CN115229803B - 基于视觉识别的集成化机械臂末端执行件及其操控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于视觉识别的集成化机械臂末端执行件及其操控方法，机械臂末端执行件包括中空圆柱工件、带孔工件、视觉相机、触压执行件、旋转执行件和拨动执行件及其位置布局关系；机械臂末端执行件的操控方法包括记录预设空间坐标、前后拍摄的图像对比是否重合、若重合则进行动作操控。将多个的单一执行件集成为一个整体，并对多个执行件进行位置布局设计，可以完成对液晶面板、电子按钮、手车旋孔、柜门锁具等操控对象的动作操控，避免了执行不同操控任务时需要更换执行件的弊端，同时避免多个单一执行件堆积在机械臂上的不同位置上，减少了机械臂的控制难度，再配合视觉相机，为机械臂操控提供了精确的定位功能。

Description

基于视觉识别的集成化机械臂末端执行件及其操控方法

技术领域

本申请涉及机械臂技术领域，特别涉及一种基于视觉识别的集成化机械臂末端执行件和一种基于集成化机械臂末端执行件的操控方法。

背景技术

目前的电力操控机器人的机械臂末端执行件属于单一功能型，根据操控用途区分为液晶面板的触控型、电子按钮的按压型、开关手车的旋转型、硬压板的夹爪型等执行件，这些执行件通常只执行单一的操控工作，在工作任务变更时，需要更换执行件。由于电力变电站、开关站长期处于无人化运行状态，加上设备种类众多，在突发故障时，无法通过更换执行件来满足大多数操控工作的需求。目前，一般是将多件单一执行件都安装在机械臂的不同位置上，造成机械臂非常臃肿，且大量的IO接口增加了控制的难度，或者将不同的执行件安装在不同的机械臂上，多个机械臂进行协作操控，但这又增加了多个机械臂的控制难度；另一种做法是将多件单一执行件做成转盘式，通过转盘转动进行执行件切换，这种执行件设计由于转盘转动存在误差，无法保证对液晶面板等微小操作部位的精确触控，也存在转盘上其他执行件误碰运行设备的风险。

因此，急需发明一种集触压、旋转、拨动等操控动作于一体的集成化机械臂末端执行件。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

鉴于以上技术问题中的至少一项，本申请提供一种基于视觉识别的集成化机械臂末端执行件和一种基于集成化机械臂末端执行件的操控方法。

根据本申请的一个方面，提供一种基于视觉识别的集成化机械臂末端执行件，包括中空圆柱工件，中空圆柱工件的顶端连接有带孔工件，带孔工件上连接有视觉相机、触压执行件、旋转执行件和拨动执行件，以视觉相机的位置为三维坐标系

的原点，触压执行件的触压头处于三维坐标系

的

平面上，旋转执行件的旋转头处于三维坐标系

的

平面上，触压执行件和旋转执行件分布设置在视觉相机的两侧，拨动执行件的拨动头处于三维坐标系

的

平面上。

在一种实现方式中，触压执行件包括第一支撑板，第一支撑板设置为C字型，第一支撑板的底端固定设置在带孔工件上，第一支撑板的顶部倾斜设置触压杆，触压杆包括触压头，触压头由橡胶或聚氨酯材料制成。

在一种实现方式中，触压杆包括外套杆，外套杆贯穿设置套接通槽，套接通槽包括自下而上依次设置的第一套槽和第二套槽，第一套槽和第二套槽两者相接的位置形成阶台，外套杆通过套接通槽套接配合有内套杆，内套杆的中部偏上位置设置有抵接侧边，第二套槽内设置有弹簧，弹簧与内套杆相套接，阶台与弹簧的一端相抵接，弹簧的另一端与抵接侧边的一侧相抵接，抵接侧边的另一侧抵接配合连接环块，连接环块与外套杆固定连接，内套杆贯穿连接环块，连接环块通过螺栓固定设置在第一支撑板的顶部，触压头设置在内套杆的顶端。

在一种实现方式中，第一套槽的口径小于第二套槽的口径，内套杆的外径与第一套槽的外径相适配，抵接侧边的外径与第二套槽的口径相适配。

在一种实现方式中，旋转执行件包括第二支撑板，第二支撑板设置为Z字型，第二支撑板的底端固定设置在带孔工件上，第二支撑板的顶部倾斜设置旋转件，旋转件包括旋转驱动电机、减速机和旋转头，旋转驱动电机的电机轴与减速机的输入轴相连接，减速机的输出轴与旋转头相连接，旋转驱动电机的壳体和减速机的壳体相连接，减速机的壳体固定设置在第二支撑板上，旋转头设置为四方锁钥匙头，在四方锁钥匙头内设置有力传感器。

在一种实现方式中，减速机的输出轴穿过轴承座与旋转头相连接，轴承座固定设置在第二支撑板上。

在一种实现方式中，拨动执行件包括C型杆，C型杆顶端设置为拨动头。

在一种实现方式中，中空圆柱工件的底端设置有机械臂安装接口。

一种基于上述的集成化机械臂末端执行件的操控方法，包括以下步骤：

S1.在调试时，人工调试机械臂，使得机械臂末端执行件完全对准操控对象；

S2.记录下步骤S1中机械臂末端执行件相对于三维坐标系

的预设空间坐标，其中，三维坐标系

的原点为机械臂运动的初始端；

S3.视觉相机拍摄下第一图像存储至中控系统内；

S4.在操控时，机械臂运动到预设空间坐标所在位置，由视觉相机拍摄下第二图像，将第二图像和第一图像进行识别对比；

S5.判断第一图像和第二图像是否完全重合，若完全重合，机械壁末端执行件对操控对象进行操控，若不重合，机械臂进行位置微调，视觉相机重新拍摄图像并与第一图像进行识别对比，直至完全重合。

在一种实现方式中，步骤S4中，在机械臂运动到预设空间坐标所在位置中，进行运动轨迹的处理，中控系统将相对于三维坐标系

的预设空间坐标转化为相对于三维坐标系

的预设空间坐标，运动轨迹为：机械臂末端执行件的实时位置—预设空间坐标所在的位置。

相较于现有技术，本申请具有如下有益效果：

本申请将多个的单一执行件集成为一个整体，并对多个执行件进行位置布局设计，可以完成对液晶面板、电子按钮、手车旋孔、柜门锁具等操控对象的动作操控，避免了执行不同操控任务时需要更换执行件的弊端，同时避免多个单一执行件堆积在机械臂上的不同位置上，减少了机械臂的控制难度，再配合视觉相机，为机械臂操控提供了精确的定位功能。

下面结合附图与实施例，对本申请进一步说明。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请的立体结构示意图；

图2是本申请的主视结构示意图；

图3是本申请中触压杆的简化结构示意图；

图4是本申请的左视结构示意图；

图5是本申请的俯视结构示意图；

图6是本申请安装上外壳体后的立体结构示意图；

图7是本申请的操控方法流程图。

附图标记：1、中空圆柱工件；2、带孔工件；3、视觉相机；4、触压执行件；401、第一支撑板；402、触压杆；402a、触压头；402b、外套杆；402c、第一套槽；402d、第二套槽；402e、阶台；402f、内套杆；402g、抵接侧边；402h、弹簧；402i、连接环块；5、旋转执行件；501、第二支撑板；502、旋转驱动电机；503、减速机；504、旋转头；505、轴承座；6、拨动执行件；601、拨动头；7、机械臂安装接口；8、外壳体。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

在本申请的一个实施例中，如图1~6所示，提供一种基于视觉识别的集成化机械臂末端执行件，包括中空圆柱工件1，中空圆柱工件1的内部为中空且其底部和顶部是相连通的；中空圆柱工件1的底端设置有机械臂安装接口7，可以通过机械臂安装接口7将机械臂末端执行件安装在机械臂上；中空圆柱工件1的顶端连接有带孔工件2，带孔工件2是一块具有标准尺寸的板块，在板块上开设有多个连接孔，这些连接孔的位置都是预先设置好的，位置信息均存储在中控系统中，其中连接孔选用螺纹通孔最佳；在带孔工件2上连接有视觉相机3、触压执行件4、旋转执行件5和拨动执行件6，以上的视觉相机3、触压执行件4、旋转执行件5和拨动执行件6均是安装在预先设置好的连接孔位置，因此，视觉相机3、触压执行件4、旋转执行件5和拨动执行件6的安装位置均是可知的，是被记录在中控系统内。

上述的视觉相机3、触压执行件4、旋转执行件5和拨动执行件6各自的位置是进行布局设计的，是可以简化机械臂末端执行件运动轨迹的计算，具体地，视觉相机3安装在机械臂末端执行件的中心位置，即视觉相机3处于中空圆柱工件1顶端的正上方，视觉相机3的连接线可以通过中空圆柱工件1的内部与机械臂进行连接；以视觉相机3的位置为三维坐标系的原点，触压执行件4的触压头402a处于三维坐标系的平面上，旋转执行件5的旋转头504处于三维坐标系的平面上，且触压执行件4和旋转执行件5分布设置在视觉相机3的两侧，拨动执行件6的拨动头601处于三维坐标系的平面上。

如图2所示，触压执行件4处于视觉相机3的左侧；在触压执行件4的具体结构中，触压执行件4包括第一支撑板401，第一支撑板401设置为C字型，第一支撑板401的底端固定设置在带孔工件2上，第一支撑板401的顶部倾斜设置触压杆402，触压杆402包括触压头402a，触压头402a用于触摸操作对象上的液晶面板或按压操作对象上的电子按钮。由于触压头402a是与操作对象进行接触的部件，则设计触压头402a在操作对象上的触压角度，通过第一支撑板401进行实现，第一支撑板401顶部的一侧边是进行倾斜设置的，触压头402a固定设置在第一支撑板401顶部的一侧边上；触压头402a的倾斜角度设置为α，其中0°≤α≤90°，在本实施例中，α=77°。进一步地，触压头402a由橡胶或聚氨酯材料制成，可以避免触压头402a在触压过程中压坏液晶面板等操作对象。

触压头402a对液晶面板的触摸力，对比于触压头402a对电子按钮的按压力，是显然不同的但又属于微弱机械力，因此，对于这两种力的控制，本实施例通过弹簧402h进行实现。具体地，触压杆402包括外套杆402b，外套杆402b贯穿设置套接通槽，套接通槽包括自下而上依次设置的第一套槽402c和第二套槽402d，第一套槽402c的口径小于第二套槽402d的口径，第一套槽402c和第二套槽402d两者相接的位置形成阶台402e，外套杆402b通过套接通槽套接配合有内套杆402f，内套杆402f的中部偏上位置设置有抵接侧边402g，内套杆402f的外径与第一套槽402c的外径相适配，抵接侧边402g的外径与第二套槽402d的口径相适配，第二套槽402d内设置有弹簧402h，弹簧402h与内套杆402f相套接，阶台402e与弹簧402h的一端相抵接，弹簧402h的另一端与抵接侧边402g的一侧相抵接，抵接侧边402g的另一侧抵接配合连接环块402i，连接环块402i与外套杆402b固定连接，内套杆402f贯穿连接环块402i，连接环块402i通过螺栓固定设置在第一支撑板401的顶部，触压头402a设置在内套杆402f的顶端。在未触摸或按压时，弹簧402h未发生形变，触摸力或按压力的大小等于弹簧402h的弹力，弹簧402h的形变量可以根据机械臂的移动距离得出，且机械臂的移动角度跟触压头402a的倾斜角度是相同的。因此，当弹簧402h的形变量是已知的，是可以计算出弹簧402h的弹力大小的，因此，通过控制弹簧402h的形变量，即控制机械臂的移动位置，就可以控制触摸力或按压力的大小。

如图2所示，旋转执行件5处于视觉相机3的右侧；在旋转执行件5的具体结构中，旋转执行件5包括第二支撑板501，第二支撑板501设置为Z字型，第二支撑板501的底端固定设置在带孔工件2上，第二支撑板501的顶部倾斜设置旋转件，旋转件包括旋转驱动电机502、减速机503和旋转头504。旋转头504用于与手车旋孔套接后进行大力旋进或旋出，则旋转头504的旋转力为强机械力；旋转驱动电机502的电机轴与减速机503的输入轴相连接，旋转驱动电机502和减速机503的连接线可以通过中空圆柱工件1的内部与机械臂进行连接，接收中控系统的指令进行工作，其中减速机503可以增加输出扭矩；减速机503的输出轴穿过轴承座505与旋转头504相连接，轴承座505固定设置在第二支撑板501上；旋转驱动电机502的壳体和减速机503的壳体相连接，减速机503的壳体固定设置在第二支撑板501上。旋转头504设置为四方锁钥匙头，在四方锁钥匙头内设置有力传感器；力传感器可以检测出旋转驱动电机502的旋转机械力，当输出的旋转机械力过载时，力传感器会发出信号至中控系统，中控系统发送急停指令或切断机械臂电源指令，防止对操控对象设备造成损伤。由于旋转头504是与手车旋孔等操作对象进行套接后旋转的部件，则设计旋转头504在操作对象上的套接角度，通过第二支撑板501进行实现，第二支撑板501顶部的一侧边是进行倾斜设置的，旋转头504固定设置在第二支撑板501顶部的一侧边上，旋转头504的倾斜角度设置为β，其中0°≤β≤90°，在本实施例中，β=75°，机械臂将旋转执行件5套接在手车旋孔等操作对象前，需要进行位置移动，且移动角度跟旋转头504的倾斜角度相同。

如图2所示，拨动执行件6处于视觉相机3的正前方，在拨动执行件6的具体结构中，拨动执行件6包括C型杆，C型杆顶端设置为拨动头601，拨动头601用于靠近柜门锁具的左侧向右拨动或者靠近柜门锁具的右侧向左拨动。拨动头601的倾斜角度设置为θ，其中-90°≤θ≤90°，在本实施例中，θ=75°。

如图7所示，一种基于上述的集成化机械臂末端执行件的操控方法，其包括以下步骤：

S1.在调试时，人工调试机械臂，使得机械臂末端执行件完全对准操控对象；

S2.记录下步骤S1中机械臂末端执行件相对于三维坐标系的预设空间坐标，其中，三维坐标系的原点为机械臂运动的初始端；

S3.视觉相机3拍摄下第一图像存储至中控系统内；

S4.在操控时，机械臂运动到预设空间坐标所在位置，由视觉相机3拍摄下第二图像，将第二图像和第一图像进行识别对比；

S5.判断第一图像和第二图像是否完全重合，若完全重合，机械壁末端执行件对操控对象进行操控，若不重合，机械臂进行位置微调，视觉相机3重新拍摄图像并与第一图像进行识别对比，直至完全重合。

在机械臂末端执行件对不同的操控对象进行操控时，机械臂末端执行件的位置是发生变化的，即三维坐标系是会移动的，而操控对象的位置是固定不动的，操控对象相对于三维坐标系的预设空间坐标是不变的。当机械臂末端执行件对操控对象A完成操控后，需要对操控对象B进行操控，由于操控对象相对于三维坐标系的预设空间坐标，因此，机械臂末端执行件需要移动至机械臂运动的初始端，再从初始端运动到操控对象的预设空间坐标所在位置，机械臂末端执行件的运动轨迹为：机械臂末端执行件的实时位置—机械臂末端执行件的初始端—预设空间坐标所在的位置，这使得机械臂末端执行件的运动轨迹大大地复杂化。因此，本实施例在上述的步骤S4中，机械臂运动到预设空间坐标所在位置中，中控系统进行运动轨迹的处理，由于机械臂末端执行件的视觉相机3的位置相对于初始端是已知的，中控系统将相对于三维坐标系的预设空间坐标转化为相对于三维坐标系的预设空间坐标，那么机械臂末端执行件的运动轨迹为：机械臂末端执行件的实时位置—预设空间坐标所在的位置，这大大地简化了运动轨迹，同时也减少了中控系统对运动轨迹的计算。

当将相对于三维坐标系的预设空间坐标转化为相对于三维坐标系的预设空间坐标，那么操控对象也就是相对于视觉相机3所对应的三维坐标系进行位置的布局，由于触压执行件4、旋转执行件5和拨动执行件6均是相对于视觉相机3所对应的三维坐标系的位置布局，会使得触压执行件4、旋转执行件5或拨动执行件6更加精确地找准对操控对象的操控位置。进一步地，当需要在机械臂末端执行件上再添加其他动作的执行件时，例如夹爪执行件，只需将其相对于三维坐标系进行位置布局，并将相应位置存储在中控系统中。

以上所述，仅是本申请的较佳实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本申请技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。故凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请之形状、构造及原理所作的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于视觉识别的集成化机械臂末端执行件，其特征在于，包括中空圆柱工件，所述中空圆柱工件的顶端连接有带孔工件，所述带孔工件上连接有视觉相机、触压执行件、旋转执行件和拨动执行件，以所述视觉相机的位置为三维坐标系

的原点，所述触压执行件的触压头处于三维坐标系

的

平面上，所述旋转执行件的旋转头处于三维坐标系

的

平面上，所述触压执行件和所述旋转执行件分布设置在所述视觉相机的两侧，所述拨动执行件的拨动头处于三维坐标系

的

平面上；

所述触压执行件包括第一支撑板，第一支撑板设置为C字型，所述第一支撑板的底端固定设置在所述带孔工件上，所述第一支撑板的顶部倾斜设置触压杆，所述触压杆包括触压头，所述触压头由橡胶或聚氨酯材料制成；

所述触压杆包括外套杆，所述外套杆贯穿设置套接通槽，所述套接通槽包括自下而上依次设置的第一套槽和第二套槽，所述第一套槽和所述第二套槽两者相接的位置形成阶台，所述外套杆通过所述套接通槽套接配合有内套杆，所述内套杆的中部偏上位置设置有抵接侧边，所述第二套槽内设置有弹簧，所述弹簧与所述内套杆相套接，所述阶台与所述弹簧的一端相抵接，所述弹簧的另一端与所述抵接侧边的一侧相抵接，所述抵接侧边的另一侧抵接配合连接环块，所述连接环块与所述外套杆固定连接，所述内套杆贯穿所述连接环块，所述连接环块通过螺栓固定设置在所述第一支撑板的顶部，所述触压头设置在所述内套杆的顶端。

2.根据权利要求1所述的基于视觉识别的集成化机械臂末端执行件，其特征在于，所述第一套槽的口径小于第二套槽的口径，所述内套杆的外径与所述第一套槽的外径相适配，所述抵接侧边的外径与所述第二套槽的口径相适配。

3.根据权利要求1所述的基于视觉识别的集成化机械臂末端执行件，其特征在于，所述旋转执行件包括第二支撑板，所述第二支撑板设置为Z字型，所述第二支撑板的底端固定设置在所述带孔工件上，所述第二支撑板的顶部倾斜设置旋转件，所述旋转件包括旋转驱动电机、减速机和旋转头，所述旋转驱动电机的电机轴与所述减速机的输入轴相连接，所述减速机的输出轴与所述旋转头相连接，所述旋转驱动电机的壳体和所述减速机的壳体相连接，所述减速机的壳体固定设置在所述第二支撑板上，所述旋转头设置为四方锁钥匙头，在四方锁钥匙头内设置有力传感器。

4.根据权利要求3所述的基于视觉识别的集成化机械臂末端执行件，其特征在于，所述减速机的输出轴穿过轴承座与所述旋转头相连接，所述轴承座固定设置在所述第二支撑板上。

5.根据权利要求1所述的基于视觉识别的集成化机械臂末端执行件，其特征在于，所述拨动执行件包括C型杆，所述C型杆顶端设置为拨动头。

6.根据权利要求1所述的基于视觉识别的集成化机械臂末端执行件，其特征在于，所述中空圆柱工件的底端设置有机械臂安装接口。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述的集成化机械臂末端执行件的操控方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.在调试时，人工调试机械臂，使得机械臂末端执行件完全对准操控对象；

S2.记录下步骤S1中机械臂末端执行件相对于三维坐标系

的预设空间坐标，其中，三维坐标系

的原点为机械臂运动的初始端；

S3.视觉相机拍摄下第一图像存储至中控系统内；

S4.在操控时，机械臂运动到预设空间坐标所在位置，由视觉相机拍摄下第二图像，将第二图像和第一图像进行识别对比；

S5.判断第一图像和第二图像是否完全重合，若完全重合，机械壁末端执行件对操控对象进行操控，若不重合，机械臂进行位置微调，视觉相机重新拍摄图像并与第一图像进行识别对比，直至完全重合。

8.根据权利要求7所述的基于集成化机械臂末端执行件的操控方法，其特征在于，步骤S4中，在机械臂运动到预设空间坐标所在位置中，进行运动轨迹的处理，中控系统将相对于三维坐标系

的预设空间坐标转化为相对于三维坐标系

的预设空间坐标，运动轨迹为：机械臂末端执行件的实时位置—预设空间坐标所在的位置。

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