專利名稱：一種基于主動(dòng)視覺(jué)的氣浮遙操作平臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于主動(dòng)視覺(jué)的氣浮遙操作平臺(tái)，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(kāi)始積極地向地球外的領(lǐng)域開(kāi)拓。開(kāi)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(lái)開(kāi)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(jué)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(jué)系統(tǒng)，視覺(jué)系統(tǒng)也是實(shí)際遙操作過(guò)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(jué)系統(tǒng)缺乏主動(dòng)視覺(jué)功能，攝像機(jī) 不能主動(dòng)跟蹤目標(biāo)物，從而在遙操作過(guò)程中容易出現(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(jué)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(guò)程中 大時(shí)延的存在，這個(gè)搜索過(guò)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(jué)系統(tǒng)的 作用，不利于遙操作任務(wù)的順利完成?，F(xiàn)有空間機(jī)器人的遙操作裝置存在以下缺點(diǎn)現(xiàn)有遙操作平臺(tái)無(wú)主動(dòng)視覺(jué)功能， 在遙操作過(guò)程中容易出現(xiàn)目標(biāo)物偏離出視場(chǎng)的情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于主動(dòng)視覺(jué)的氣浮遙操作平臺(tái)，改變已有遙操作裝置 的結(jié)構(gòu)，在氣浮遙操作平臺(tái)頂部安裝主動(dòng)視覺(jué)攝像機(jī)，克服現(xiàn)有遙操作視覺(jué)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)明提出的基于主動(dòng)視覺(jué)的氣浮遙操作平臺(tái)，包括氣浮平臺(tái)、高壓氣瓶、機(jī)械臂 安裝基座、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、控制器、主動(dòng)視覺(jué)裝置和兩個(gè)機(jī)械臂；所述的高壓氣瓶通 過(guò)軟墊支撐在氣浮平臺(tái)內(nèi)，氣浮平臺(tái)的底部設(shè)有氣足和噴嘴；所述的機(jī)械臂安裝基座、電 源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和控制器分別置于氣浮平臺(tái)上，所述的控制器通過(guò)連接電纜與氣浮平 臺(tái)底部的電磁閥相連，所述的高壓氣瓶的閥門(mén)通過(guò)氣管、三通接頭和電磁閥與氣浮平臺(tái)底 部的噴嘴相連，同時(shí)通過(guò)氣管和三通接頭與氣浮平臺(tái)底部的氣足相連；所述的主動(dòng)視覺(jué)裝 置和兩個(gè)機(jī)械臂分別安裝在機(jī)械臂安裝基座上，機(jī)械臂安裝基座固定在氣浮平臺(tái)上；所述 的主動(dòng)視覺(jué)裝置由可旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)和基座組成，可旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)安裝在基座上；每個(gè)機(jī)械臂由 肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂和手爪組成，所述的肩關(guān)節(jié)固定在機(jī)械臂安裝基座上，所述的大 臂、肘關(guān)節(jié)、小臂依次與肩關(guān)節(jié)相連接，手爪通過(guò)安裝支架安裝在小臂端部。上述氣浮遙操作平臺(tái)中，所述的肩關(guān)節(jié)由肩關(guān)節(jié)電機(jī)、連接件和肩關(guān)節(jié)外殼組成，所述的肩關(guān)節(jié)電機(jī)置于肩關(guān)節(jié)中心，并通過(guò)連接件固定在所述的機(jī)械臂安裝基座上，肩關(guān) 節(jié)電機(jī)的輸出軸通過(guò)法蘭固定在肩關(guān)節(jié)外殼上，肩關(guān)節(jié)外殼的一側(cè)設(shè)有肩關(guān)節(jié)接頭，大臂 的一端通過(guò)肩關(guān)節(jié)接頭固定在肩關(guān)節(jié)外殼上。上述氣浮遙操作平臺(tái)中，所述的肘關(guān)節(jié)由肘關(guān)節(jié)電機(jī)、連接件、上肘關(guān)節(jié)外殼和下 肘關(guān)節(jié)外殼組成，所述的肘關(guān)節(jié)電機(jī)置于肘關(guān)節(jié)中心，并通過(guò)連接件與下肘關(guān)節(jié)外殼相對(duì) 固定；肘關(guān)節(jié)電機(jī)的輸出軸通過(guò)法蘭固定在上肘關(guān)節(jié)外殼上；大臂的另一端通過(guò)上肘關(guān)節(jié) 一側(cè)的上肘關(guān)節(jié)接頭固定在上肘節(jié)外殼上，小臂的一端通過(guò)下肘關(guān)節(jié)另一側(cè)的下肘關(guān)節(jié)接 頭固定在下肘關(guān)節(jié)外殼上。上述氣浮遙操作平臺(tái)中，所述的主動(dòng)視覺(jué)裝置由可旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)、輸出軸、電機(jī)組 成，電機(jī)通過(guò)蝸輪蝸桿與安裝基座相連，安裝基座固定在所述的機(jī)械臂安裝基座上，可旋轉(zhuǎn) 攝像機(jī)通過(guò)輸出軸與電機(jī)聯(lián)動(dòng)。本發(fā)明提出的基于主動(dòng)視覺(jué)的氣浮遙操作平臺(tái)，其優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)有遙操作平臺(tái)都沒(méi) 有采用主動(dòng)視覺(jué)功能，故在操作過(guò)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(jué)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。


圖1為本發(fā)明提出的氣浮遙操作平臺(tái)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明的主動(dòng)視覺(jué)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中，1是手爪，2是安裝支架，3是小臂，4是肘關(guān)節(jié)，5是大臂，6是肩關(guān)節(jié)，7是 主動(dòng)視覺(jué)裝置，8是機(jī)械臂安裝基座，9是電源模塊，10是電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，11是控制器，12是氣 浮平臺(tái)，13是高壓氣瓶閥門(mén)，14是高壓氣瓶，15是氣管，16是三通接頭，17是噴嘴，18是電 磁閥，19是支撐柱，20是氣足，21是連接電纜，22是軟墊。圖2中，401是法蘭，402是肘關(guān)節(jié) 電機(jī)輸出軸，403是肘關(guān)節(jié)電機(jī)，404是連接件，405是上肘關(guān)節(jié)外殼，406是下肘關(guān)節(jié)外殼， 407是下肘關(guān)節(jié)接頭，408是上肘關(guān)節(jié)接頭。圖3中，601是連接法蘭，602是肩關(guān)節(jié)電機(jī)輸 出軸，603是肩關(guān)節(jié)電機(jī)，604是連接件，605是肩關(guān)節(jié)外殼，606是肩關(guān)節(jié)接頭。圖4中，701 是可旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)，702是輸出軸，703是電機(jī)，704是安裝基座。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的基于主動(dòng)視覺(jué)的氣浮遙操作平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括氣浮平 臺(tái)12、高壓氣瓶14、機(jī)械臂安裝基座8、電源模塊9、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器10、控制器11、主動(dòng)視覺(jué)裝 置7和兩個(gè)機(jī)械臂。高壓氣瓶14通過(guò)軟墊22支撐在氣浮平臺(tái)12內(nèi)，氣浮平臺(tái)12的底部 設(shè)有氣足20和噴嘴17。機(jī)械臂安裝基座8、電源模塊9、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器10和控制器11分別置 于氣浮平臺(tái)12上?？刂破?1通過(guò)連接電纜21與氣浮平臺(tái)12底部的電磁閥18相連。高 壓氣瓶14的閥門(mén)13通過(guò)氣管15、三通接頭16和電磁閥18與氣浮平臺(tái)12底部的噴嘴17 相連，同時(shí)通過(guò)氣管15和三通接頭16與氣浮平臺(tái)12底部的氣足20相連。主動(dòng)視覺(jué)裝置7和兩個(gè)機(jī)械臂分別安裝在機(jī)械臂安裝基座8上，機(jī)械臂安裝基座固定在氣浮平臺(tái)上。每個(gè) 機(jī)械臂由肩關(guān)節(jié)6、大臂5、肘關(guān)節(jié)4、小臂3和手爪1組成，肩關(guān)節(jié)6固定在機(jī)械臂安裝基座 8上，大臂5、肘關(guān)節(jié)4、小臂3依次與肩關(guān)節(jié)6相連接，手爪1通過(guò)安裝支架2安裝在小臂3 的端部。上述氣浮遙操作平臺(tái)中的肩關(guān)節(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，由肩關(guān)節(jié)電機(jī)603、連接件 604和肩關(guān)節(jié)外殼605組成。肩關(guān)節(jié)電機(jī)603置于肩關(guān)節(jié)中心，并通過(guò)連接件604固定在機(jī) 械臂安裝基座8上，肩關(guān)節(jié)電機(jī)603的輸出軸602通過(guò)法蘭601固定在肩關(guān)節(jié)外殼605上， 肩關(guān)節(jié)外殼605的一側(cè)設(shè)有肩關(guān)節(jié)接頭606，大臂5的一端通過(guò)肩關(guān)節(jié)接頭606固定在肩關(guān) 節(jié)外殼605上。上述氣浮遙操作平臺(tái)中的肘關(guān)節(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，由肘關(guān)節(jié)電機(jī)403、連接件 404、上肘關(guān)節(jié)外殼405和下肘關(guān)節(jié)外殼406組成，肘關(guān)節(jié)電機(jī)403置于肘關(guān)節(jié)中心，并通過(guò) 連接件404與下肘關(guān)節(jié)外殼相對(duì)固定。肘關(guān)節(jié)電機(jī)403的輸出軸402通過(guò)法蘭401固定在 上肘關(guān)節(jié)外殼405上。大臂5的另一端通過(guò)上肘關(guān)節(jié)外殼405 —側(cè)的上肘關(guān)節(jié)接頭408固 定在上肘節(jié)外殼405上，小臂3的一端通過(guò)下肘關(guān)節(jié)外殼406另一側(cè)的下肘關(guān)節(jié)接頭407 固定在下肘節(jié)外殼406上。當(dāng)電機(jī)接到指令轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)輸出軸402相對(duì)電機(jī)本體403轉(zhuǎn) 動(dòng)，從而帶動(dòng)上關(guān)節(jié)外殼405相對(duì)下關(guān)節(jié)外殼406轉(zhuǎn)動(dòng)，最終使機(jī)械臂小臂3相對(duì)機(jī)械臂大 臂5運(yùn)動(dòng)。上述氣浮遙操作平臺(tái)中，所述的主動(dòng)視覺(jué)裝置的結(jié)構(gòu)如圖4所示，由可旋轉(zhuǎn)攝像 機(jī)701、輸出軸702和電機(jī)703組成，電機(jī)703通過(guò)安裝基座704固定在機(jī)械臂安裝基座8 上，電機(jī)703通過(guò)蝸輪蝸桿與安裝基座704相連，因此電機(jī)703可以帶動(dòng)可旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)701 在安裝基座704上移動(dòng)。安裝基座704固定在機(jī)械臂安裝基座8上，可旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)701通 過(guò)輸出軸702與電機(jī)703聯(lián)動(dòng)。本發(fā)明提出的基于雙目視覺(jué)的氣浮遙操作平臺(tái)的一個(gè)實(shí)施例中，所用的電源模 塊由北京泓韻博公司生產(chǎn)，型號(hào)為HN-20000。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由瑞士 maxon公司生產(chǎn)，型號(hào)為 ADS50/5?？刂破饔杀本┦⒉﹨f(xié)同科技有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為PC104。電磁閥由日本SMC公 司生產(chǎn)，型號(hào)為VQ20型2通先導(dǎo)式電磁閥?？尚D(zhuǎn)攝像機(jī)由日本Sony公司生產(chǎn)，型號(hào)為 EVI-D70P型的彩色攝像機(jī)。以下結(jié)合附圖介紹本發(fā)明氣浮遙操作平臺(tái)的氣浮操作過(guò)程及氣浮原理為打開(kāi)控制氣流的氣閥13，高壓空氣從高壓氣瓶14中釋放出來(lái)，經(jīng)過(guò)氣管15和三通 接頭16流向安裝在氣浮平臺(tái)底部的氣足20，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。氣浮平臺(tái)作平面運(yùn)動(dòng)操作過(guò)程及原理為當(dāng)打開(kāi)控制氣流的氣閥13，高壓空氣從 高壓氣瓶14中釋放出來(lái)后，氣浮平臺(tái)即與大理石平臺(tái)面脫離接觸，同時(shí)，高壓空氣亦送至 電磁閥18處。然后通過(guò)PC104控制器11打開(kāi)所需的電磁閥18，則高壓空氣經(jīng)電磁閥18流 向噴嘴17并噴出，則由高壓空氣噴出而產(chǎn)生的反作用力使氣浮平臺(tái)向反方向運(yùn)動(dòng)?？刂撇?同的電磁閥打開(kāi)，可使氣浮平臺(tái)在大理石平臺(tái)面作二維平面運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明提出的基于主動(dòng)視覺(jué)的氣浮遙操作平臺(tái)，其主要功能是使可旋轉(zhuǎn)攝像機(jī) 701自適應(yīng)的跟蹤目標(biāo)物體，使目標(biāo)物體始終處于攝像頭圖像界面的中心位置。其工作過(guò)程如下當(dāng)目標(biāo)物體不在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)該偏移量以及可旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)的當(dāng)前角度及位置解算出攝 像頭應(yīng)平移的距離及轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，主動(dòng)視覺(jué)裝置電機(jī)根據(jù)解算出的距離和角度轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng) 攝像頭運(yùn)動(dòng)，從而使目標(biāo)物體到達(dá)攝像頭圖像界面的中心位置。
權(quán)利要求
一種基于主動(dòng)視覺(jué)的氣浮遙操作平臺(tái)，其特征在于該氣浮遙操作平臺(tái)包括氣浮平臺(tái)、高壓氣瓶、機(jī)械臂安裝基座、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、控制器、主動(dòng)視覺(jué)裝置和兩個(gè)機(jī)械臂；所述的高壓氣瓶通過(guò)軟墊支撐在氣浮平臺(tái)內(nèi)，氣浮平臺(tái)的底部設(shè)有氣足和噴嘴；所述的機(jī)械臂安裝基座、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和控制器分別置于氣浮平臺(tái)上，所述的控制器通過(guò)連接電纜與氣浮平臺(tái)底部的電磁閥相連，所述的高壓氣瓶的閥門(mén)通過(guò)氣管、三通接頭和電磁閥與氣浮平臺(tái)底部的噴嘴相連，同時(shí)通過(guò)氣管和三通接頭與氣浮平臺(tái)底部的氣足相連；所述的主動(dòng)視覺(jué)裝置和兩個(gè)機(jī)械臂分別安裝在機(jī)械臂安裝基座上，機(jī)械臂安裝基座固定在氣浮平臺(tái)上；所述的主動(dòng)視覺(jué)裝置由可旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)和基座組成，可旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)安裝在基座上；每個(gè)機(jī)械臂由肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂和手爪組成，所述的肩關(guān)節(jié)固定在機(jī)械臂安裝基座上，所述的大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂依次與肩關(guān)節(jié)相連接，手爪通過(guò)安裝支架安裝在小臂端部。
2.如權(quán)利要求1所述的氣浮遙操作平臺(tái)，其特征在于其中所述的肩關(guān)節(jié)由肩關(guān)節(jié)電 機(jī)、連接件和肩關(guān)節(jié)外殼組成，所述的肩關(guān)節(jié)電機(jī)置于肩關(guān)節(jié)中心，并通過(guò)連接件固定在所 述的機(jī)械臂安裝基座上，肩關(guān)節(jié)電機(jī)的輸出軸通過(guò)法蘭固定在肩關(guān)節(jié)外殼上，肩關(guān)節(jié)外殼 的一側(cè)設(shè)有肩關(guān)節(jié)接頭，大臂的一端通過(guò)肩關(guān)節(jié)接頭固定在肩關(guān)節(jié)外殼上。
3.如權(quán)利要求1所述的氣浮遙操作平臺(tái)，其特征在于其中所述的肘關(guān)節(jié)由肘關(guān)節(jié)電 機(jī)、連接件、上肘關(guān)節(jié)外殼和下肘關(guān)節(jié)外殼組成，所述的肘關(guān)節(jié)電機(jī)置于肘關(guān)節(jié)中心，并通 過(guò)連接件與下肘關(guān)節(jié)外殼相對(duì)固定；肘關(guān)節(jié)電機(jī)的輸出軸通過(guò)法蘭固定在上肘關(guān)節(jié)外殼 上；大臂的另一端通過(guò)上肘關(guān)節(jié)一側(cè)的上肘關(guān)節(jié)接頭固定在上肘節(jié)外殼上，小臂的一端通 過(guò)下肘關(guān)節(jié)另一側(cè)的下肘關(guān)節(jié)接頭固定在下肘關(guān)節(jié)外殼上。
4.如權(quán)利要求1所述的氣浮遙操作平臺(tái)，其特征在于其中所述的主動(dòng)視覺(jué)裝置由可旋 轉(zhuǎn)攝像機(jī)、輸出軸、電機(jī)組成，電機(jī)通過(guò)蝸輪蝸桿與安裝基座相連，安裝基座固定在所述的 機(jī)械臂安裝基座上，可旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)通過(guò)輸出軸與電機(jī)聯(lián)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于主動(dòng)視覺(jué)的氣浮遙操作平臺(tái)，屬于空間機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。其中，高壓氣瓶置于氣浮平臺(tái)內(nèi)，氣浮平臺(tái)的底部設(shè)有氣足和噴嘴。機(jī)械臂安裝基座、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和控制器分別置于氣浮平臺(tái)上?？刂破魍ㄟ^(guò)連接電纜與電磁閥相連。高壓氣瓶的閥門(mén)分別與噴嘴和氣足相連。主動(dòng)視覺(jué)裝置和兩個(gè)機(jī)械臂通過(guò)機(jī)械臂安裝基座上固定在氣浮平臺(tái)上。主動(dòng)視覺(jué)裝置由可旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)和基座組成。機(jī)械臂的肩關(guān)節(jié)固定在機(jī)械臂安裝基座上，其大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂依次與肩關(guān)節(jié)相連接。本發(fā)明遙操作平臺(tái)，增加了主動(dòng)視覺(jué)功能，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。
文檔編號(hào)B25J19/04GK101890713SQ201010191289
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者劉華平, 孫富春, 李永明, 王?；? 胡來(lái)紅 申請(qǐng)人:清華大學(xué)