專利名稱：一種用于氣浮機械臂遙操作的三目視覺裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于氣浮機械臂遙操作的三目視覺裝置，屬于空間機器人技術領域。
背景技術：
人類進入21世紀，科技高速發展，已經開始積極地向地球外的領域開拓。開發太 空和利用空間的能力已成為衡量一個國家綜合實力和大國地位的重要象征。而空間機器人 正逐漸成為未來開發太空的一種重要手段。遙操作是空間機器人的一種重要控制方式，用 遙操作空間機器人代替宇航員進行空間作業不但能夠避免宇航員艙外作業的風險，還能提 高空間探索的經濟性和安全性。 由于空間機器人工作在微重力的環境中，且基座不固定，機器人本體和機械手臂 之間存在嚴重的運動耦合，其運動學、動力學模型非常復雜，故十分有必要在地面建立實驗 驗證系統進行預先研究。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 有的遙操作平臺都具有視覺系統，視覺系統也是實際遙操作過程中本地操作員獲取遙操作 遠端環境信息的重要途徑。但現有遙操作平臺采用的視覺系統缺乏主動視覺功能，攝像機 不能主動跟蹤目標物，從而在遙操作過程中很容易出現目標物偏離出視場的情況，這時就 需要人為調整視覺系統，重新搜索目標物，使目標物回到攝像機的視場。但由于遙操作過程 中大時延的存在，這個搜索過程往往既費時，效果還不好，故不能最大限度的發揮視覺系統 的作用；另外現有遙操作平臺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 擋且不能測量深度信息，從而也限制了視覺系統的作用，不利于遙操作任務的順利完成。
現有空間機器人的遙操作裝置存在以下缺點 1、現有遙操作平臺無主動視覺功能，在遙操作過程中容易出現目標物偏離出視場 的情況； 2、現有遙操作平臺末端僅具有單目視覺，視野受限，容易被遮擋且不能測量深度 信息。
發明內容
本發明的目的是提出 一種用于氣浮機械臂遙操作的三目視覺裝置，改變已有遙操 作裝置的結構，在機械臂前端安裝三臺攝像機，并采用主動視覺技術，克服現有遙操作單目 視覺裝置存在的不足，以用于空間機械臂遙操作實驗驗證，及高等學校和科研院所做教學 和科研之用。 本發明提出的用于氣浮機械臂遙操作的三目視覺裝置，包括氣浮平臺、高壓氣瓶、 六自由度機械臂、安裝支架、手爪支架和三個攝像頭；所述的高壓氣瓶置于氣浮平臺內，氣 浮平臺的下方設有氣足，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；所 述的六自由度機械臂固定在氣浮平臺上；所述的安裝支架置于六自由度機械臂的端部，所 述的三個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。
本發明提出的用于氣浮機械臂遙操作的三目視覺裝置，其優點是首先，現有遙操 作平臺都沒有采用主動視覺功能，故在操作過程中很容易出現目標物偏離出平臺攝像頭視 場的情況，嚴重影響遙操作的效率，本發明增加了主動視覺功能，能使平臺上的攝像頭自適 應的跟蹤目標物，使目標物始終處于攝像頭視場的中心部位，極大方便了遙操作人員的觀 察，提高了遙操作的效率；其次，現有遙操作平臺末端僅具有單目視覺，視野受限，容易被遮 擋且不能測量深度信息，本發明采用了三目視覺方案，既能夠多方位的觀察目標物，也克服 了單目視覺在操作過程中容易被遮擋的弊端，同時利用三目視覺還能給出到目標物的深度 信息，利于遙操作人員在操作過程中對遠端環境的了解，避免了碰撞等意外的發生，為遙操 作任務的順利完成提供保障。
圖1為本發明提出的氣浮機械臂遙操作裝置的結構示意圖。
圖2為本發明的三目視覺機構的結構示意圖。 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是六自由度機械臂， 6是固定螺栓，7是軟木塊，8是氣浮平臺，9是高壓氣瓶，10是氣閥，11是氣管，12是氣動接 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是滑動槽，204是 滑動桿固定螺絲，205是滑動桿，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。
具體實施例方式
本發明提出的用于氣浮機械臂遙操作的三目視覺裝置，其結構如圖l所示，包括 氣浮平臺8、高壓氣瓶9、六自由度機械臂5、安裝支架2、手爪支架4和三個攝像頭1。高壓 氣瓶9置于氣浮平臺8內，氣浮平臺8的下方設有氣足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8。六自由度機械臂5通過固定螺栓6固定在氣 浮平臺上。安裝支架2置于六自由度機械臂5的端部。三個攝像頭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，本發明的安裝支架2包括支架底座201、支架安裝孔202、滑動槽203、 滑動桿固定螺絲204、滑動桿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、滑動桿205和滑動桿固定螺絲204和滑動槽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 械臂5的端部。攝像頭共有3個，包括左攝像頭，中間攝像頭，右攝像頭。 一般以中間攝像 頭為默認主攝像頭，即對物體進行主動跟蹤，其角度可調整，位置固定；左攝像頭和右攝像 頭為輔助攝像頭，其角度可調整，位置也可調整。在實際操作過程中，也可將左攝像頭或右 攝像頭設置為主攝像頭。攝像頭固定座207根據需要在滑動槽203上滑動從而改變位置。
氣浮平臺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，經過氣管11和氣動接頭12流向安裝在氣浮平臺底部的氣足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之間形成很薄的氣墊層。這樣整個 遙操作平臺就能浮在氣墊層上，與下面的大理石平臺面脫離接觸，因而能在大理石平臺面上做近似無阻力的二維自由漂浮運動。 本發明提出的用于氣浮機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的主攝像頭自適應的跟蹤目標物體，使目標物體始終處于主攝像頭圖像界面的中 心位置。其工作過程如下當目標物體不在主攝像頭圖像界面的中心位置時，計算出目標物 體位置到主攝像頭圖像界面中心位置的偏移量，然后根據該偏移量以及機械臂5與氣浮平 臺8之間的運動耦合關系解算出六自由度機械臂5各關節應轉動的角度，各關節根據解算 出的角度轉動，帶動三目視覺攝像頭1運動，從而使目標物體到達主攝像頭圖像界面的中 心位置。 另外，本發明提出的用于氣浮機械臂遙操作的三目視覺裝置，還可以根據三目視 覺攝像頭1中三個攝像頭的相對位置關系和目標物體在三個攝像頭圖像界面中的位置坐 標，計算出目標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行 輔助決策。 本發明裝置的一個實施例中，六自由度機械臂5為購置于首鋼莫托曼機器人有限 公司的HP3型六自由度機械臂。
權利要求
一種用于氣浮機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、高壓氣瓶、六自由度機械臂、安裝支架、手爪支架和三個攝像頭；所述的高壓氣瓶置于氣浮平臺內，氣浮平臺的下方設有氣足，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；所述的六自由度機械臂固定在氣浮平臺上；所述的安裝支架置于六自由度機械臂的端部，所述的三個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
本發明涉及一種用于氣浮機械臂遙操作的三目視覺裝置，屬于空間機器人技術領域。本裝置中，高壓氣瓶置于氣浮平臺內，氣浮平臺的下方設有氣足，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。六自由度機械臂固定在氣浮平臺上。安裝支架置于六自由度機械臂的端部。三個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。本發明裝置增加了主動視覺功能，使平臺上的攝像頭自適應的跟蹤目標物，提高遙操作的效率；采用三目視覺方案，多方位的觀察目標物，利于遙操作人員在操作過程中對遠端環境的了解，避免了碰撞等意外的發生，為遙操作任務的順利完成提供保障。
文檔編號B25J9/00GK101698299SQ20091023540
公開日2010年4月28日 申請日期2009年10月23日 優先權日2009年10月23日
發明者劉華平, 吳鳳鴿, 孫富春, 胡來紅 申請人:清華大學