CN210441820U - 一种面向工业部件三维重建的三目视觉机械臂装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种面向工业部件三维重建的三目视觉机械臂装置，用于实现对工业部件高精度、低成本、全方位且快速的三维信息采集，具体包括六自由度机械臂及三个摄像头，机械臂中的旋转臂的端部固定有圆形盘架，圆形盘架的圆心位于旋转臂的轴线上，三个摄像头分别固定于圆形盘架的边缘，各个摄像头与圆形盘架的圆心距离相等，安装间隔为120度；三个摄像头分别为中焦镜头摄像头、广角摄像头和微距摄像头。本实用新型在六自由度机械臂前端环绕式安装三个不同用途的摄像头，利用主动视觉技术获取充足的部件视觉信息，充分利用机械臂的运动灵活性和环绕式摄像头视野范围宽广的特点，可以对工业部件进行高精度、高效率的三维信息采集，具有很好的实用性。
Description
技术领域
本实用新型属于工业机器人与三维图像重建技术领域，特别涉及到一种面向工业部件三维重建的机械臂装置。
背景技术
在工业领域，经常需要对精密工业部件进行全件检测和参数描述，即通过绘图或图像重构对工业部件进行详细描述。目前采用较多的描述方式主要为参数列表描述、CAD建模、单目视觉方法、双目视觉方法等方式。其中，部件参数的测量获取过程较为复杂，往往需要人工、机器测量的方式才能保证准确性，且不能通过图像的方式直观描述；同理，CAD建模仍然需要部件的详细参数信息；单目视觉方法指使用一台摄像机进行三维重建，往往通过移动摄像机方式获取多帧图像，利用多种图像处理方法对获取图像进行处理和融合，从而恢复物体的三维信息，这种方式在实际中运算量极大，且重建效果一般；双目视觉方法类似人眼获取图像的过程，将双目视差信息转换为深度信息，从而对物体进行重构，性能优于单目视觉方法。对于高精度工业部件三维重建任务来说，现有的操作装置存在以下缺点：
1、基于传统数据测量的方式所需人力、时间成本较大，且不能保证精度；
2、单目视觉方式视野受限，容易被遮挡，且运动图像易产生失真，重构算法复杂，计算量庞大，三维重建效果一般；
3、双目视觉方式采用的深度摄像机成本较高，相机固定平台方式单一，不能执行复杂运动，因此不能获取更多部件图像信息。
专利申请号为CN200910235406的发明专利公开了一种用于气浮机械臂遥操作的三目视觉装置，其在气浮平台上设有六自由度机械臂，六自由度机械臂的端部通过安装支架固定有三个摄像头，采用三目视觉方案可以多方位的观察目标物，获得景深信息等。但是在上述专利中，并没有针对如何更全面地采集待检测部件的完整图像信息做出改进，其设置的三个摄像头沿一条直线排列，存在拍摄死角以及获取信息不完善等弊端。
发明内容
本实用新型的目的是提出一种面向工业部件三维重建的三目视觉机械臂装置，用于实现对工业部件高精度、低成本、全方位且快速的三维信息采集。
本实用新型的面向工业部件三维重建的三目视觉机械臂装置包括六自由度机械臂及三个摄像头，关键在于所述机械臂中的旋转臂的端部固定有圆形盘架，所述圆形盘架的圆心位于旋转臂的轴线上，所述三个摄像头分别固定于圆形盘架的边缘，各个摄像头与圆形盘架的圆心距离相等，三个摄像头的安装间隔为120度；所述三个摄像头分别为中焦镜头摄像头、广角摄像头和微距摄像头。
在上述三目视觉机械臂装置中，三个摄像头均布于旋转臂的端部，摄像头可在旋转臂的带动下转动，确保在多个环形路线无死角拍摄待检测部件，有效避免物体遮挡和视野受限的不足，进而获取更全面的视觉信息。上述摄像头分别包括正常视角、广角视角和微距视角，可以同时获取待检测部件的多维度视觉信息，保证三维重建环节所需图像素材的充分性。六自由度机械臂运动模态丰富，可以快速、精确地改变摄像头的拍摄路线，为快速精准获取图像信息奠定基础。
具体来说，所述圆形盘架由外缘圆环及连接外缘圆环与圆心位置的若干个支板构成，所述圆形盘架的圆心处设有盘架安装孔，所述圆形盘架利用穿过盘架安装孔的螺栓与旋转臂固定连接；所述摄像头通过摄像头支架固定于圆形盘架上，所述摄像头支架包括直板，所述直板的中部设有支架安装孔，两侧设有摄像头固定孔，所述摄像头固定孔为沿直板轴向延伸的条形孔；所述摄像头利用穿过摄像头固定孔的螺栓与摄像头支架固定连接，所述摄像头支架利用穿过支架安装孔的螺栓与外缘圆环固定连接。上述摄像头支架利用条形孔来安装摄像头，可以微调摄像头的位置，确保三个摄像头之间的夹角为120度。盘架安装孔位于圆形盘架的圆心处，可以保证圆形盘架的圆心处于旋转臂的轴线上。圆形盘架由外缘圆环及支板构成，形成镂空结构，可以减少对光线的遮挡，使得摄像头能够获得充足的光线进行拍照。
在旋转臂带动摄像头转动的过程中，有可能造成摄像头的导线互相缠绕，为解决这一问题，可以控制旋转臂单向转动的角度不超过360度，并使旋转臂往复转动，但是这样仍需要摄像头的导线长度具有一定的冗余，影响整体的外观。在本实用新型中，针对导线缠绕的问题做了如下设计：所述外缘圆环的外侧面设有若干道环形凹槽，所述凹槽内设有金属环，所述摄像头的导线穿过外缘圆环并与对应的金属环电连接；旋转臂后端的机械臂上设有多条弹性臂，所述弹性臂的端部设有金属触点，所述金属触点伸入到对应的凹槽内，并与凹槽内的金属环接触，所述弹性臂设有沿弹性臂轴向延伸的线槽，所述线槽内设有与金属触点连接的外接导线。摄像头的导线并不会直接与服务器、供电装置等直接连接，而是通过外接导线间接连接，在摄像头随着旋转臂转动时，弹性臂的弹力保证其端部的金属触点始终与金属环接触，这样就能够保证外接导线通过金属触点、金属环与摄像头的导线保持电连接，而外接导线是位于弹性臂上的，并不会随着旋转臂的转动而转动，这样就避免了导线缠绕的问题，并使得整体外观更加整洁紧凑。
本实用新型在六自由度机械臂前端环绕式安装三个不同用途的摄像头，利用主动视觉技术获取充足的部件视觉信息，充分利用机械臂的运动灵活性和环绕式摄像头视野范围宽广的特点，可以对工业部件进行高精度、高效率的三维信息采集，具有很好的实用性。
附图说明
附图1为三目视觉机械臂装置的整体结构示意图。
附图2为摄像头的安装结构示意图。
附图3为摄像头的导线布置示意图。
附图4为三目视觉机械臂装置的使用状态图。
附图标示：1、六自由度机械臂；101、旋转臂；2、摄像头；201、摄像头的导线；3、固定平台；4、数据接口；5、供电系统接口；6、圆形盘架；601、外缘圆环；602、支板；603、盘架安装孔；604、环形凹槽；605、金属环；7、摄像头支架；701、直板；702、支架安装孔；703、摄像头固定孔；8、弹性臂；801、金属触点；802、线槽；9、外接导线；10、待检测工业部件平台；11、数据存储服务器；12、计算机；13、供电系统。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施实例的描述，对本实用新型的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明。
实施例1：
本实施例提出了一种面向工业部件三维重建的三目视觉机械臂装置，用于实现对工业部件高精度、低成本、全方位且快速的三维信息采集。
如图1所示，本实施例的面向工业部件三维重建的三目视觉机械臂装置包括六自由度机械臂1及三个摄像头2，六自由度机械臂1安装于固定平台3上，固定平台3设有数据接口4和供电系统接口5。机械臂1中的旋转臂101的端部固定有圆形盘架6，所述圆形盘架6的圆心位于旋转臂101的轴线上，所述三个摄像头2分别固定于圆形盘架6的边缘，各个摄像头2与圆形盘架6的圆心距离相等，三个摄像头2的安装间隔为120度；所述三个摄像头2分别为中焦镜头摄像头2、广角摄像头2和微距摄像头2。
如图2所示，圆形盘架6由外缘圆环601及连接外缘圆环601与圆心位置的若干个支板602构成，所述圆形盘架6的圆心处设有盘架安装孔603，所述圆形盘架6利用穿过盘架安装孔603的螺栓与旋转臂101固定连接；所述摄像头2通过摄像头支架7固定于圆形盘架6上，所述摄像头支架7包括直板701，所述直板701的中部设有支架安装孔702，两侧设有摄像头固定孔703，所述摄像头固定孔703为沿直板701轴向延伸的条形孔；所述摄像头2利用穿过摄像头固定孔703的螺栓与摄像头支架7固定连接，所述摄像头支架7利用穿过支架安装孔702的螺栓与外缘圆环601固定连接。上述摄像头支架7利用条形孔来安装摄像头2，可以微调摄像头2的位置，确保三个摄像头2之间的夹角为120度。盘架安装孔603位于圆形盘架6的圆心处，可以保证圆形盘架6的圆心处于旋转臂101的轴线上。圆形盘架6由外缘圆环601及支板602构成，形成镂空结构，可以减少对光线的遮挡，使得摄像头2能够获得充足的光线进行拍照。
如图3所示，外缘圆环601的外侧面设有若干道环形凹槽604，所述凹槽内设有金属环605，所述摄像头2的导线201穿过外缘圆环601并与对应的金属环605电连接；旋转臂101后端的机械臂上设有多条弹性臂8，所述弹性臂8的端部设有金属触点801，所述金属触点801伸入到对应的凹槽604内，并与凹槽604内的金属环605接触，所述弹性臂8设有沿弹性臂8轴向延伸的线槽802，所述线槽802内设有与金属触点801连接的外接导线9。摄像头2的导线201并不会直接与服务器、计算机、供电系统等直接连接，而是通过外接导线9间接连接，在摄像头2随着旋转臂101转动时，弹性臂8的弹力保证其端部的金属触点801始终与金属环605接触，这样就能够保证外接导线9通过金属触点801、金属环605与摄像头2的导线201保持电连接，而外接导线9是位于弹性臂8上的，并不会随着旋转臂101的转动而转动，这样就避免了导线201缠绕的问题，并使得整体外观更加整洁紧凑。
在上述三目视觉机械臂装置中，三个摄像头2均布于旋转臂101的端部，摄像头2可在旋转臂101的带动下转动，确保在多个环形路线无死角拍摄待检测部件，有效避免物体遮挡和视野受限的不足，进而获取更全面的视觉信息。上述摄像头2分别包括正常视角、广角视角和微距视角，可以同时获取待检测部件的多维度视觉信息，保证三维重建环节所需图像素材的充分性。六自由度机械臂1运动模态丰富，可以快速、精确地改变摄像头2的拍摄路线，为快速精准获取图像信息奠定基础。
在本实施例中，六自由度机械臂1采用SANXI-SX1006A-144机械臂；三个摄像头2中，中焦镜头摄像头2采用MV-CA050-20GC，500万像素高清工业相机，广角摄像头2采用Tenda-TL-IPC13CH-22Vet，310万像素摄像机，微距摄像头2采用ZONGYUAN-ZY-HD3008C，2100万像素摄像机。
如图4所示，在使用时，上述固定平台3一般设置在生产线或检测车间内，并位于待检测工业部件平台10的旁侧，待检测工业部件平台10可设置为传送带或固定台。摄像头2通过数据传输线与数据存储服务器11连接；计算机12通过数据传输线与数据存储服务器11连接；六自由度机械臂1通过数据传输线与计算机12连接；摄像头2、六自由度机械臂1、计算机12和数据存储服务器11通过供电电缆与供电系统13相连。在机械臂运动过程中，三个摄像头2分别从多个环形路线获取待检测部件的图像信息，并将相关数据传输至数据存储服务器11进行存储，计算机12调用数据存储服务器11中的存储图像进行图像处理和重构建模，并发出指令对六自由度机械臂1进行运动控制。
其中，数据存储服务器11采用DELL-T430-E5-2603v3 300GB服务器，计算机12采用Intel(R) Core(TM) i5 CPU 1.80 GHz，2G内存，10G以上硬盘空间，Windows 10-64bit操作系统配置。供电系统13向检测车间、计算机12、数据存储服务器11提供电力保障（如实线箭头所示），检测车间、计算机12和数据存储服务器11之间通讯连接（如虚线箭头所示）。
待检测工业部件放置在待检测工业部件平台10上，当部件到达机械臂1的执行范围内时保持停止，机械臂1沿预设轨迹进行下降动作，确保待检测部件上沿与圆形盘架6平行时停止，此时圆形盘架6在旋转臂101驱动下进行旋转动作，旋转最小精度为1度，可根据实际需求进行旋转角度和转速调整，每次旋转后，三个摄像头2分别进行拍摄动作，拍摄图像数量根据实际需求进行设置，圆形盘架6旋转一周（360度）后可采集该段轨迹的所有有效图像，并将获取的图像信息传输至数据存储服务器11进行存储，进而通过计算机12进行分析处理。在某一环形轨道完成图像采集后，机械臂1根据计算机12预设指令，进行变换轨迹运动，即垂直向下移动或平移运动，改变环形轨道位置，再次固定轨道后，圆形盘架6开始旋转运动，三个摄像头2再继续新一轮的图像采集和传输作业。当圆形盘架6与待检测部件底部平行时，上述步骤过程中已经采集到待检测部件的所有图像信息，此外，除了主视角外还包括广角视角和微距视角的图像信息，为工业部件三维重建工作提供了充足的图像信息，极大保证了三维重建模型的准确性。利用本实用新型提出的装置结构，可以有效避免因遮挡而造成的视觉信息不充分的情况，同时，还可以根据某些待检测工业部件的特殊构造，利用六自由度机械臂1的丰富运动模态进行环形轨道轨迹变换，便于获取部件中死角位置的图像信息。
上面结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体设计并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种面向工业部件三维重建的三目视觉机械臂装置，包括六自由度机械臂及三个摄像头，其特征在于所述机械臂中的旋转臂的端部固定有圆形盘架，所述圆形盘架的圆心位于旋转臂的轴线上，所述三个摄像头分别固定于圆形盘架的边缘，各个摄像头与圆形盘架的圆心距离相等，三个摄像头的安装间隔为120度；所述三个摄像头分别为中焦镜头摄像头、广角摄像头和微距摄像头。
2.根据权利要求1所述的面向工业部件三维重建的三目视觉机械臂装置，其特征在于所述圆形盘架由外缘圆环及连接外缘圆环与圆心位置的若干个支板构成，所述圆形盘架的圆心处设有盘架安装孔，所述圆形盘架利用穿过盘架安装孔的螺栓与旋转臂固定连接；所述摄像头通过摄像头支架固定于圆形盘架上，所述摄像头支架包括直板，所述直板的中部设有支架安装孔，两侧设有摄像头固定孔，所述摄像头固定孔为沿直板轴向延伸的条形孔；所述摄像头利用穿过摄像头固定孔的螺栓与摄像头支架固定连接，所述摄像头支架利用穿过支架安装孔的螺栓与外缘圆环固定连接。
3.根据权利要求2所述的面向工业部件三维重建的三目视觉机械臂装置，其特征在于所述外缘圆环的外侧面设有若干道环形凹槽，所述凹槽内设有金属环，所述摄像头的导线穿过外缘圆环并与对应的金属环电连接；旋转臂后端的机械臂上设有多条弹性臂，所述弹性臂的端部设有金属触点，所述金属触点伸入到对应的凹槽内，并与凹槽内的金属环接触，所述弹性臂设有沿弹性臂轴向延伸的线槽，所述线槽内设有与金属触点连接的外接导线。
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