專利名稱：一種用于氣浮機(jī)械臂遙操作的三目視覺裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于氣浮機(jī)械臂遙操作的三目視覺裝置，屬于空間機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
人類進(jìn)入21世紀(jì)，科技高速發(fā)展，已經(jīng)開始積極地向地球外的領(lǐng)域開拓。開發(fā)太 空和利用空間的能力已成為衡量一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力和大國(guó)地位的重要象征。而空間機(jī)器人 正逐漸成為未來開發(fā)太空的一種重要手段。遙操作是空間機(jī)器人的一種重要控制方式，用 遙操作空間機(jī)器人代替宇航員進(jìn)行空間作業(yè)不但能夠避免宇航員艙外作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，還能提 高空間探索的經(jīng)濟(jì)性和安全性。 由于空間機(jī)器人工作在微重力的環(huán)境中，且基座不固定，機(jī)器人本體和機(jī)械手臂 之間存在嚴(yán)重的運(yùn)動(dòng)耦合，其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型非常復(fù)雜，故十分有必要在地面建立實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)先研究。由于視覺信息占人類獲取外界信息的80%左右，所以目前幾乎所 有的遙操作平臺(tái)都具有視覺系統(tǒng)，視覺系統(tǒng)也是實(shí)際遙操作過程中本地操作員獲取遙操作 遠(yuǎn)端環(huán)境信息的重要途徑。但現(xiàn)有遙操作平臺(tái)采用的視覺系統(tǒng)缺乏主動(dòng)視覺功能，攝像機(jī) 不能主動(dòng)跟蹤目標(biāo)物，從而在遙操作過程中很容易出現(xiàn)目標(biāo)物偏離出視場(chǎng)的情況，這時(shí)就 需要人為調(diào)整視覺系統(tǒng)，重新搜索目標(biāo)物，使目標(biāo)物回到攝像機(jī)的視場(chǎng)。但由于遙操作過程 中大時(shí)延的存在，這個(gè)搜索過程往往既費(fèi)時(shí)，效果還不好，故不能最大限度的發(fā)揮視覺系統(tǒng) 的作用；另外現(xiàn)有遙操作平臺(tái)末端僅具有單目視覺，其視野有限，在遙操作過程中容易被遮 擋且不能測(cè)量深度信息，從而也限制了視覺系統(tǒng)的作用，不利于遙操作任務(wù)的順利完成。
現(xiàn)有空間機(jī)器人的遙操作裝置存在以下缺點(diǎn) 1、現(xiàn)有遙操作平臺(tái)無主動(dòng)視覺功能，在遙操作過程中容易出現(xiàn)目標(biāo)物偏離出視場(chǎng) 的情況； 2、現(xiàn)有遙操作平臺(tái)末端僅具有單目視覺，視野受限，容易被遮擋且不能測(cè)量深度 信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出 一種用于氣浮機(jī)械臂遙操作的三目視覺裝置，改變已有遙操 作裝置的結(jié)構(gòu)，在機(jī)械臂前端安裝三臺(tái)攝像機(jī)，并采用主動(dòng)視覺技術(shù)，克服現(xiàn)有遙操作單目 視覺裝置存在的不足，以用于空間機(jī)械臂遙操作實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，及高等學(xué)校和科研院所做教學(xué) 和科研之用。 本發(fā)明提出的用于氣浮機(jī)械臂遙操作的三目視覺裝置，包括氣浮平臺(tái)、高壓氣瓶、 六自由度機(jī)械臂、安裝支架、手爪支架和三個(gè)攝像頭；所述的高壓氣瓶置于氣浮平臺(tái)內(nèi)，氣 浮平臺(tái)的下方設(shè)有氣足，氣足通過氣管與高壓氣瓶相連接，并通過支撐柱支撐氣浮平臺(tái)；所 述的六自由度機(jī)械臂固定在氣浮平臺(tái)上；所述的安裝支架置于六自由度機(jī)械臂的端部，所 述的三個(gè)攝像頭置于安裝支架的上部，所述的手爪通過手爪支架置于安裝支架的下部。
本發(fā)明提出的用于氣浮機(jī)械臂遙操作的三目視覺裝置，其優(yōu)點(diǎn)是首先，現(xiàn)有遙操 作平臺(tái)都沒有采用主動(dòng)視覺功能，故在操作過程中很容易出現(xiàn)目標(biāo)物偏離出平臺(tái)攝像頭視 場(chǎng)的情況，嚴(yán)重影響遙操作的效率，本發(fā)明增加了主動(dòng)視覺功能，能使平臺(tái)上的攝像頭自適 應(yīng)的跟蹤目標(biāo)物，使目標(biāo)物始終處于攝像頭視場(chǎng)的中心部位，極大方便了遙操作人員的觀 察，提高了遙操作的效率；其次，現(xiàn)有遙操作平臺(tái)末端僅具有單目視覺，視野受限，容易被遮 擋且不能測(cè)量深度信息，本發(fā)明采用了三目視覺方案，既能夠多方位的觀察目標(biāo)物，也克服 了單目視覺在操作過程中容易被遮擋的弊端，同時(shí)利用三目視覺還能給出到目標(biāo)物的深度 信息，利于遙操作人員在操作過程中對(duì)遠(yuǎn)端環(huán)境的了解，避免了碰撞等意外的發(fā)生，為遙操 作任務(wù)的順利完成提供保障。


圖1為本發(fā)明提出的氣浮機(jī)械臂遙操作裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的三目視覺機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖1中，1是攝像頭，2是安裝支架，3是手爪，4是手爪支架，5是六自由度機(jī)械臂， 6是固定螺栓，7是軟木塊，8是氣浮平臺(tái)，9是高壓氣瓶，10是氣閥，11是氣管，12是氣動(dòng)接 頭，13是支撐柱，14是氣足。圖2中，201是底座，202是支架安裝孔，203是滑動(dòng)槽，204是 滑動(dòng)桿固定螺絲，205是滑動(dòng)桿，206是攝像頭座固定螺絲，207是攝像頭固定座，208是攝像 頭固定螺絲。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的用于氣浮機(jī)械臂遙操作的三目視覺裝置，其結(jié)構(gòu)如圖l所示，包括 氣浮平臺(tái)8、高壓氣瓶9、六自由度機(jī)械臂5、安裝支架2、手爪支架4和三個(gè)攝像頭1。高壓 氣瓶9置于氣浮平臺(tái)8內(nèi)，氣浮平臺(tái)8的下方設(shè)有氣足14，氣足14通過氣管11與高壓氣瓶 9相連接，并通過支撐柱13支撐氣浮平臺(tái)8。六自由度機(jī)械臂5通過固定螺栓6固定在氣 浮平臺(tái)上。安裝支架2置于六自由度機(jī)械臂5的端部。三個(gè)攝像頭1置于安裝支架2的上 部，所述的手爪3通過手爪支架4置于安裝支架的下部。 如圖2所示，本發(fā)明的安裝支架2包括支架底座201、支架安裝孔202、滑動(dòng)槽203、 滑動(dòng)桿固定螺絲204、滑動(dòng)桿205、攝像頭座固定螺絲206、攝像頭固定座207、攝像頭固定螺 絲208和三目視覺攝像頭1。攝像頭依次通過攝像頭固定螺絲208、攝像頭固定座207、攝 像頭固定螺絲206、滑動(dòng)桿205和滑動(dòng)桿固定螺絲204和滑動(dòng)槽203，最后固定在支架底座 201上，支架底座201上開有安裝孔202，通過安裝孔202，使安裝支架2固定在六自由度機(jī) 械臂5的端部。攝像頭共有3個(gè)，包括左攝像頭，中間攝像頭，右攝像頭。 一般以中間攝像 頭為默認(rèn)主攝像頭，即對(duì)物體進(jìn)行主動(dòng)跟蹤，其角度可調(diào)整，位置固定；左攝像頭和右攝像 頭為輔助攝像頭，其角度可調(diào)整，位置也可調(diào)整。在實(shí)際操作過程中，也可將左攝像頭或右 攝像頭設(shè)置為主攝像頭。攝像頭固定座207根據(jù)需要在滑動(dòng)槽203上滑動(dòng)從而改變位置。
氣浮平臺(tái)氣浮操作過程及氣浮原理為打開控制氣流的氣閥IO，高壓空氣從高壓 氣瓶9中釋放出來，經(jīng)過氣管11和氣動(dòng)接頭12流向安裝在氣浮平臺(tái)底部的氣足14，由氣足 底部的小孔中噴出，并在氣足底面與下面的大理石平臺(tái)之間形成很薄的氣墊層。這樣整個(gè) 遙操作平臺(tái)就能浮在氣墊層上，與下面的大理石平臺(tái)面脫離接觸，因而能在大理石平臺(tái)面上做近似無阻力的二維自由漂浮運(yùn)動(dòng)。 本發(fā)明提出的用于氣浮機(jī)械臂遙操作的三目視覺裝置，其主要功能是使三目視覺 攝像頭1的主攝像頭自適應(yīng)的跟蹤目標(biāo)物體，使目標(biāo)物體始終處于主攝像頭圖像界面的中 心位置。其工作過程如下當(dāng)目標(biāo)物體不在主攝像頭圖像界面的中心位置時(shí)，計(jì)算出目標(biāo)物 體位置到主攝像頭圖像界面中心位置的偏移量，然后根據(jù)該偏移量以及機(jī)械臂5與氣浮平 臺(tái)8之間的運(yùn)動(dòng)耦合關(guān)系解算出六自由度機(jī)械臂5各關(guān)節(jié)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，各關(guān)節(jié)根據(jù)解算 出的角度轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)三目視覺攝像頭1運(yùn)動(dòng)，從而使目標(biāo)物體到達(dá)主攝像頭圖像界面的中 心位置。 另外，本發(fā)明提出的用于氣浮機(jī)械臂遙操作的三目視覺裝置，還可以根據(jù)三目視 覺攝像頭1中三個(gè)攝像頭的相對(duì)位置關(guān)系和目標(biāo)物體在三個(gè)攝像頭圖像界面中的位置坐 標(biāo)，計(jì)算出目標(biāo)物體到三目視覺攝像頭1中主攝像頭的深度信息，提供給遙操作人員進(jìn)行 輔助決策。 本發(fā)明裝置的一個(gè)實(shí)施例中，六自由度機(jī)械臂5為購(gòu)置于首鋼莫托曼機(jī)器人有限 公司的HP3型六自由度機(jī)械臂。
權(quán)利要求
一種用于氣浮機(jī)械臂遙操作的三目視覺裝置，其特征在于該裝置包括氣浮平臺(tái)、高壓氣瓶、六自由度機(jī)械臂、安裝支架、手爪支架和三個(gè)攝像頭；所述的高壓氣瓶置于氣浮平臺(tái)內(nèi)，氣浮平臺(tái)的下方設(shè)有氣足，氣足通過氣管與高壓氣瓶相連接，并通過支撐柱支撐氣浮平臺(tái)；所述的六自由度機(jī)械臂固定在氣浮平臺(tái)上；所述的安裝支架置于六自由度機(jī)械臂的端部，所述的三個(gè)攝像頭置于安裝支架的上部，所述的手爪通過手爪支架置于安裝支架的下部。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于氣浮機(jī)械臂遙操作的三目視覺裝置，屬于空間機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。本裝置中，高壓氣瓶置于氣浮平臺(tái)內(nèi)，氣浮平臺(tái)的下方設(shè)有氣足，氣足通過氣管與高壓氣瓶相連接，并通過支撐柱支撐氣浮平臺(tái)。六自由度機(jī)械臂固定在氣浮平臺(tái)上。安裝支架置于六自由度機(jī)械臂的端部。三個(gè)攝像頭置于安裝支架的上部。手爪通過手爪支架置于安裝支架的下部。本發(fā)明裝置增加了主動(dòng)視覺功能，使平臺(tái)上的攝像頭自適應(yīng)的跟蹤目標(biāo)物，提高遙操作的效率；采用三目視覺方案，多方位的觀察目標(biāo)物，利于遙操作人員在操作過程中對(duì)遠(yuǎn)端環(huán)境的了解，避免了碰撞等意外的發(fā)生，為遙操作任務(wù)的順利完成提供保障。
文檔編號(hào)B25J9/00GK101698299SQ20091023540
公開日2010年4月28日 申請(qǐng)日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者劉華平, 吳鳳鴿, 孫富春, 胡來紅 申請(qǐng)人:清華大學(xué)