專(zhuān)利名稱(chēng)：一種五自由度立體視覺(jué)監(jiān)控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是用于獲得自動(dòng)裝配線(xiàn)上運(yùn)動(dòng)工件位置，和監(jiān)控裝配線(xiàn)工作狀態(tài)的一種視覺(jué)監(jiān)控裝置。
背景技術(shù)：
自動(dòng)化裝配線(xiàn)上的視覺(jué)監(jiān)控裝置，是利用視覺(jué)傳感器采集到的圖像，經(jīng)過(guò)圖像處理，得到工件的型號(hào)、位置等信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，操作機(jī)械手，完成裝配任務(wù)。
目前的這種監(jiān)控裝置，采用一臺(tái)固定在某一位置的攝像機(jī)，采集傳送帶上工件的圖像(劉延林編著，柔性制造自動(dòng)化概論，華中科技大學(xué)出版社，2001年10月第一版，第21頁(yè)，圖2.9，2.10，2.11)。這種裝置的不足在于攝像機(jī)是固定的，視野覆蓋范圍較小，只能完成平面上的簡(jiǎn)單定位和操作，不能進(jìn)行空間定位和操作，不能對(duì)裝配線(xiàn)起到監(jiān)控的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在提供一種全新的智能視覺(jué)監(jiān)控裝置，對(duì)自動(dòng)化裝配線(xiàn)進(jìn)行監(jiān)控和高級(jí)調(diào)度，提高裝配線(xiàn)的柔性。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種五自由度的立體視覺(jué)監(jiān)控裝置，由支架、三個(gè)互相垂直的平移運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)、旋轉(zhuǎn)/傾斜手腕結(jié)構(gòu)和攝像機(jī)組成，其支架的前、后頂梁上縱向固裝有前導(dǎo)軌和后導(dǎo)軌，前導(dǎo)軌和后導(dǎo)軌上方通過(guò)連接驅(qū)動(dòng)件架有橫梁，橫梁與前導(dǎo)軌、后導(dǎo)軌相互垂直置放；橫梁內(nèi)側(cè)通過(guò)連接驅(qū)動(dòng)件固接于豎桿的底面中部，豎桿與橫梁正交設(shè)置；豎桿通過(guò)連接驅(qū)動(dòng)件固接于加長(zhǎng)臂上端，加長(zhǎng)臂下端固連著旋轉(zhuǎn)/傾斜手腕結(jié)構(gòu)；旋轉(zhuǎn)/傾斜手腕結(jié)構(gòu)由兩電機(jī)、減速器和攝像機(jī)平臺(tái)組成，兩電機(jī)相互垂直設(shè)置，分別和減速器動(dòng)連接，減速器和攝像機(jī)平臺(tái)動(dòng)連接；攝像機(jī)平臺(tái)上裝有至少兩部攝像機(jī)。
所述的立體視覺(jué)監(jiān)控裝置，其所述連接驅(qū)動(dòng)件，包括條塊或豎桿、絲杠、電機(jī)和滑塊，在條塊或豎桿的槽溝內(nèi)設(shè)有絲杠，絲杠的一端固接有電機(jī)；絲杠與滑塊動(dòng)連接，滑塊一面與導(dǎo)軌動(dòng)接觸，并以一孔內(nèi)螺紋套接于絲杠外螺紋。
所述的立體視覺(jué)監(jiān)控裝置，其所述旋轉(zhuǎn)/傾斜手腕結(jié)構(gòu)的兩電機(jī)，相互垂直設(shè)置，分別通過(guò)減速器可使攝像機(jī)平臺(tái)在平面上做360°旋轉(zhuǎn)，在垂面上做-105°～105°旋轉(zhuǎn)。
所述的立體視覺(jué)監(jiān)控裝置，其所述至少兩部攝像機(jī)，各攝像機(jī)光軸之間的夾角可以調(diào)整；同時(shí)提供不同視角下采集的兩幅視覺(jué)圖像或運(yùn)動(dòng)圖像序列。
所述的立體視覺(jué)監(jiān)控裝置，其所述條塊或豎桿和滑塊之間，安裝有限位傳感器和零位傳感器，能夠限制滑塊在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。
所述的立體視覺(jué)監(jiān)控裝置，其所述兩電機(jī)，其回轉(zhuǎn)軸上安裝有限位傳感器和零位傳感器，能夠限制兩電機(jī)在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而使攝像機(jī)對(duì)計(jì)劃場(chǎng)景進(jìn)行拍攝。
所述的立體視覺(jué)監(jiān)控裝置，其所述減速器，為普通減速器，能夠?qū)\(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行快速跟蹤。
所述的立體視覺(jué)監(jiān)控裝置，其可將多臺(tái)裝置聯(lián)合使用，對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)、場(chǎng)景實(shí)施視覺(jué)監(jiān)控，對(duì)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行視覺(jué)跟蹤。
本發(fā)明的突出特點(diǎn)是利用機(jī)器人裝置，帶動(dòng)兩臺(tái)攝像機(jī)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生和人類(lèi)雙眼結(jié)構(gòu)相似的立體視覺(jué)，跟蹤流水線(xiàn)上的運(yùn)動(dòng)工件，當(dāng)工件到達(dá)指定位置后，通過(guò)圖像處理，得到工件的精確定位，提供給后續(xù)裝配、加工等任務(wù)使用。由于工件的精確位置是通過(guò)處理攝像機(jī)圖像得到，所以對(duì)定位卡具的要求降低了，甚至可以避免使用專(zhuān)用的卡具。在裝配不同的產(chǎn)品時(shí)，避免重新制造卡具和重新設(shè)計(jì)裝配線(xiàn)，增加了裝配線(xiàn)的柔性。
本發(fā)明中，將兩臺(tái)攝像機(jī)固定在一個(gè)五自由度機(jī)器人末端，機(jī)器人帶動(dòng)攝像機(jī)作空間平移運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。該機(jī)器人由兩部分組成直角坐標(biāo)機(jī)器人和旋轉(zhuǎn)/傾斜手腕結(jié)構(gòu)。直角坐標(biāo)機(jī)器人有三個(gè)互相垂直的平移運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，運(yùn)動(dòng)范圍大，定位精確。旋轉(zhuǎn)/傾斜手腕結(jié)構(gòu)有兩個(gè)自由度，安裝在直角坐標(biāo)機(jī)器人末端。手腕結(jié)構(gòu)的末端是一個(gè)攝像機(jī)安裝架，安裝架上設(shè)置兩臺(tái)攝像機(jī)的安裝位置，兩臺(tái)攝像機(jī)的安裝軸能夠平行，或成某一夾角。
本發(fā)明能夠?qū)\(yùn)動(dòng)工件進(jìn)行快速跟蹤，對(duì)靜止工件進(jìn)行立體視覺(jué)定位。


圖1為五自由度立體視覺(jué)監(jiān)控裝置示意圖；圖2為攝像機(jī)跟蹤快速運(yùn)動(dòng)工件的視覺(jué)圖像；圖3為兩臺(tái)攝像機(jī)同時(shí)采集工件的視覺(jué)圖像。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖1。矩型框狀支架22的前、后頂梁上縱向固裝有前導(dǎo)軌1和后導(dǎo)軌1a，前導(dǎo)軌1和后導(dǎo)軌1a為直線(xiàn)形凸起，后導(dǎo)軌1a后側(cè)有平行設(shè)置的槽溝狀條塊3a，條塊3a的槽溝內(nèi)設(shè)有絲杠3，絲杠3的一端固接有電機(jī)2。前導(dǎo)軌1與后導(dǎo)軌1a上動(dòng)接觸有滑塊14和滑塊4，滑塊14底面支于前導(dǎo)軌1上，滑塊4前部底面支于后導(dǎo)軌1a上，后部下側(cè)以一孔內(nèi)螺紋套接于絲杠3外螺紋?；瑝K14和滑塊4上方架有橫梁12，橫梁12與前導(dǎo)軌1、后導(dǎo)軌1a相互垂直置放，滑塊14和滑塊4分別固接于橫梁12的兩端。橫梁12內(nèi)側(cè)縱向設(shè)有直線(xiàn)形凸起的導(dǎo)軌7，外側(cè)與導(dǎo)軌7平行設(shè)置有槽溝狀條塊6a，條塊6a的槽溝側(cè)置，內(nèi)設(shè)有絲杠6，絲杠6的一端固接有電機(jī)5。一滑塊13，上部一側(cè)以一孔內(nèi)螺紋套接于絲杠6外螺紋，下部底面支于導(dǎo)軌7上?；瑝K13上部另一側(cè)固接于豎桿9的底面中部，豎桿9與橫梁12正交設(shè)置。豎桿9上表面有一槽溝，槽溝側(cè)有平行設(shè)置的導(dǎo)軌11，槽溝內(nèi)設(shè)有絲杠10，絲杠10的上端固接有電機(jī)8。絲杠10與滑塊15動(dòng)連接，滑塊15后部一側(cè)以一孔內(nèi)螺紋套接于絲杠10外螺紋，前部側(cè)面與導(dǎo)軌11動(dòng)接觸?；瑝K15后部另一側(cè)固接于加長(zhǎng)臂16上端，加長(zhǎng)臂16下端固連著旋轉(zhuǎn)/傾斜手腕結(jié)構(gòu)。
旋轉(zhuǎn)/傾斜手腕結(jié)構(gòu)由電機(jī)17、19、減速器18和攝像機(jī)平臺(tái)23組成，電機(jī)17與電機(jī)19相互垂直設(shè)置，分別和減速器18動(dòng)連接，減速器18和攝像機(jī)平臺(tái)23動(dòng)連接。電機(jī)17、19通過(guò)減速器18可使攝像機(jī)平臺(tái)23在平面上做360°旋轉(zhuǎn)，在垂面上做-105°～105°旋轉(zhuǎn)。攝像機(jī)平臺(tái)23上裝有兩部攝像機(jī)20、21，攝像機(jī)20和攝像機(jī)21光軸之間的夾角可以調(diào)整。
在條塊3a、6a或豎桿9和滑塊3、6、15之間，安裝有限位傳感器和零位傳感器(圖中沒(méi)示出)，能夠限制滑塊3、6、15在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。
在電機(jī)17與電機(jī)19的回轉(zhuǎn)軸上安裝有限位傳感器和零位傳感器(圖中沒(méi)示出)，能夠限制電機(jī)17與電機(jī)19在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而使攝像機(jī)20和攝像機(jī)21對(duì)計(jì)劃場(chǎng)景進(jìn)行拍攝。
本發(fā)明的工作原理使用本發(fā)明裝置進(jìn)行工件跟蹤和定位時(shí)，首先，將攝像機(jī)拍攝到的工件圖像與事先建立在計(jì)算機(jī)中的工件模板進(jìn)行比較，選擇符合模板要求的工件，對(duì)選中工件的圖片進(jìn)行圖像處理，得到工件圖像質(zhì)心坐標(biāo)；然后，當(dāng)工件運(yùn)動(dòng)時(shí)，由一臺(tái)攝像機(jī)連續(xù)采集工件圖像，通過(guò)計(jì)算序列中工件質(zhì)心的變化，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，始終保持工件在攝像機(jī)的視野中；同時(shí)連續(xù)估計(jì)工件在空間坐標(biāo)系中的位置，當(dāng)工件到達(dá)預(yù)定位置后，給出停止指令。工件靜止后，調(diào)整攝像機(jī)位置和姿態(tài)，兩臺(tái)攝像機(jī)同時(shí)采集工件的圖像，經(jīng)過(guò)圖像處理，輸出工件質(zhì)心的精確位置，提供給另外的操作機(jī)構(gòu)，完成裝配、加工等任務(wù)。
在本實(shí)施例中，直角坐標(biāo)機(jī)器人的三個(gè)平動(dòng)關(guān)節(jié)安裝在支架22上，支架22高1800mm。三個(gè)平動(dòng)關(guān)節(jié)都采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、高精度滾軸絲杠傳動(dòng)。旋轉(zhuǎn)/傾斜手腕結(jié)構(gòu)采用電機(jī)和減速器的驅(qū)動(dòng)方式。在圖1中，電機(jī)2驅(qū)動(dòng)絲杠3轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)滑塊4和滑塊14沿著導(dǎo)軌1運(yùn)動(dòng)，滑塊4和滑塊14分別固定在橫梁12的兩端，產(chǎn)生攝像機(jī)20、21沿著導(dǎo)軌1的平移運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度為1000mm。絲杠6和導(dǎo)軌7安裝在橫梁12上，滑塊13一端安裝在導(dǎo)軌6上，另一端固定在豎桿9上，加長(zhǎng)臂16固聯(lián)在豎桿9末端，攝像機(jī)安裝在豎桿9末端，電機(jī)5驅(qū)動(dòng)絲杠6旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)滑塊13沿著導(dǎo)軌7運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生攝像機(jī)沿著導(dǎo)軌6方向的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度為460mm。絲杠10和導(dǎo)軌11安裝在豎桿9上，滑塊15一端安裝在導(dǎo)軌11上，一端固定在加長(zhǎng)臂16上端，電機(jī)8驅(qū)動(dòng)絲杠10轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生攝像機(jī)沿著導(dǎo)軌11方向的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度為500mm。加長(zhǎng)臂16下端，固連著手腕結(jié)構(gòu)。手腕的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由電機(jī)17通過(guò)減速器18減速后產(chǎn)生，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為0°-360°。傾斜運(yùn)動(dòng)由電機(jī)19經(jīng)過(guò)減速器18減速后產(chǎn)生，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-105°-105°。攝像機(jī)20和21在手腕的帶動(dòng)下，繞著電機(jī)17和電機(jī)19的回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
本實(shí)施例中，兩臺(tái)攝像機(jī)均采用彩色工業(yè)攝像機(jī)，攝像機(jī)安裝軸的間距為160mm，，攝像機(jī)軸線(xiàn)夾角為15度。實(shí)驗(yàn)時(shí)，圖像采集卡采用OK系列MC-30，計(jì)算機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)ADVANTECH-610。針對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的跟蹤和工件定位進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，圖2為攝像機(jī)20在跟蹤快速運(yùn)動(dòng)工件的視覺(jué)圖像，(獲得圖像質(zhì)心，其中23為運(yùn)動(dòng)工件質(zhì)心)圖3為攝像機(jī)20和21在同一時(shí)刻采集到的工件視覺(jué)圖像和計(jì)算得到的質(zhì)心位置。
權(quán)利要求
1.一種五自由度的立體視覺(jué)監(jiān)控裝置，由支架、三個(gè)互相垂直的平移運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)、旋轉(zhuǎn)/傾斜手腕結(jié)構(gòu)和攝像機(jī)組成，其特征在于支架的前、后頂梁上縱向固裝有前導(dǎo)軌和后導(dǎo)軌，前導(dǎo)軌和后導(dǎo)軌上方通過(guò)連接驅(qū)動(dòng)件架有橫梁，橫梁與前導(dǎo)軌、后導(dǎo)軌相互垂直置放；橫梁內(nèi)側(cè)通過(guò)連接驅(qū)動(dòng)件固接于豎桿的底面中部，豎桿與橫梁正交設(shè)置；豎桿通過(guò)連接驅(qū)動(dòng)件固接于加長(zhǎng)臂上端，加長(zhǎng)臂下端固連著旋轉(zhuǎn)/傾斜手腕結(jié)構(gòu)；旋轉(zhuǎn)/傾斜手腕結(jié)構(gòu)由兩電機(jī)、減速器和攝像機(jī)平臺(tái)組成，兩電機(jī)相互垂直設(shè)置，分別和減速器動(dòng)連接，減速器和攝像機(jī)平臺(tái)動(dòng)連接；攝像機(jī)平臺(tái)上裝有至少兩部攝像機(jī)。
2.如權(quán)利要求1所述的立體視覺(jué)監(jiān)控裝置，其特征在于所述連接驅(qū)動(dòng)件，包括條塊或豎桿、絲杠、電機(jī)和滑塊，在條塊或豎桿的槽溝內(nèi)設(shè)有絲杠，絲杠的一端固接有電機(jī)；絲杠與滑塊動(dòng)連接，滑塊一面與導(dǎo)軌動(dòng)接觸，并以一孔內(nèi)螺紋套接于絲杠外螺紋。
3.如權(quán)利要求1所述的立體視覺(jué)監(jiān)控裝置，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)/傾斜手腕結(jié)構(gòu)的兩電機(jī)，相互垂直設(shè)置，分別通過(guò)減速器可使攝像機(jī)平臺(tái)在平面上做360°旋轉(zhuǎn)，在垂面上做-105°～105°旋轉(zhuǎn)。
4.如權(quán)利要求1所述的立體視覺(jué)監(jiān)控裝置，其特征在于所述至少兩部攝像機(jī)，各攝像機(jī)光軸之間的夾角可以調(diào)整；同時(shí)提供不同視角下采集的兩幅視覺(jué)圖像或運(yùn)動(dòng)圖像序列。
5.如權(quán)利要求2所述的立體視覺(jué)監(jiān)控裝置，其特征在于所述豎桿或條塊和滑塊之間，安裝有限位傳感器和零位傳感器，能夠限制滑塊在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。
6.如權(quán)利要求3所述的立體視覺(jué)監(jiān)控裝置，其特征在于所述兩電機(jī)，其回轉(zhuǎn)軸上安裝有限位傳感器和零位傳感器，能夠限制兩電機(jī)在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而使攝像機(jī)對(duì)計(jì)劃場(chǎng)景進(jìn)行拍攝。
7.如權(quán)利要求1或3所述的立體視覺(jué)監(jiān)控裝置，其特征在于所述減速器，為普通減速器，能夠?qū)\(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行快速跟蹤。
8.如權(quán)利要求1所述的立體視覺(jué)監(jiān)控裝置，其特征在于可將多臺(tái)裝置聯(lián)合使用，對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)、場(chǎng)景實(shí)施視覺(jué)監(jiān)控，對(duì)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行視覺(jué)跟蹤。
全文摘要
一種五自由度立體視覺(jué)監(jiān)控裝置屬于監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，由支架、三個(gè)互相垂直的平移運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)、旋轉(zhuǎn)/傾斜手腕結(jié)構(gòu)和攝像機(jī)組成，有五個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸上安裝有兩個(gè)限位傳感器和一個(gè)零位傳感器。兩臺(tái)攝像機(jī)分別安裝在腕關(guān)節(jié)的下端，攝像機(jī)光軸間的夾角可以調(diào)整。當(dāng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)攝像機(jī)在空間五個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)沿水平面上兩個(gè)方向的平移運(yùn)動(dòng)，與垂直面的平移運(yùn)動(dòng)，及兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明機(jī)器人腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)速度快，可快速跟蹤運(yùn)動(dòng)物體，提供兩個(gè)角度拍攝的物體圖像，經(jīng)后續(xù)運(yùn)算，對(duì)物體精確定位。直角坐標(biāo)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，運(yùn)動(dòng)范圍大，能夠擴(kuò)大攝像機(jī)視野。本發(fā)明將計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用到自動(dòng)裝配線(xiàn)上，提高了裝配線(xiàn)的柔性和精度。
文檔編號(hào)B25J19/04GK1721142SQ200410068998
公開(kāi)日2006年1月18日 申請(qǐng)日期2004年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月15日
發(fā)明者趙曉光, 譚民, 汪建華, 杜欣, 徐德, 李原, 梁自澤, 景奉水 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所