEST_PATH_IMAGE012
与
Figure 585015DEST_PATH_IMAGE014
，假设圆心为
Figure 228486DEST_PATH_IMAGE016
记
Figure 829232DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 607088DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 951482DEST_PATH_IMAGE022
所有的点在圆上，则
Figure DEST_PATH_IMAGE024A
记
Figure 793667DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure 96473DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 47111DEST_PATH_IMAGE030
则
Figure 460775DEST_PATH_IMAGE032
可得
Figure 344417DEST_PATH_IMAGE034
，记
Figure 332971DEST_PATH_IMAGE036
，
Figure 36485DEST_PATH_IMAGE038
则圆心坐标
Figure 457102DEST_PATH_IMAGE040
将多点三维坐标值作为导弹的测量输入参数，前后圆上的点分别拟合成前后圆心，然后通过后端面上四个点拟合平面，通过两个圆心和一个平面计算出弹体舱段的位姿，假设将导弹分成三段进行对接，则需要在每一个弹体舱段前后两个剖面上进行测量，每个弹体舱段需要测量的点数是12个点，那么要完成整个导弹的测量就需要测量24个点，
上述公式中字母含义：
a：平面方程x系数
b：平面方程y系数
c：平面方程z系数
x：测量点空间坐标系X轴坐标值；
y：测量点空间坐标系Y轴坐标值；
z：测量点空间坐标系Z轴坐标值；
xn：第n个测量点空间坐标系X轴坐标值；
yn：第n个测量点空间坐标系Y轴坐标值；
zn：第n个测量点空间坐标系Z轴坐标值；
n：测量点的个数；
n1：测量后端面内壁上第1个点代号；
n2：测量后端面内壁上第2个点代号；
n3：测量后端面内壁上第3个点代号；
n4：测量后端面内壁上第4个点代号；
m1：测量前端面内壁上第1个点代号；
m2：测量前端面内壁上第2个点代号；
m3：测量前端面内壁上第3个点代号；
m4：测量前端面内壁上第4个点代号；
p1：测量后端面上第1个点代号；
p2：测量后端面上第2个点代号；
P3：测量后端面上第3个点代号；
P4：测量后端面上第4个点代号；
P0：圆上圆心点代号；
x0:圆上圆心点X轴坐标值代号；
y0:圆上圆心点Y轴坐标值代号；
z0:圆上圆心点Z轴坐标值代号；
P1：圆上第1个点代号；
x1:圆上圆心点X轴坐标值代号；
y1:圆上圆心点Y轴坐标值代号；
z1:圆上圆心点Z轴坐标值代号；
P2：圆上第2个点代号；
x2:圆上圆心点X轴坐标值代号；
y2:圆上圆心点Y轴坐标值代号；
z2:圆上圆心点Z轴坐标值代号；
△x12：x2与x1的差值；
△y12：y2与y1的差值；
△z12：z2与z1的差值；
△x(n-1)n：xn与x(n-1)的差值；
△y(n-1)n：yn与y(n-1)的差值；
△z(n-1)n：zn与z(n-1)的差值；
A：平面方程系数矩阵代号；
B：平面方程未知数矩阵代号；
C：圆心坐标矩阵代号；
D：辅助计算代号；
M:平面方程未知数矩阵代号；
L1:常数项矩阵代号；
L2:常数项矩阵代号；
L3：辅助计算代号；
O1：测量前端面内壁上四个点计算出圆心点代号；
O2：测量后端面内壁上四个点计算出圆心点代号；
当对接基准台上的弹体舱段测量计算完成后，则开始测量六自由度浮动平台12上弹体舱段的坐标系，通过坐标系拟合计算出六自由度浮动平台12上弹体舱段坐标系在对接基准台11上弹体舱段坐标系的位姿，位姿关系表达式：
Figure DEST_PATH_IMAGE042A
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE046
表示坐标系1在工件坐标系下的位姿；
Figure DEST_PATH_IMAGE048
表示坐标系2在坐标系1下的位姿；
Figure DEST_PATH_IMAGE050
表示坐标系2在工件坐标系下的位姿；
位姿测量完成后，通过六自由度浮动平台带动其对应的弹体舱段进行姿态调整，使得各弹体舱段在同一轴线上，完成轴向对接。
如图5-7所示，所述对接基准台上111的弹体舱段与六自由度浮动平台12的弹体舱段通过定位销14、定位槽15配合进行径向定位固定，所述定位槽15开设在对应弹体舱段的表面，所述定位销14安装在对应弹体舱段的内部，由于定位销14位于其弹体舱段内部且其弹体表面部分容易被漆层覆盖，不便于视觉系统直接拍照识别，因此，所述定位销14对应的弹体舱段表面处安装有视觉辅助块16，通过视觉辅助块16将定位销14的位置引出，所述视觉系统的工业高分辨率相机采集视觉辅助块、定位槽的图像，经过图像处理和模板匹配准确计算出定位销14和定位槽15的位置，通过算法计算出两者的角度偏差，通过六自由度浮动平台12带动其对应弹体舱段旋转，保证对接端面的定位销14和定位槽15精准固定。
视觉系统在对图像进行特征点识别的时候，由于外界光线的变化，会导致识别率降低，因此，采用归一化相关系数法的模板匹配
Figure DEST_PATH_IMAGE044A
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE052
是模板平均灰度值，
Figure DEST_PATH_IMAGE054
是模板所有灰度值的方差，
Figure DEST_PATH_IMAGE056
是待测图像平均灰度值，
Figure DEST_PATH_IMAGE058
是待测图像所有灰度值的方差。
采用归一化相关系统匹配的优点是适合光照线性变化的情况、适合物体轻微变形的情况、适合边缘不清的、有纹理的或模糊的图像。
如图8所示，在图像匹配的过程中使用的是金字塔分层搜索策略：由高层到底层搜索；在高层图像搜索到的模板实例追踪到图像金字塔最底层；这个过程中需要将高层的匹配结果映射到金字塔下一层；也就是直接将找到的坐标乘以2；考虑到匹配位置的不确定性，在下一层搜索定位匹配结果的周围的一个小区域，然后在小区域进行匹配；一般情况下，金字塔层数太高，可能导致搜索不到目标，金字塔层数太低，又会耗费大量时间，所以在实际中根据实际情况，合理选用金字塔层数。
本发明使用时，由抓取机器人2进行搬运，操作人员根据产品工艺流程通过控制抓取机器人2的控制系统实现抓取机器人2的自动抓弹和放弹任务，然后操作人员根据产品工艺流程通过控制弹体对接分解台的控制系统实现拆弹和对弹任务，且通过云台相机8和3D视觉相机传感器、光电传感器协助抓取机器人2实现自动对产品类型信息进行采集，应用视觉处理软件结合视觉算法功能对产品特征点信息、位置信息进行分析，根据产品特征点不同对产品进行分类识别，同时对产品摆放位置是否正确和产品有无进行识别，对接好的导弹通过抓取机器人2放置到全弹存储台上，拆分后的各弹体舱段通过抓取机器人2放置到弹体舱段存放台中对应位置。
本发明在工业机器人技术、自动化装配、物流运输等环节应用了大量先进制造技术，实现了高度自动化，整个导弹的对接过程尽量减少了人为操作，保证对接的高度一致性，且省时省力，大幅节约了成本，大大提升了设计能力和生产效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.全弹装配智能感知系统，其特征在于：在装配空间内设置有抓取机器人、弹体舱段存放台、全弹存储台、弹体对接分解台，所述装配空间外圈设置有云台相机，所述抓取机器人安装在机器人平移基台上，所述弹体舱段存放台、全弹存储台、弹体对接分解台设置在抓取机器人周围且位于抓取机器人抓取范围内；
所述弹体对接分解台包括对接平移基台、对接基准台、六自由度浮动平台、龙门检测装置，
所述对接基准台、六自由度浮动平台、龙门检测装置安装在对接平移基台上，所述对接基准台、六自由度浮动平台安装有对应的弹体舱段，所述龙门检测装置沿弹体轴线方向平移，所述龙门检测装置包括三坐标测量仪、视觉系统；
所述三坐标测量仪检测对接基准台、六自由度浮动平台上的各弹体舱段的位姿并通过六自由度浮动平台调整进行轴向对接；
所述对接基准台上的弹体舱段与六自由度浮动平台的弹体舱段通过定位销、定位槽配合进行径向定位，所述定位槽开设在对应弹体舱段的表面，所述定位销安装在对应弹体舱段的内部，所述定位销对应的弹体舱段表面处安装有视觉辅助块，所述视觉系统采集视觉辅助块、定位槽的图像，并与模板匹配计算定位销、定位槽的位置，确定角度偏差。
2.如权利要求1所述的全弹装配智能感知系统，其特征在于：所述三坐标测量仪的测量头在垂直导弹轴线的剖切面上进行测量，提取弹体舱段内径上至少四个点的三维坐标值以及用于弹体舱段前后圆心计算的点的坐标值，一个圆心由四个点拟合得到，从而计算出弹体舱段坐标系，通过坐标系拟合计算出六自由度浮动平台上弹体舱段坐标系在对接基准台上弹体舱段坐标系的位姿。
3.如权利要求2所述的全弹装配智能感知系统，其特征在于：弹体舱段坐标系计算如下：首先测量前端面内壁上四个点m1,m2,m3,m4坐标值,通过拟合算法计算出圆心坐标O1，然后测量后端面内壁上的四个坐标点值n1,n2,n3,n4,通过拟合算法计算出圆形坐标O2，再次测量后端面上的四个点值p1,p2,p3,p4，通过p1,p2,p3,p4拟合出平面，通过点O1、点O2和平面P1P2P3P4计算出该弹体舱段的坐标系M1。
4.圆心拟合计算如下：
多点所在的平面方程表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
矩阵形式：
Figure 685940DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 923454DEST_PATH_IMAGE004
根据最小二乘法计算出
Figure DEST_PATH_IMAGE005
由于圆上的点都在圆上，那么任意两点之间连线的中垂线必过圆心，取圆上两点
Figure 421300DEST_PATH_IMAGE006
与
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，假设圆心为
Figure 409985DEST_PATH_IMAGE008
记
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 568565DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
所有的点在圆上，则
Figure DEST_PATH_IMAGE013
记
Figure 767858DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 910258DEST_PATH_IMAGE016
则
Figure DEST_PATH_IMAGE017
可得
Figure 483059DEST_PATH_IMAGE018
，记
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 496146DEST_PATH_IMAGE020
则圆心坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE021
六自由度浮动平台上弹体舱段坐标系与对接基准台上弹体舱段坐标系的位姿关系表达式：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
。
5.如权利要求1所述的全弹装配智能感知系统，其特征在于：所述模板匹配采用归一化相关系数法，公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
如权利要求1所述的全弹装配智能感知系统，其特征在于：所述弹体舱段存放台包括部段存放车、过渡段存放车、模拟后弹体存放台。
6.如权利要求1所述的全弹装配智能感知系统，其特征在于：所述对接基准台、六自由度浮动平台上均安装有环形接口，通过环形接口支撑对应的弹体舱段。
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