本實(shí)用新型屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域,適用于并聯(lián)機(jī)器人雙目視覺(jué)定位,具體涉及一種用于并聯(lián)機(jī)器人雙目視覺(jué)定位的最優(yōu)視場(chǎng)求取裝置。
背景技術(shù):
并聯(lián)機(jī)構(gòu)是指一個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)鏈能構(gòu)成至少一個(gè)閉環(huán)的機(jī)構(gòu)。相對(duì)于當(dāng)前常見(jiàn)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)而言,并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特殊構(gòu)型使其不會(huì)像串聯(lián)機(jī)構(gòu)那樣因?yàn)樽杂啥鹊脑黾佣a(chǎn)生位置累積誤差,又由于其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均能以二力桿形式存在,具有承載力大,運(yùn)動(dòng)慣量小等優(yōu)點(diǎn)。使其在運(yùn)動(dòng)模擬器、精密機(jī)床及機(jī)器人關(guān)節(jié)等領(lǐng)域成為研究熱點(diǎn)。
并聯(lián)機(jī)構(gòu)的一個(gè)重要特征是,其運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的求解,即按照運(yùn)動(dòng)平臺(tái)位姿求解連桿長(zhǎng)度是較為容易的,而運(yùn)動(dòng)學(xué)正解,即按照連桿長(zhǎng)度求解運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位姿較難。使用視覺(jué)技裝置對(duì)并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)則可以通過(guò)空間定位的方式直接獲得上平臺(tái)的方位,同時(shí)由于逆解的唯一性,可以獲得連桿的準(zhǔn)確長(zhǎng)度,具有十分重要的意義。
該研究在國(guó)內(nèi)外已廣泛展開(kāi)。N.Andreff等人在2005提出通過(guò)對(duì)Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的連桿進(jìn)行角度定位的方法,其同一團(tuán)隊(duì)的O,Tahri等人又提出了使用全景攝像機(jī)在底部對(duì)Stewart平臺(tái)的連桿進(jìn)行角度定位的方案。由于這類方法以直線機(jī)構(gòu)為追蹤對(duì)象,可獲得更高的精度,類似的研究在許多研究機(jī)構(gòu)中展開(kāi)。我國(guó)浙江大學(xué)的左愛(ài)秋等人也對(duì)基于雙目視覺(jué)的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)執(zhí)行末端定位方法進(jìn)行了研究。
當(dāng)前的視覺(jué)定位研究中,一個(gè)普遍的存在的問(wèn)題是視場(chǎng)與定位精度之間的矛盾。由于攝像機(jī)分辨率及計(jì)算機(jī)處理能力的限制,用于實(shí)時(shí)定位的視覺(jué)裝置需要在定位范圍與定位精度之間進(jìn)行折中。通過(guò)縮小視場(chǎng),可以提高定位精度,但要求在較小的工作空間。因此對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行末端和運(yùn)動(dòng)空間特點(diǎn),有針對(duì)性的進(jìn)行視場(chǎng)調(diào)節(jié)和標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì),可以有效提高視覺(jué)定位的效果。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對(duì)現(xiàn)有的視覺(jué)定位技術(shù)存在視場(chǎng)與定位精度之間的矛盾問(wèn)題,本實(shí)用新型一種用于并聯(lián)機(jī)器人雙目視覺(jué)定位的最優(yōu)視場(chǎng)求取裝置,以解決定位范圍與定位精度之間進(jìn)行折中的最佳視場(chǎng)的獲取問(wèn)題。結(jié)合說(shuō)明書附圖,本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下:
一種用于并聯(lián)機(jī)器人雙目視覺(jué)定位的最優(yōu)視場(chǎng)求取裝置,由安裝在并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)終端的標(biāo)識(shí)板和與標(biāo)識(shí)板相向設(shè)置的雙目視覺(jué)平臺(tái)兩部分組成;
所述標(biāo)識(shí)板為帶有數(shù)字編碼的黑白方格標(biāo)識(shí)板;
所述雙目視覺(jué)平臺(tái)由底座1、豎直支架2、豎直滑塊3、縱向絲杠機(jī)構(gòu)4、豎直絲杠機(jī)構(gòu)5、水平支架6、橫向絲杠機(jī)構(gòu)Ⅰ、橫向絲杠機(jī)構(gòu)Ⅱ、橫向滑塊Ⅰ、橫向滑塊Ⅱ、以及萬(wàn)向節(jié)Ⅰ和萬(wàn)向節(jié)Ⅱ組成,實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng);
其中,縱向絲杠機(jī)構(gòu)4固定安裝在底座1上,豎直支架2與縱向絲杠機(jī)構(gòu)4的絲杠螺母固定連接,豎直絲杠機(jī)構(gòu)5安裝在豎直支架2上,豎直滑塊3與豎直絲杠機(jī)構(gòu)5的絲杠螺母固定連接;
水平支架6通過(guò)螺栓安裝在豎直滑塊3上,且螺栓與水平支架6上的螺栓孔為間隙配合;在水平支架6上呈線性開(kāi)有螺紋孔,以調(diào)節(jié)水平支架6的水平位置;橫向絲杠機(jī)構(gòu)Ⅰ7和橫向絲杠機(jī)構(gòu)Ⅱ8沿Y軸方向并排固定在水平支架6上;橫向滑塊Ⅰ9和橫向滑塊Ⅱ10分別配合安裝在橫向絲杠機(jī)構(gòu)Ⅰ7和橫向絲杠機(jī)構(gòu)Ⅱ8的絲杠上;在橫向滑塊Ⅰ9和橫向滑塊Ⅱ10上分別安裝有萬(wàn)向節(jié)Ⅰ11和萬(wàn)向節(jié)Ⅱ12,萬(wàn)向節(jié)Ⅰ11和萬(wàn)向節(jié)Ⅱ12上分別安裝攝像機(jī)。
一種用于并聯(lián)機(jī)器人雙目視覺(jué)定位的最優(yōu)視場(chǎng)求取裝置,其中,所述標(biāo)識(shí)板上的數(shù)字編碼采用圓形、三角形、正方形或矩形,通過(guò)單個(gè)或多個(gè)組合的方式標(biāo)識(shí)。
一種用于并聯(lián)機(jī)器人雙目視覺(jué)定位的最優(yōu)視場(chǎng)求取裝置,其中,所述橫向絲杠機(jī)構(gòu)Ⅰ7和橫向絲杠機(jī)構(gòu)Ⅱ8為滾珠絲杠機(jī)構(gòu)或梯形絲杠機(jī)構(gòu)。
更進(jìn)一步地,所述絲杠機(jī)構(gòu)采用手搖驅(qū)動(dòng)或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本實(shí)用新型的有益效果在于:
1、本實(shí)用新型所述一種用于并聯(lián)機(jī)器人雙目視覺(jué)定位的最優(yōu)視場(chǎng)求取裝置,可根據(jù)并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性,自由地調(diào)節(jié)攝像機(jī)的空間位置角度及焦距等視場(chǎng)參數(shù)。以最高的幀數(shù)和最少的像素?cái)?shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行高精度的三維空間定位。
2、本實(shí)用新型所述一種用于并聯(lián)機(jī)器人雙目視覺(jué)定位的最優(yōu)視場(chǎng)求取裝置,充分考慮了并聯(lián)機(jī)器人的工作空間、構(gòu)型特點(diǎn)及視覺(jué)伺服的特點(diǎn),通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)便可以對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行精確的定位,同時(shí)可根據(jù)視覺(jué)伺服的效果對(duì)誤差進(jìn)行一定程度的修正。
附圖說(shuō)明
圖1為本實(shí)用新型一種用于并聯(lián)機(jī)器人雙目視覺(jué)定位的最優(yōu)視場(chǎng)求取裝置的工作場(chǎng)景示意圖;
圖2為本實(shí)用新型一種用于并聯(lián)機(jī)器人雙目視覺(jué)定位的最優(yōu)視場(chǎng)求取裝置中,標(biāo)識(shí)板結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3為本實(shí)用新型一種用于并聯(lián)機(jī)器人雙目視覺(jué)定位的最優(yōu)視場(chǎng)求取裝置中,雙目視覺(jué)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖;
圖4為本實(shí)用新型一種用于并聯(lián)機(jī)器人雙目視覺(jué)定位的最優(yōu)視場(chǎng)求取裝置的工作流程圖;
圖中:
A-標(biāo)識(shí)板; B-雙目視覺(jué)平臺(tái); C-攝像機(jī); D-運(yùn)動(dòng)平臺(tái);
E-并聯(lián)機(jī)器人;
1-底座; 2-豎直支架; 3-豎直滑塊; 4-縱向絲杠機(jī)構(gòu);
5-豎直絲杠機(jī)構(gòu); 6-水平支架; 7-橫向絲杠機(jī)構(gòu)Ⅰ; 8-橫向絲杠機(jī)構(gòu)Ⅱ;
9-橫向滑塊Ⅰ; 10-橫向滑塊Ⅱ; 11-萬(wàn)向節(jié)Ⅰ; 12-萬(wàn)向節(jié)Ⅱ。
具體實(shí)施方式
為了進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案,結(jié)合說(shuō)明書附圖,本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式如下:
本實(shí)用新型提供了一種用于并聯(lián)機(jī)器人雙目視覺(jué)定位的最優(yōu)視場(chǎng)求取裝置,由標(biāo)識(shí)板和雙目視覺(jué)平臺(tái)兩部分組成。如圖1所示,標(biāo)識(shí)板A安裝在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)D的側(cè)面,運(yùn)動(dòng)平臺(tái)D客觀反映了并聯(lián)機(jī)器人E的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,雙目視覺(jué)平臺(tái)B置于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)D一側(cè),朝向標(biāo)識(shí)板A,兩個(gè)攝像機(jī)C安裝于雙目視覺(jué)平臺(tái)的正前方,朝向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)B上的標(biāo)識(shí)板A,本實(shí)用新型所述裝置可根據(jù)并聯(lián)機(jī)器人工作空間小、執(zhí)行機(jī)構(gòu)為面積較大的平面等特點(diǎn),對(duì)雙目視覺(jué)定位裝置進(jìn)行最佳視場(chǎng)的求取。在通過(guò)結(jié)合了視覺(jué)技術(shù)理論與并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性計(jì)算出的最佳視點(diǎn)位置、相機(jī)焦距、相機(jī)角度及標(biāo)識(shí)特性等參數(shù)的基礎(chǔ)上,對(duì)用于雙目視覺(jué)定位的一對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行X、Y、Z(縱、橫、豎)三個(gè)方向的平移與旋轉(zhuǎn)等六個(gè)自由度進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)攝像機(jī)C在雙目視覺(jué)平臺(tái)B上的空間位置,對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)C上標(biāo)識(shí)板A的標(biāo)識(shí)進(jìn)行捕捉定位,通過(guò)反算對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)C進(jìn)行高精度的三維空間定位,最終獲得并聯(lián)機(jī)器人雙目視覺(jué)定位的最優(yōu)視場(chǎng)。
根據(jù)并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),執(zhí)行末端為面積較大的平面等特點(diǎn)。如圖2所示,本實(shí)用新型裝置張所述標(biāo)識(shí)板A采用黑白方格(棋盤格)標(biāo)識(shí)板,將該標(biāo)識(shí)板安裝在并聯(lián)機(jī)器人執(zhí)行末端的運(yùn)行平臺(tái)上,通過(guò)雙目視覺(jué)技術(shù)獲得黑白方格標(biāo)識(shí)各角點(diǎn)的空間位置,然后采用P4P(Perspective-4-Point)算法獲得并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)行平臺(tái)的三維空間位置信息。此外,所述標(biāo)識(shí)板A還采用數(shù)字編碼標(biāo)識(shí),在標(biāo)識(shí)板的黑白方格內(nèi)采用兩兩組合的方式標(biāo)有圓形、三角形、正方形或矩形標(biāo)識(shí),可獲得該標(biāo)識(shí)在標(biāo)識(shí)盤上的相對(duì)位置信息。這樣通過(guò)少數(shù)標(biāo)識(shí)角點(diǎn)的定位即可獲得并聯(lián)機(jī)構(gòu)執(zhí)行末端的空間位置信息。并可在視覺(jué)裝置與并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端距離變化時(shí),采用面積不同的標(biāo)識(shí)進(jìn)行定位。采用圓形、三角形、矩形或正方形等易于識(shí)別的圖形,通過(guò)圖形的組合可確定被識(shí)別方形標(biāo)識(shí)與執(zhí)行末端的相對(duì)位置。
采用上述帶有編碼的黑白方格標(biāo)識(shí)板,首先,可通過(guò)求取黑白圖像的梯度獲取精確度相對(duì)較高的角點(diǎn)位置;其次,通過(guò)編碼可以獲得所求角點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的相對(duì)位置,在較小的視場(chǎng)中對(duì)方塊格的角點(diǎn)進(jìn)行追蹤即可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的定位。最后,所述標(biāo)識(shí)是可變的,在運(yùn)行平臺(tái)距攝像機(jī)較近時(shí),可對(duì)面積較小的方格角點(diǎn)定位,而在運(yùn)行平臺(tái)距攝像機(jī)較遠(yuǎn)時(shí),可對(duì)面積較大的方格角點(diǎn)定位。
如圖3所示,與標(biāo)識(shí)板相對(duì)應(yīng)的雙目視覺(jué)平臺(tái)是用來(lái)安裝并調(diào)節(jié)兩個(gè)攝像機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。所述雙目視覺(jué)平臺(tái)能夠在X、Y、Z(縱、橫、豎)三個(gè)方向的平移和X、Y、Z三個(gè)方向的旋轉(zhuǎn),共6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。
所述雙目視覺(jué)平臺(tái)包括底座1、豎直支架2、豎直滑塊3、縱向絲杠機(jī)構(gòu)4、豎直絲杠機(jī)構(gòu)5、水平支架6、橫向絲杠機(jī)構(gòu)Ⅰ、橫向絲杠機(jī)構(gòu)Ⅱ、橫向滑塊Ⅰ、橫向滑塊Ⅱ、以及萬(wàn)向節(jié)Ⅰ和萬(wàn)向節(jié)Ⅱ。
其中,底座1、豎直支架2、豎直滑塊3、縱向絲杠機(jī)構(gòu)4和豎直絲杠機(jī)構(gòu)5構(gòu)成XZ軸移動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái),縱向絲杠機(jī)構(gòu)4固定安裝在底座1上,豎直支架2與縱向絲杠機(jī)構(gòu)4的絲杠螺母固定連接,豎直絲杠機(jī)構(gòu)5安裝在豎直支架2上,豎直滑塊3與豎直絲杠機(jī)構(gòu)5的絲杠螺母固定連接。所述底座1內(nèi)部采用永固機(jī)床的十字導(dǎo)軌結(jié)構(gòu),位置精度可達(dá)到0.1毫米。
水平支架6通過(guò)螺栓沿Y軸方向安裝在豎直滑塊3上,且螺栓與水平支架6上的螺栓孔采用約1毫米的間隙配合,水平支架6可沿X軸方向小幅度旋轉(zhuǎn),以保證支架6處于水平狀態(tài),使攝像機(jī)能獲得與標(biāo)識(shí)處于零位時(shí)平行的有利視場(chǎng)。此外,沿水平支架6方向每隔5cm鉆一對(duì)螺栓孔,用于雙目視覺(jué)平臺(tái)在Y軸方向的粗定位。橫向絲杠機(jī)構(gòu)Ⅰ7和橫向絲杠機(jī)構(gòu)Ⅱ8沿Y軸方向并排固定在水平支架6上。橫向絲杠機(jī)構(gòu)Ⅰ7和橫向絲杠機(jī)構(gòu)Ⅱ8為滾珠絲杠或梯形絲杠,且絲杠長(zhǎng)度約為10cm。橫向滑塊Ⅰ9和橫向滑塊Ⅱ10分別配合安裝在橫向絲杠機(jī)構(gòu)Ⅰ7和橫向絲杠機(jī)構(gòu)Ⅱ8的絲杠上。在橫向滑塊Ⅰ9和橫向滑塊Ⅱ10上分別安裝有萬(wàn)向節(jié)Ⅰ11和萬(wàn)向節(jié)Ⅱ12,兩個(gè)攝像機(jī)分別固定于萬(wàn)向節(jié)Ⅰ11和萬(wàn)向節(jié)Ⅱ12上,通過(guò)萬(wàn)向節(jié)可實(shí)現(xiàn)沿?cái)z像機(jī)沿Y軸和Z軸的轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)。
如圖3所示,本實(shí)施例中的絲杠機(jī)構(gòu)均采用手搖驅(qū)動(dòng),此外還可采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。雙目視覺(jué)平臺(tái)六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)如下:在縱向絲杠機(jī)構(gòu)4的驅(qū)動(dòng)下,豎直支架2帶動(dòng)其上方機(jī)構(gòu)沿X軸平移;在豎直絲杠機(jī)構(gòu)5的驅(qū)動(dòng)下,豎直滑塊3帶動(dòng)其上方機(jī)構(gòu)沿Z軸平移;在橫向絲杠機(jī)構(gòu)Ⅰ7和橫向絲杠機(jī)構(gòu)Ⅱ8的驅(qū)動(dòng)下,橫向滑塊Ⅰ9和橫向滑塊Ⅱ10帶動(dòng)其上方機(jī)構(gòu)沿Y軸平移,此外,水平支架6上線性分布的螺栓孔,可實(shí)現(xiàn)水平支架6沿Y軸位置的手動(dòng)調(diào)節(jié)后固定。根據(jù)視覺(jué)定位角度定位較難,而平移定位相對(duì)簡(jiǎn)單的技術(shù)特點(diǎn)。上述三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng),可精確調(diào)節(jié)X、Y、Z(縱、橫、豎)三個(gè)方向的絲杠驅(qū)動(dòng)攝像機(jī)運(yùn)動(dòng),優(yōu)先保證位置精度。
水平支架6上的且螺栓與水平支架6上螺栓孔的間隙配合,可實(shí)現(xiàn)水平支架6可沿X軸小幅度旋轉(zhuǎn);萬(wàn)向節(jié)Ⅰ11和萬(wàn)向節(jié)Ⅱ12可實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)沿Y軸和Z軸的旋轉(zhuǎn),一方面保證最佳的視角方向,另一方面可進(jìn)一步探索改變X軸與Z軸的交叉型與偏移型雙目視覺(jué)定位的方法。
根據(jù)視覺(jué)定位技術(shù)中,深度定位精度較低,而其精度與攝像機(jī)水平距離相關(guān)的特點(diǎn),本實(shí)用新型中的雙目視覺(jué)平臺(tái)的調(diào)節(jié)定位過(guò)程中,先進(jìn)行X軸平移、Y軸平移以及X軸旋轉(zhuǎn)的位置粗調(diào),確定攝像機(jī)大體位置,然后及進(jìn)行Y軸平移、Z軸平移Y軸旋轉(zhuǎn)和Z軸旋轉(zhuǎn)的位置精調(diào)。使用一對(duì)精度較高的橫向絲杠機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)兩臺(tái)攝像機(jī)的水平橫向位置,獲得較一般雙目視覺(jué)裝置更為優(yōu)越的水平方向視點(diǎn)位置。
為了進(jìn)一步理解本實(shí)用新型所述裝置在并聯(lián)機(jī)器人雙目視覺(jué)定位過(guò)程中的作用,下面對(duì)本實(shí)用新型所述裝置的工作原理及工作過(guò)程做簡(jiǎn)要介紹。
如圖3所示,與通常的并聯(lián)機(jī)器人視覺(jué)進(jìn)行定位方法相同。首先將定位標(biāo)識(shí)板A置于運(yùn)行平臺(tái)D上,然后使用一對(duì)攝像機(jī)C安裝于雙目視覺(jué)平臺(tái)B,共同構(gòu)成雙目視覺(jué)定位的最優(yōu)視場(chǎng)求取裝置,所述裝置通過(guò)立體定位算法進(jìn)行定位。在這個(gè)過(guò)程中,便面臨著并聯(lián)機(jī)器人E工作空間(運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍)與定位精度之間的矛盾。當(dāng)雙目視覺(jué)平臺(tái)B距離并聯(lián)機(jī)器人E很近時(shí),定位精度較高,但無(wú)法包含所有的工作空間,即工作視場(chǎng)較小。反之,為了充分包含并聯(lián)機(jī)器人E的所有工作空間,則需要拉開(kāi)雙目視覺(jué)平臺(tái)B與并聯(lián)機(jī)器人E之間的距離,如此一來(lái),難免定位精度較低,難以滿足工作需求。
本實(shí)用新型所述裝置針對(duì)此矛盾而設(shè)計(jì),以求取最優(yōu)的攝像機(jī)工作視場(chǎng)。如圖4所示,其工作流程如下:
第一步,根據(jù)并聯(lián)機(jī)器人工作空間特性和攝像機(jī)特性確定棋盤標(biāo)識(shí)方塊的最優(yōu)幾何參數(shù),如面積、方塊數(shù)量及編碼方式等;
第二步,結(jié)合標(biāo)識(shí)最優(yōu)幾何參數(shù)攝像機(jī)特性和外部干擾等獲得標(biāo)識(shí)顯示特性;
第三步,根據(jù)機(jī)器人特性攝像機(jī)特性和標(biāo)識(shí)顯示特性通過(guò)視場(chǎng)優(yōu)化算法得到最優(yōu)視場(chǎng)參數(shù),如焦距、攝像機(jī)空間位置和角度等;
第四步,由于此時(shí)獲得的最優(yōu)視場(chǎng)參數(shù)是理論上的,因此只能進(jìn)行初步的粗定位。因此先將攝像機(jī)安裝到雙目視覺(jué)平臺(tái)上,在粗定位基礎(chǔ)上,結(jié)合視覺(jué)定位算法,獲得機(jī)器人平臺(tái)在該視場(chǎng)條件下的定位。
第五步,若精度不夠令人滿意,通過(guò)調(diào)節(jié)雙目視覺(jué)平臺(tái)上的絲杠及萬(wàn)向節(jié)等對(duì)攝像機(jī)反復(fù)精確調(diào)整,完成最優(yōu)視場(chǎng)的設(shè)置,獲得最優(yōu)視場(chǎng)。