CN1904782A - 适用精密机械加工的双目主动视觉监测装置 - Google Patents

Abstract

一种适用精密机械加工的双目主动视觉监测装置，其特征是：对称布置的三个支架(2，7，11)固连在底座(6)上，在三个支架(2，7，11)内装有上下滑轨，且垂直底座平面；三条滑轨上安装滑块，圆形导轨(5)与三个滑块固连，在圆形导轨上安装两个小车(5，9)，每个小车上安装云台(28)，每个云台(28)上安装摄像机(29)。该装置的双摄像机除具有通过转动调整姿态还具有通过在圆形导轨上的滑动调整两摄像机间的基线长度和位置，构成的视觉系统其基线、光轴可调，可以灵活调整观测的角度，实现多角度大范围观察、灵活避让等仿人视觉能力。同时，由于视觉平台机构各运动轴间均具有规则的正交几何关系，具有结构并行性，运动模型和视觉计算模型简单等优点，适合用作高精度并联机床的视觉监测装置。

Description

适用精密机械加工的双目主动视觉监测装置

技术领域

本发明涉及机械加工视觉监测领域，特别是涉及一种用于并联机床精密机械加工工作空间监测的双目主动视觉装置。

背景技术

并联机床是一种新型以并联机构为主体的数控加工设备，与传统的数控机床相比，并联机床容易实现六轴联动，是一类虚拟轴机床。

并联机构的出现可以追溯到1931年，Gwinnett在其专利中提出的一种基于球面并联机构的娱乐装置，1962年Gough发明了一种基于并联机构的六自由度轮胎检测装置，1965年德国人Stewart首次对Gough发明的这种机构进行了机构学意义上的研究，并将其推广应用于飞行模拟器的运动产生装置。从此，这种称为Gough-Stewart机构被人们开始广泛关注，并应用于并联机器人、并联机床、飞船对接器、微操作机器人等。初期的并联机床多以六自由度的Stewart机构作为主体，后来一些少自由度的并联机床、带冗余链的并联机床等各种产品样机相继出现，从机构上克服Stewart机构结构约束和奇异位形等带来的工作空间小、实际可达到的精度和刚性低的影响，加速了并联机床实用化。如1994年在美国芝加哥IMTS’94博览会上推出的Giddings&Lewis公司的VARIAX(变异形)和Ingersoll公司的Hexapod(六足虫)虚拟轴机床，以及后来Neos Robotics公司的Tricept系列，德国Milromat公司生产的6X型高速立式加工中心，瑞士联邦技术学院研制的HexaGlide并联机床，德国斯图加特大学的Linapod三自由度机床，中国燕山大学的并联雕刻机床等等。

并联机床的普遍特点在于机构的并行性和对称性，具有刚度大、响应速度快、适合于复杂型面加工、机床结构简单、容易控制、技术附加值高、虚拟轴加工等优点。但随着应用范围的推广，加工精度和智能性需求的增长，也存在一些亟待解决的问题。首先，并联机床的运动副多数为铰链，铰链的精度、间隙等问题，影响并联机床的实际加工精度；其次，在立体加工、复杂曲面加工等加工过程中，需要对加工部件和环境变化进行识别和智能化调整。因此机床加工过程需要对工作空间进行实时视觉监测，根据监测图像的视觉分析，对加工的精度进行检测，对机构进行标定，对加工环境进行识别，以产生视觉伺服信号，反馈到机床的控制系统。

并联机床的视觉监测装置的监测范围是并联机床的工作空间，现有的视觉监测装置多为固定摄像机监测系统和连于串联机构的手眼系统。固定摄像机的监测系统中，摄像机(一台或多台)固定置于工作空间外，从固定的视角进行监测，优点在于机构和视觉模型简单，但需要较大视野，存在无法覆盖整个视觉空间，无法改变视角，出现视觉遮挡，定位精度差等缺点；连于串联机构的手眼系统是将摄像机连于串联机构末端，通过控制串联机构调整摄像机的视角，虽然这种机构具备一定视角调整能力，但其视角调整范围有限，并且不符合并联机构及其工作空间的对称性的特点，也有存在监测盲点、视角转换不灵活等缺点。

综上所述，用于并联机床精密机械加工工作空间监测的视觉装置，一方面要求视觉装置适合并联机床并行性的特点，在不影响并联机床工作情况下，方便视觉监测装置的装配和运行；另一方面要求视觉装置能够监测并联机器人的整个工作空间，并具备灵活转变观测角度，以实现视觉避让等视觉功能的扩展；此外，还要求视觉装置的结构特性能够方便视觉计算。

发明内容

为了克服现有的固定摄像机监测系统和连于串联机构的手眼系统的上述不足，本发明提供一种适用于小工作空间内精密加工监测的双目主动视觉装置。该发明利用并联机床机构并行性和结构的对称性，以并联机床工作空间为观测范围，以实现多角度大范围观察、视觉避让为目标，实现了并联机床工作精确定位和认知环境信息以及视觉伺服。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：三个垂直支架对称固定在水平底座上，每个支架上有一条定长连杆的滑轨，每个滑轨上有一可上下滑动的滑块。圆形导轨与滑块固连，且与底座平行，圆形导轨的平面保持水平且可沿滑轨上下运动。圆形导轨上设置可在圆形轨道上运动的两个小车。每个小车上安装一个云台，云台由两个正交的转动副构成，两个转动副的转动轴设定在圆轨的半径方向和切线方向。每个云台上安装一个摄像机。其中圆轨的上下运动、小车在圆形导轨上的运动和云台的两正交转动轴向的转动为主动驱动部件，实现两个摄像机构成基线可调、视角动态可调的双目主动视觉监测装置。

本发明的有益效果是：(1)两摄像机位姿可控性。通过圆形导轨沿上下滑轨的滑动和摄像机沿圆形导轨的运动，可调整两摄像机的位置；通过云台两个转动副在圆轨半径和切线两正交方向的转动，带动两摄像机的转动，可调整摄像机的姿态，构成基线可调的双目主动视觉系统。从而达到对目标的最佳视角观测以及大范围调整视角的能力，有助于对观测目标精确定位和视觉避让的规划和实现。(2)视觉监测装置不与并联机床耦合，可减少并联机床工作振动等因素对视觉系统的影响。(3)视觉监测装置的主动运动副轴间具有规则的几何关系。调整摄像机位置的导轨整体的上下运动方向和摄像机沿圆形导轨运动的两个轴向均为圆轨平面的法线方向，调整摄像机姿态的两个转动轴向分别为圆轨的半径和切线方向。因此，三个轴线成相互正交的关系，容易描述和表达，可降低系统模型的复杂性，方便视觉系统建模和计算。

附图说明

图1为适用精密机械加工的双目主动视觉监测装置的结构示意图；

图2为圆形导轨、小车、云台、摄像机的结构示意图；

图3为各主动运动副轴间关系示意图。

在图1、图2和图3中，1、12、13.步进电机，2、7、11.支架，3、10.丝杠，4、9.小车，5.圆形导轨，6.底座，8.滑块，14.伺服电机，15.蜗杆，16.蜗轮，17.固定架，18.传动轴，19.齿轮，20.支撑轮，21.外轨，22.外齿圈，23.内轨，24、26.内轨滑块，25.车架，27.小车平台，28.云台，29.摄像机，30.圆形导轨的转动中心，31、32.为小车4上云台的两个转动副的转动中心轴线，33、34.小车9上云台的两个转动副的转动中心轴线，35.滑块沿上下滑轨的滑动轴线，也为圆形导轨的转动中心轴线。

具体实施方式：

适用精密机械加工的双目主动视觉监测装置独立于并联机床，对称布置的三个支架2、7、11固连在底座6上，每个支架内装有上下滑轨，每个滑轨之间相互平行，且垂直底座6平面；每条滑轨上安装滑块，上下滑轨和滑块采用丝杠螺母结构，三个支架内装有丝杠3、10(支架7中也有与3、10相同的丝杠)，滑块8加工有内螺纹(圆形导轨5与支架2和7有同8相同的滑块)，圆形导轨5与三个滑块8固连，且保持圆形导轨平行底座平面。步进电机1、12、13安装在三个支架2、7、11的顶部，步进电机1、12、13的输出端与丝杠3、10联接。步进电机1、12、13驱动丝杠3、10转动来同步控制滑块8沿丝杠构成的滑轨上下运动，并作为主动输入控制圆形导轨5保持水平上下移动；两个小车4、9可以在圆形导轨5上运动。通过导轨的上下滑动和两小车在圆形导轨上的运动，控制小车上安装的两摄像机的空间位置和摄像机间的基线长度。

圆形导轨5由内轨23和外轨21构成，内轨、外轨为同心圆轨，并且外轨内侧加工外齿圈22。小车4、9结构相同，均由车架25、小车平台27、支撑轮20、内轨滑块24、26和齿轮19构成。车架25上安装小车平台27，车架25的下部安装内轨滑块24、26、支撑轮20和齿轮19，支撑轮20和齿轮19嵌入外轨21，内轨滑块24、26嵌入内轨23，一方面保证小车平稳，另一方面限定小车在圆形轨道上运动。伺服电机14通过固定架17安装在小车平台27上，蜗轮16通过传动轴18与齿轮19相连，伺服电机驱动蜗杆带动蜗轮，通过传动轴18带动齿轮19转动，齿轮19与外齿圈22啮合带动小车4、9沿圆形轨道运动。云台28安装在小车平台27上，云台28的主要运动部件由在圆轨半径和切线两正交方向设置的两个转动副实现。摄像机29固连在云台28上。摄像机29受云台28的运动控制来调整位姿。圆形轨道5上的两个小车和其上安装的部件都相同。

适用精密机械加工的双目主动视觉监测装置以圆形导轨5整体在上下滑轨上的滑动、两小车4、9在圆形导轨上的运动及云台28的转动作为视觉平台机构的主动输入，构成基线位置和长度可调、光轴可调、视角可调的动态双目主动视觉系统，实现对并联机床工作空间的视觉监测。此外，支架的数量可以根据需要设置，不影响视觉平台机构的其他部分的设计。

圆形导轨的转动中心轴线35为圆形导轨5的中心法线，云台28的两个转动副的转动中心轴线31、34在圆形导轨5的切线方向，另两个转动副的转动中心轴线32、33在圆形导轨5的半径方向。可见，轴线35、31、32相互正交，轴线35、33、34相互正交，并且在视觉平台的运动中这种正交关系始终保持。

Claims (6)

1.一种适用精密机械加工的双目主动视觉监测装置，包括步进电机(1，12，13)、底座(6)和摄像机(29)，其特征是：对称布置的三个支架(2，7，8)固连在底座(6)上，在三个支架内装有上下滑轨(3、10)，每个滑轨之间相互平行，且垂直底座(6)平面；每条滑轨上安装滑块(8)，圆形导轨(5)与三个滑块(8)固连，在圆形导轨(5)上安装两个小车(4，9)，每个小车平台(27)上安装云台(28)，每个云台(28)上安装摄像机(29)。

2.根据权利要求1所述的适用精密机械加工的双目主动视觉监测装置，其特征是：步进电机(1、12、13)安装在三个支架(2、7、11)的顶部，步进电机(1、12、13)的输出端与丝杠(3、10)联接。

3.根据权利要求1或2所述的适用精密机械加工的双目主动视觉监测装置，其特征是：圆形导轨(5)由内轨(23)和外轨(21)构成，外轨(21)的内侧加工有外齿圈(22)。

4.根据权利要求3所述的适用精密机械加工的双目主动视觉监测装置，其特征是：车架(25)上安装小车平台(27)，车架(25)的下部安装内轨滑块(24，26)、支撑轮(20)和齿轮(19)；支撑轮(20)和齿轮(19)嵌入外轨(21)，齿轮(19)与外轨(21)的外齿圈(22)啮合，小车(4)的内轨滑块(24，26)嵌入内轨(23)。

5.根据权利要求1所述的适用精密机械加工的双目主动视觉监测装置，其特征是：伺服电机(14)通过固定架(17)安装在小车平台(27)上，伺服电机(14)的输出轴连接蜗杆(15)，与蜗杆(15)啮合的蜗轮(16)安装在传动轴(18)的上端，传动轴(18)的下端安装齿轮(19)。

6.根据权利要求1所述的适用精密机械加工的双目主动视觉监测装置，其特征是：云台(27)有两个转动副，两个转动副的轴线分别与圆形导轨(5)的半径和切线方向相同。

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