專利名稱：適用精密機(jī)械加工的雙目主動(dòng)視覺監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械加工視覺監(jiān)測領(lǐng)域，特別是涉及一種用于并聯(lián)機(jī)床精密機(jī)械加工工作空間監(jiān)測的雙目主動(dòng)視覺裝置。
背景技術(shù)：
并聯(lián)機(jī)床是一種新型以并聯(lián)機(jī)構(gòu)為主體的數(shù)控加工設(shè)備，與傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床相比，并聯(lián)機(jī)床容易實(shí)現(xiàn)六軸聯(lián)動(dòng)，是一類虛擬軸機(jī)床。
并聯(lián)機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)可以追溯到1931年，Gwinnett在其專利中提出的一種基于球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的娛樂裝置，1962年Gough發(fā)明了一種基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度輪胎檢測裝置，1965年德國人Stewart首次對Gough發(fā)明的這種機(jī)構(gòu)進(jìn)行了機(jī)構(gòu)學(xué)意義上的研究，并將其推廣應(yīng)用于飛行模擬器的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生裝置。從此，這種稱為Gough-Stewart機(jī)構(gòu)被人們開始廣泛關(guān)注，并應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)床、飛船對接器、微操作機(jī)器人等。初期的并聯(lián)機(jī)床多以六自由度的Stewart機(jī)構(gòu)作為主體，后來一些少自由度的并聯(lián)機(jī)床、帶冗余鏈的并聯(lián)機(jī)床等各種產(chǎn)品樣機(jī)相繼出現(xiàn)，從機(jī)構(gòu)上克服Stewart機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)約束和奇異位形等帶來的工作空間小、實(shí)際可達(dá)到的精度和剛性低的影響，加速了并聯(lián)機(jī)床實(shí)用化。如1994年在美國芝加哥IMTS’94博覽會(huì)上推出的Giddings&Lewis公司的VARIAX(變異形)和Ingersoll公司的Hexapod(六足蟲)虛擬軸機(jī)床，以及后來Neos Robotics公司的Tricept系列，德國Milromat公司生產(chǎn)的6X型高速立式加工中心，瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院研制的HexaGlide并聯(lián)機(jī)床，德國斯圖加特大學(xué)的Linapod三自由度機(jī)床，中國燕山大學(xué)的并聯(lián)雕刻機(jī)床等等。
并聯(lián)機(jī)床的普遍特點(diǎn)在于機(jī)構(gòu)的并行性和對稱性，具有剛度大、響應(yīng)速度快、適合于復(fù)雜型面加工、機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單、容易控制、技術(shù)附加值高、虛擬軸加工等優(yōu)點(diǎn)。但隨著應(yīng)用范圍的推廣，加工精度和智能性需求的增長，也存在一些亟待解決的問題。首先，并聯(lián)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)副多數(shù)為鉸鏈，鉸鏈的精度、間隙等問題，影響并聯(lián)機(jī)床的實(shí)際加工精度；其次，在立體加工、復(fù)雜曲面加工等加工過程中，需要對加工部件和環(huán)境變化進(jìn)行識(shí)別和智能化調(diào)整。因此機(jī)床加工過程需要對工作空間進(jìn)行實(shí)時(shí)視覺監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測圖像的視覺分析，對加工的精度進(jìn)行檢測，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)定，對加工環(huán)境進(jìn)行識(shí)別，以產(chǎn)生視覺伺服信號(hào)，反饋到機(jī)床的控制系統(tǒng)。
并聯(lián)機(jī)床的視覺監(jiān)測裝置的監(jiān)測范圍是并聯(lián)機(jī)床的工作空間，現(xiàn)有的視覺監(jiān)測裝置多為固定攝像機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)和連于串聯(lián)機(jī)構(gòu)的手眼系統(tǒng)。固定攝像機(jī)的監(jiān)測系統(tǒng)中，攝像機(jī)(一臺(tái)或多臺(tái))固定置于工作空間外，從固定的視角進(jìn)行監(jiān)測，優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)構(gòu)和視覺模型簡單，但需要較大視野，存在無法覆蓋整個(gè)視覺空間，無法改變視角，出現(xiàn)視覺遮擋，定位精度差等缺點(diǎn)；連于串聯(lián)機(jī)構(gòu)的手眼系統(tǒng)是將攝像機(jī)連于串聯(lián)機(jī)構(gòu)末端，通過控制串聯(lián)機(jī)構(gòu)調(diào)整攝像機(jī)的視角，雖然這種機(jī)構(gòu)具備一定視角調(diào)整能力，但其視角調(diào)整范圍有限，并且不符合并聯(lián)機(jī)構(gòu)及其工作空間的對稱性的特點(diǎn)，也有存在監(jiān)測盲點(diǎn)、視角轉(zhuǎn)換不靈活等缺點(diǎn)。
綜上所述，用于并聯(lián)機(jī)床精密機(jī)械加工工作空間監(jiān)測的視覺裝置，一方面要求視覺裝置適合并聯(lián)機(jī)床并行性的特點(diǎn)，在不影響并聯(lián)機(jī)床工作情況下，方便視覺監(jiān)測裝置的裝配和運(yùn)行；另一方面要求視覺裝置能夠監(jiān)測并聯(lián)機(jī)器人的整個(gè)工作空間，并具備靈活轉(zhuǎn)變觀測角度，以實(shí)現(xiàn)視覺避讓等視覺功能的擴(kuò)展；此外，還要求視覺裝置的結(jié)構(gòu)特性能夠方便視覺計(jì)算。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的固定攝像機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)和連于串聯(lián)機(jī)構(gòu)的手眼系統(tǒng)的上述不足，本發(fā)明提供一種適用于小工作空間內(nèi)精密加工監(jiān)測的雙目主動(dòng)視覺裝置。該發(fā)明利用并聯(lián)機(jī)床機(jī)構(gòu)并行性和結(jié)構(gòu)的對稱性，以并聯(lián)機(jī)床工作空間為觀測范圍，以實(shí)現(xiàn)多角度大范圍觀察、視覺避讓為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)機(jī)床工作精確定位和認(rèn)知環(huán)境信息以及視覺伺服。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是三個(gè)垂直支架對稱固定在水平底座上，每個(gè)支架上有一條定長連桿的滑軌，每個(gè)滑軌上有一可上下滑動(dòng)的滑塊。圓形導(dǎo)軌與滑塊固連，且與底座平行，圓形導(dǎo)軌的平面保持水平且可沿滑軌上下運(yùn)動(dòng)。圓形導(dǎo)軌上設(shè)置可在圓形軌道上運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)小車。每個(gè)小車上安裝一個(gè)云臺(tái)，云臺(tái)由兩個(gè)正交的轉(zhuǎn)動(dòng)副構(gòu)成，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)動(dòng)軸設(shè)定在圓軌的半徑方向和切線方向。每個(gè)云臺(tái)上安裝一個(gè)攝像機(jī)。其中圓軌的上下運(yùn)動(dòng)、小車在圓形導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)和云臺(tái)的兩正交轉(zhuǎn)動(dòng)軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)為主動(dòng)驅(qū)動(dòng)部件，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)攝像機(jī)構(gòu)成基線可調(diào)、視角動(dòng)態(tài)可調(diào)的雙目主動(dòng)視覺監(jiān)測裝置。
本發(fā)明的有益效果是(1)兩攝像機(jī)位姿可控性。通過圓形導(dǎo)軌沿上下滑軌的滑動(dòng)和攝像機(jī)沿圓形導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)，可調(diào)整兩攝像機(jī)的位置；通過云臺(tái)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副在圓軌半徑和切線兩正交方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)兩攝像機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，可調(diào)整攝像機(jī)的姿態(tài)，構(gòu)成基線可調(diào)的雙目主動(dòng)視覺系統(tǒng)。從而達(dá)到對目標(biāo)的最佳視角觀測以及大范圍調(diào)整視角的能力，有助于對觀測目標(biāo)精確定位和視覺避讓的規(guī)劃和實(shí)現(xiàn)。(2)視覺監(jiān)測裝置不與并聯(lián)機(jī)床耦合，可減少并聯(lián)機(jī)床工作振動(dòng)等因素對視覺系統(tǒng)的影響。(3)視覺監(jiān)測裝置的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)副軸間具有規(guī)則的幾何關(guān)系。調(diào)整攝像機(jī)位置的導(dǎo)軌整體的上下運(yùn)動(dòng)方向和攝像機(jī)沿圓形導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)軸向均為圓軌平面的法線方向，調(diào)整攝像機(jī)姿態(tài)的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸向分別為圓軌的半徑和切線方向。因此，三個(gè)軸線成相互正交的關(guān)系，容易描述和表達(dá)，可降低系統(tǒng)模型的復(fù)雜性，方便視覺系統(tǒng)建模和計(jì)算。


圖1為適用精密機(jī)械加工的雙目主動(dòng)視覺監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圓形導(dǎo)軌、小車、云臺(tái)、攝像機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為各主動(dòng)運(yùn)動(dòng)副軸間關(guān)系示意圖。
在圖1、圖2和圖3中，1、12、13.步進(jìn)電機(jī)，2、7、11.支架，3、10.絲杠，4、9.小車，5.圓形導(dǎo)軌，6.底座，8.滑塊，14.伺服電機(jī)，15.蝸桿，16.蝸輪，17.固定架，18.傳動(dòng)軸，19.齒輪，20.支撐輪，21.外軌，22.外齒圈，23.內(nèi)軌，24、26.內(nèi)軌滑塊，25.車架，27.小車平臺(tái)，28.云臺(tái)，29.攝像機(jī)，30.圓形導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，31、32.為小車4上云臺(tái)的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸線，33、34.小車9上云臺(tái)的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸線，35.滑塊沿上下滑軌的滑動(dòng)軸線，也為圓形導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸線。
具體實(shí)施例方式
適用精密機(jī)械加工的雙目主動(dòng)視覺監(jiān)測裝置獨(dú)立于并聯(lián)機(jī)床，對稱布置的三個(gè)支架2、7、11固連在底座6上，每個(gè)支架內(nèi)裝有上下滑軌，每個(gè)滑軌之間相互平行，且垂直底座6平面；每條滑軌上安裝滑塊，上下滑軌和滑塊采用絲杠螺母結(jié)構(gòu)，三個(gè)支架內(nèi)裝有絲杠3、10(支架7中也有與3、10相同的絲杠)，滑塊8加工有內(nèi)螺紋(圓形導(dǎo)軌5與支架2和7有同8相同的滑塊)，圓形導(dǎo)軌5與三個(gè)滑塊8固連，且保持圓形導(dǎo)軌平行底座平面。步進(jìn)電機(jī)1、12、13安裝在三個(gè)支架2、7、11的頂部，步進(jìn)電機(jī)1、12、13的輸出端與絲杠3、10聯(lián)接。步進(jìn)電機(jī)1、12、13驅(qū)動(dòng)絲杠3、10轉(zhuǎn)動(dòng)來同步控制滑塊8沿絲杠構(gòu)成的滑軌上下運(yùn)動(dòng)，并作為主動(dòng)輸入控制圓形導(dǎo)軌5保持水平上下移動(dòng)；兩個(gè)小車4、9可以在圓形導(dǎo)軌5上運(yùn)動(dòng)。通過導(dǎo)軌的上下滑動(dòng)和兩小車在圓形導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)，控制小車上安裝的兩攝像機(jī)的空間位置和攝像機(jī)間的基線長度。
圓形導(dǎo)軌5由內(nèi)軌23和外軌21構(gòu)成，內(nèi)軌、外軌為同心圓軌，并且外軌內(nèi)側(cè)加工外齒圈22。小車4、9結(jié)構(gòu)相同，均由車架25、小車平臺(tái)27、支撐輪20、內(nèi)軌滑塊24、26和齒輪19構(gòu)成。車架25上安裝小車平臺(tái)27，車架25的下部安裝內(nèi)軌滑塊24、26、支撐輪20和齒輪19，支撐輪20和齒輪19嵌入外軌21，內(nèi)軌滑塊24、26嵌入內(nèi)軌23，一方面保證小車平穩(wěn)，另一方面限定小車在圓形軌道上運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)14通過固定架17安裝在小車平臺(tái)27上，蝸輪16通過傳動(dòng)軸18與齒輪19相連，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿帶動(dòng)蝸輪，通過傳動(dòng)軸18帶動(dòng)齒輪19轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪19與外齒圈22嚙合帶動(dòng)小車4、9沿圓形軌道運(yùn)動(dòng)。云臺(tái)28安裝在小車平臺(tái)27上，云臺(tái)28的主要運(yùn)動(dòng)部件由在圓軌半徑和切線兩正交方向設(shè)置的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)。攝像機(jī)29固連在云臺(tái)28上。攝像機(jī)29受云臺(tái)28的運(yùn)動(dòng)控制來調(diào)整位姿。圓形軌道5上的兩個(gè)小車和其上安裝的部件都相同。
適用精密機(jī)械加工的雙目主動(dòng)視覺監(jiān)測裝置以圓形導(dǎo)軌5整體在上下滑軌上的滑動(dòng)、兩小車4、9在圓形導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)及云臺(tái)28的轉(zhuǎn)動(dòng)作為視覺平臺(tái)機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輸入，構(gòu)成基線位置和長度可調(diào)、光軸可調(diào)、視角可調(diào)的動(dòng)態(tài)雙目主動(dòng)視覺系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對并聯(lián)機(jī)床工作空間的視覺監(jiān)測。此外，支架的數(shù)量可以根據(jù)需要設(shè)置，不影響視覺平臺(tái)機(jī)構(gòu)的其他部分的設(shè)計(jì)。
圓形導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸線35為圓形導(dǎo)軌5的中心法線，云臺(tái)28的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸線31、34在圓形導(dǎo)軌5的切線方向，另兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸線32、33在圓形導(dǎo)軌5的半徑方向。可見，軸線35、31、32相互正交，軸線35、33、34相互正交，并且在視覺平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)中這種正交關(guān)系始終保持。
權(quán)利要求
1.一種適用精密機(jī)械加工的雙目主動(dòng)視覺監(jiān)測裝置，包括步進(jìn)電機(jī)(1，12，13)、底座(6)和攝像機(jī)(29)，其特征是對稱布置的三個(gè)支架(2，7，8)固連在底座(6)上，在三個(gè)支架內(nèi)裝有上下滑軌(3、10)，每個(gè)滑軌之間相互平行，且垂直底座(6)平面；每條滑軌上安裝滑塊(8)，圓形導(dǎo)軌(5)與三個(gè)滑塊(8)固連，在圓形導(dǎo)軌(5)上安裝兩個(gè)小車(4，9)，每個(gè)小車平臺(tái)(27)上安裝云臺(tái)(28)，每個(gè)云臺(tái)(28)上安裝攝像機(jī)(29)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用精密機(jī)械加工的雙目主動(dòng)視覺監(jiān)測裝置，其特征是步進(jìn)電機(jī)(1、12、13)安裝在三個(gè)支架(2、7、11)的頂部，步進(jìn)電機(jī)(1、12、13)的輸出端與絲杠(3、10)聯(lián)接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的適用精密機(jī)械加工的雙目主動(dòng)視覺監(jiān)測裝置，其特征是圓形導(dǎo)軌(5)由內(nèi)軌(23)和外軌(21)構(gòu)成，外軌(21)的內(nèi)側(cè)加工有外齒圈(22)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的適用精密機(jī)械加工的雙目主動(dòng)視覺監(jiān)測裝置，其特征是車架(25)上安裝小車平臺(tái)(27)，車架(25)的下部安裝內(nèi)軌滑塊(24，26)、支撐輪(20)和齒輪(19)；支撐輪(20)和齒輪(19)嵌入外軌(21)，齒輪(19)與外軌(21)的外齒圈(22)嚙合，小車(4)的內(nèi)軌滑塊(24，26)嵌入內(nèi)軌(23)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用精密機(jī)械加工的雙目主動(dòng)視覺監(jiān)測裝置，其特征是伺服電機(jī)(14)通過固定架(17)安裝在小車平臺(tái)(27)上，伺服電機(jī)(14)的輸出軸連接蝸桿(15)，與蝸桿(15)嚙合的蝸輪(16)安裝在傳動(dòng)軸(18)的上端，傳動(dòng)軸(18)的下端安裝齒輪(19)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用精密機(jī)械加工的雙目主動(dòng)視覺監(jiān)測裝置，其特征是云臺(tái)(27)有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線分別與圓形導(dǎo)軌(5)的半徑和切線方向相同。
全文摘要
一種適用精密機(jī)械加工的雙目主動(dòng)視覺監(jiān)測裝置，其特征是對稱布置的三個(gè)支架(2，7，11)固連在底座(6)上，在三個(gè)支架(2，7，11)內(nèi)裝有上下滑軌，且垂直底座平面；三條滑軌上安裝滑塊，圓形導(dǎo)軌(5)與三個(gè)滑塊固連，在圓形導(dǎo)軌上安裝兩個(gè)小車(5，9)，每個(gè)小車上安裝云臺(tái)(28)，每個(gè)云臺(tái)(28)上安裝攝像機(jī)(29)。該裝置的雙攝像機(jī)除具有通過轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整姿態(tài)還具有通過在圓形導(dǎo)軌上的滑動(dòng)調(diào)整兩攝像機(jī)間的基線長度和位置，構(gòu)成的視覺系統(tǒng)其基線、光軸可調(diào)，可以靈活調(diào)整觀測的角度，實(shí)現(xiàn)多角度大范圍觀察、靈活避讓等仿人視覺能力。同時(shí)，由于視覺平臺(tái)機(jī)構(gòu)各運(yùn)動(dòng)軸間均具有規(guī)則的正交幾何關(guān)系，具有結(jié)構(gòu)并行性，運(yùn)動(dòng)模型和視覺計(jì)算模型簡單等優(yōu)點(diǎn)，適合用作高精度并聯(lián)機(jī)床的視覺監(jiān)測裝置。
文檔編號(hào)G05B19/18GK1904782SQ200610048110
公開日2007年1月31日 申請日期2006年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月3日
發(fā)明者孔令富, 趙力強(qiáng), 竇燕 申請人:燕山大學(xué)