CN1885064A - 密封放射源泄漏自动检测平台的视觉伺服系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及密封放射源泄漏检测技术领域，特别是一种密封放射源泄漏自动检测平台的视觉伺服系统及方法。系统包括：包括工控计算机(2)、摄像头(3)、执行机构(4)、执行机构控制器和特定的位姿估计视觉算法。方法包括：S1、彩色图像转换为灰度图像或者直接采集灰度图像；S2、使用Canny边缘算子处理灰度图像得到边缘图像；S3、使用边缘细化技术将边缘细化为“八邻域意义上的单像素连接边缘”；S4、“去噪”处理；S5、建立放射源工件上表面几何特征的模型；S6、建立成像平面与放射源工件上表面间的单应性矩阵；S7、将计算结果传送给机械臂控制 器。
Description
技术领域
本发明涉及密封放射源泄漏检测技术领域，特别是一种密封放射源泄漏自动检测平台的视觉伺服系统及方法。
背景技术
在目前国内放射源的各种典型应用中，为了保证放射源的使用效果和检测结果的可靠性，必须定期对密封放射源进行检测，以确认其是否出现放射性物质泄漏。目前，国内对密封放射源进行检测的行业标准是采用人工擦拭检测方式。人工擦拭检测方式的主要缺点是：(1)人体可能直接暴露在放射源面前，遭受核辐射，对人体健康构成了损害；(2)受人为因素影响大，具有许多不确定性，不能保证检测结果的一致性和可靠性；(3)需要人工打开密封铅罐罐盖，操作繁琐，劳动强度大。因此，研制开发密封放射源自动检测平台，对减少检测过程中放射源对操作人员的健康危害，保证检测结果的准确性和可靠性，提高我国的核技术应用水平，具有重要意义。
在研制放射源自动检测平台时，需要将放射源工件从密封容器中取出，因而需要安装机械手。由于放射源工件位置和姿态的不确定性，为指导机械手的运动，需要给机械手安装眼睛——视觉传感器。这样，我们将视觉伺服系统引入自动检测平台。视觉伺服系统由视觉传感器向控制器提供外部信息，调整执行机构相对于被操作对象的位置和姿态。根据不同的标准，视觉伺服系统可以被划分为不同的类型。根据摄像机数目的不同可以分为单目及多目系统。按照控制结构是否分级，且视觉系统提供的信息是作为机器人执行机构控制器的设定值还是视觉控制器直接计算执行机构的输入值，可以分为“动态look-and-move”系统和“直接视觉伺服”系统。区分误差信号是定义于三维空间坐标系还是直接定义于图像特征空间，可以分为“基于位置”和“基于图像”的视觉伺服控制方式。
发明内容
本系统解决的问题是：用自动化技术代替人工进行放射源泄漏检测时，用单目摄像头观测放射源工件的位置和姿态，将观测结果传送给机械手控制器以调节机械手的位置和姿态到达期望位姿，然后将放射源抓起取出进行下一步操作或将放射源放回容器。
本放射源检测平台视觉伺服系统采用的技术方案是：固定于地面的支撑框架上部安装三自由度直角坐标机械臂，机械臂的末端执行器可以进行X、Y、Z三个正交方向的运动，并可以进行自身的旋转运动；单目摄像头固定在机械臂的末端执行器上，摄像头的光轴垂直地面向下，其视频输出信号接入工控计算机；支撑框架的底部安装有导轨，导轨上运行的移动小车将装有放射源的密封容器带入或带出摄像头的视野以配合不同的操作；当摄像头视野内有目标即放射源工件时，摄像头采集到的图像输入工控计算机，使用特定的视觉算法获得放射源相对于机械臂末端执行器的位置和姿态，控制器控制机械臂运动使末端执行器与放射源位姿一致，然后抓起放射源。为了从实时图像中计算获得工件的实际位置和姿态，开发了特定的位姿估计图像处理算法。本视觉伺服系统使用的是基于位置的动态look-and-move结构。
技术方案
一种用于密封放射源泄漏自动检测平台的视觉伺服系统，至少包括工控计算机(2)、摄像头(3)、执行机构(4)、执行机构控制器和特定的位姿估计视觉算法；
所述的执行机构(4)由支架(401)、三自由度直角坐标机械臂、末端执行器(408)、移动导轨(404)和移动小车(402)组成；
移动导轨(404)安装在支架(401)的底部，移动小车(402)可以移动到不同位置配合不同操作，装有放射源工件的密封容器(407)放置于可拆除支架(405)上，支架(405)的高度可调，其上的滑动卡榫B(406)可根据密封容器(407)的尺寸调节位置以固定容器(407)，当支架(405)拆除时，可在小车(402)上放置体积更大的密封容器，滑动卡榫A(403)根据更大密封容器的尺寸调节位置以固定容器，三自由度直角坐标机械臂安装于支架(401)的上部，机械臂由三组线性模组组成，其中X方向运动线性模组(414)固定于支架(401)上，Y方向运动线性模组(410)固定于X方向运动线性模组(414)的运动子上，Z方向运动线性模组(411)固定于Y方向运动线性模组(410)的运动子上，X、Y、Z三个运动方向正交，步进电机X(415)、步进电机Y(413)、步进电机Z(412)作为运动驱动源分别安装于三个线性模组的末端通过连轴器进行连接，末端执行器(408)通过延长板(409)与Z方向运动线性模组(411)的运动子连接，摄像头(3)镜头朝下固定于末端执行器(408)的基座(408a)上，而且光轴垂直于放射源工件的上平面。
所述的视觉伺服系统，组成机械臂的线性模组具有线性度良好的导轨(或丝杠)和运动子，运动子有唯一的平移自由度，线性运动子的运动步长已知且精度高于0.00125mm，以满足运动要求。
所述的末端执行器(408)，通过其前端的螺柱与放射源工件上的螺孔相配合以抓起放射源；其中，带导角的螺纹柱(408h)安装于末端执行器(408)的最前端，导角便利于进行螺旋配合；步进电机R(408d)作为驱动源通过连轴器(408e)连接前端螺纹柱(408h)，通过支撑圆盘(408b)和对称分布的四条连接柱(408f)进行连接和固定以组成转动组件，转动组件通过三根对称分布的橡胶棒(408g)固定在基座(408a)上，橡胶棒(408g)的柔性便利进行螺旋配合；末端执行器(408)通过架板(408c)固定于延长板(409)上，延长板(409)可以根据需要改变长度；
根据放射源种类的不同可以更换其他类型的末端执行器。
在摄像头抓取图像时，摄像头(3)的成像平面与放射源工件的上平面是平行的且距离固定，将三维视觉问题简化为二维问题。
所使用的摄像头(3)的焦距可调，拍摄的图像以合适比例放大了放射源工件的上表面特征，既使得图像特征更容易分辨，又不至于将噪声放大太多，使得到的放射源工件位姿更加精确。
使用可编程逻辑控制器(PLC)控制机械臂等所有运动模块的运动。
使用步进电机作为所有运动模块的驱动源。
本发明的有益效果是：实现了放射源工件的定位和自动抓取，完成了放射源自动检测平台研制过程中的一项重要功能。
附图说明
图1是本系统的总体结构示意图；
图2是控制系统方框图；
图3是执行机构的装配结构示意图；
图4是末端执行器的装配结构示意图；
图5是位姿估计图像处理算法的流程图。
图中：
1.控制柜 2.工控计算机 3.摄像头 4.执行机构 401.支架 402.移动小车 403.滑动卡榫A 404.移动导轨 405.可拆卸支架 406.滑动卡榫B 407.密封容器 408.末端执行器408a.基座 408b.支撑圆盘 408c.架板 408d.步进电机R408e.连轴器 408f.连接柱 408g.橡胶棒 408h.螺纹柱409.延长板 410.Y向线性模组 411Z向线性模 412.步进电机Z413.步进电机Y 414.X向线性模组 415.步进电机X
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
在图1中，整个系统至少由控制柜(1)、工控计算机(2)、摄像头(3)和执行机构(4)组成。摄像头(3)取得放射源工件的图像并将图像数据传入计算机(2)，计算机(2)中特定的位姿估计程序处理图像获得放射源工件的位姿信息估计，将之与期望位姿比较产生差值作为执行机构控制器的设定值输入控制柜(1)中的控制器，控制器控制执行机构(4)运动使执行机构的末端执行器到达期望位姿。
图2是视觉伺服控制系统的结构框图，如图所示为负反馈闭合回路，控制器分为两级。第一级为视觉控制器，工作于笛卡儿空间，末端执行器应该到达的位姿作为视觉控制器的设定值，通过位姿估计得到的估计值与设定值进行比较，产生的差值作为视觉控制器的输入值，通过视觉控制器的控制律产生输出。第二级控制器为执行机构控制器，上一级控制器的输出作为输入，通过内部的控制律产生输出控制执行机构的运动。
图3是执行机构的装配关系示意图。支架(401)的底部装有移动导轨(404)，移动小车(402)可以移动到不同位置配合不同操作。装有放射源工件的密封容器(407)放置于可拆除支架(405)上，滑动卡榫B(406)用于固定密封容器(407)的位置当支架(405)拆除时，可在小车(402)上放置体积更大的密封容器，滑动卡榫A(403)用于固定更大密封容器的位置。支架(401)的上部安装有三自由度直角坐标机械臂。机械臂由三组线性模组和末端执行器(408)组成。其中X方向运动线性模组(414)固定于支架(401)上实现机械臂X方向的移动并承担整个机械臂模块的重量。Y方向运动线性模组(410)和Z方向运动线性模组(411)分别实现机械臂Y方向和Z方向的运动。X、Y、Z三个方向正交且各运动之间是解耦的。步进电机X(415)、Y(413)、Z(412)作为运动驱动源。末端执行器(408)通过延长板(409)与Z方向运动线性模组(411)的运动子连接，摄像头(3)固定于末端执行器(408)的基座(408a)上，镜头向下并使其光轴垂直于工作平面——放射源工件的上平面。三组线性模块配合实现X、Y、Z三个正交方向的运动使末端执行器到达合适的位置以便抓取放射源。
如图4所示是当前末端执行器(408)的装配结构示意图，根据放射源种类的不同可以设计更换不同的末端执行器。当前末端执行器(408)最前端是带导角的螺纹柱(408h)，可以与放射源工件上的螺孔相配合以抓起放射源。步进电机R(408d)作为驱动源通过连轴器(408e)与前端螺纹柱(408h)相连接，产生螺纹柱(408h)绕自身中轴线的旋转运动。电机R(408d)、连轴器(408e)和螺纹柱(408h)组成的转动组件通过三根对称分布的橡胶棒(408g)固定在基座(408a)上，橡胶棒(408g)有一定的柔性，因而前端螺纹柱可以适应放射源工件发生轻微倾斜时的螺纹配合。末端执行器(408)通过架板(408c)固定于延长板(409)上，延长板(409)可以根据需要改变长度。
图5说明密封放射源泄漏自动检测平台的视觉伺服方法的位姿估计视觉方法，其步骤如下：
S1、彩色图像转换为灰度图像或者直接采集灰度图像；
S2、使用Canny边缘算子(也可使用其他边缘算子)处理灰度图像得到边缘图像；
S3、使用边缘细化技术将边缘细化为“八邻域意义上的单像素连接边缘”；
S4、按照一定标准除去大量短且不规则的边缘片断，降低处理成本，这一过程称为“去噪”；
S5、建立放射源工件上表面几何特征的模型，在细化后的边缘图像中提取直线和二次曲线等基本几何特征并加以组合成为候选目标，将候选目标与几何模型相匹配后，满足相关性的匹配最好的候选目标作为放射源工件的估计值，计算工件的位置和姿态；
S6、建立成像平面与放射源工件上表面间的单应性矩阵，将图像空间坐标系中的位姿估计信息转换为世界坐标系中的距离和角度；
S7、将计算结果传送给机械臂控制器。
Claims (8)
1、一种用于密封放射源泄漏自动检测平台的视觉伺服系统，其特征是：至少包括工控计算机(2)、摄像头(3)、执行机构(4)、执行机构控制器和特定的位姿估计视觉算法；
所述的执行机构(4)由支架(401)、三自由度直角坐标机械臂、末端执行器(408)、移动导轨(404)和移动小车(402)组成；
移动导轨(404)安装在支架(401)的底部，移动小车(402)可以移动到不同位置配合不同操作，装有放射源工件的密封容器(407)放置于可拆除支架(405)上，支架(405)的高度可调，其上的滑动卡榫B(406)可根据密封容器(407)的尺寸调节位置以固定容器(407)，当支架(405)拆除时，可在小车(402)上放置体积更大的密封容器，滑动卡榫A(403)根据更大密封容器的尺寸调节位置以固定容器，三自由度直角坐标机械臂安装于支架(401)的上部，机械臂由三组线性模组组成，其中X方向运动线性模组(414)固定于支架(401)上，Y方向运动线性模组(410)固定于X方向运动线性模组(414)的运动子上，Z方向运动线性模组(411)固定于Y方向运动线性模组(410)的运动子上，X、Y、Z三个运动方向正交，步进电机X(415)、步进电机Y(413)、步进电机Z(412)作为运动驱动源分别安装于三个线性模组的末端通过连轴器进行连接，末端执行器(408)通过延长板(409)与Z方向运动线性模组(411)的运动子连接，摄像头(3)镜头朝下固定于末端执行器(408)的基座(408a)上，而且光轴垂直于放射源工件的上平面。
2、根据权利要求1所述的视觉伺服系统，其特征是：组成机械臂的线性模组具有线性度良好的导轨和运动子，运动子有唯一的平移自由度，线性运动子的运动步长已知且精度高于0.00125mm，以满足运动要求。
3、根据权利要求1所述的视觉伺服系统，其特征是：所述的末端执行器(408)，通过其前端的螺柱与放射源工件上的螺孔相配合以抓起放射源；其中，带导角的螺纹柱(408h)安装于末端执行器(408)的最前端，导角便利于进行螺旋配合；步进电机R(408d)作为驱动源通过连轴器(408e)连接前端螺纹柱(408h)，通过支撑圆盘(408b)和对称分布的四条连接柱(408f)进行连接和固定以组成转动组件，转动组件通过三根对称分布的橡胶棒(408g)固定在基座(408a)上，橡胶棒(408g)的柔性便利进行螺旋配合；末端执行器(408)通过架板(408c)固定于延长板(409)上，延长板(409)可以根据需要改变长度；
根据放射源种类的不同可以更换其他类型的末端执行器。
4、根据权利要求1所述的视觉伺服系统，其特征是：在摄像头抓取图像时，摄像头(3)的成像平面与放射源工件的上平面是平行的且距离固定，将三维视觉问题简化为二维问题。
5、根据权利要求1所述的视觉伺服系统，其特征是：所使用的摄像头(3)的焦距可调，拍摄的图像以合适比例放大了放射源工件的上表面特征，既使得图像特征更容易分辨，又不至于将噪声放大太多，使得到的放射源工件位姿更加精确。
6、根据权利要求1所述的视觉伺服系统，其特征是：使用可编程逻辑控制器(PLC)控制机械臂等所有运动模块的运动。
7、根据权利要求1所述的视觉伺服系统，其特征是：使用步进电机作为所有运动模块的驱动源。
8、一种密封放射源泄漏自动检测平台的视觉伺服方法，处理图像时，采取了下述步骤：
S1、彩色图像转换为灰度图像或者直接采集灰度图像；
S2、使用Canny边缘算子处理灰度图像得到边缘图像；
S3、使用边缘细化技术将边缘细化为“八邻域意义上的单像素连接边缘”；
S4、按照一定标准除去大量短且不规则的边缘片断，降低处理成本，这一过程称为“去噪”；
S5、建立放射源工件上表面几何特征的模型，在细化后的边缘图像中提取直线和二次曲线基本几何特征并加以组合成为候选目标，将候选目标与几何模型相匹配后，满足相关性的匹配最好的候选目标作为放射源工件的估计值，计算工件的位置和姿态；
S6、建立成像平面与放射源工件上表面间的单应性矩阵，将图像空间坐标系中的位姿估计信息转换为世界坐标系中的距离和角度；
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