一种基于激光引导和视觉辅助的多自由度机械臂系统及孔精确定位的方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于激光引导和视觉辅助的多自由度机械臂系统及孔精确定位的方法，它包括大臂、旋转大臂、旋转小臂、引爆炸药卡盘和推注系统，所述大臂一端与台车本体相连，另一端通过第二旋转副与旋转大臂相连；所述旋转大臂一端与大臂相连，另一端通过第一旋转电机和第三旋转副与旋转小臂相连；所述旋转小臂一端与旋转大臂相连，另一端通过第四旋转副与第五旋转副与引爆炸药卡盘相连；所述推注系统包括安装在引爆炸药卡盘上推送器、引导锥、第二旋转电机、激光引导器和摄像头。本发明专利技术基于摄像头无法准确识别平面上定位点特征的情况下，操作工人通过激光和视觉辅助定位，可以使工人在特殊工作场景下提高定位工作的效率及准确率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光引导和视觉辅助的多自由度机械臂系统及孔精确定位的方法


[0001]本专利技术涉及隧道施工
，具体涉及一种基于激光引导和视觉辅助的多自由度机械臂系统及孔精确定位的方法。

技术介绍

[0002]隧道爆破目前对乳化炸药的推注仍采用人工推注方式，由于在进行隧道推注药过程中存在岩爆、坍塌等危险，机械化推注药系统(装置)成为了一个重点研究对象，而多自由度机械臂系统作为械化推注药系统(装置)中的一个至关重要的组成部分，其结构设计是否合理极大程度地影响了作业的范围与效率，操作的安全性，而且为了更精确的完成工作任务和减少人工操作，提高工作效率，需要解决机械臂工作时对于工作区域定位点精确识别问题。
[0003]其中，部分作业因环境因素，在传统的视觉识别机械臂工作中会出现识别错误或者定位点偏移的情况，因为工作面可能并不是理想的平面或者在昏暗的环境里，这就导致定位孔难以被机器识别以及错误识别的情况发生，因此，设计一种结构简单、操作方便、能实现较大作业范围及细分区域寻孔对孔的多自由度机械臂系统成为本领域工程技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是克服现有技术不足，提供一种基于激光引导和视觉辅助的多自由度机械臂系统及孔精确定位的方法，可伸缩大臂连接在台车主体上，具有轴向伸缩、左右偏摆以及仰俯的功能，通过激光和视觉辅助定位的的方法，能实现远距离、大范围的寻孔；旋转小臂上有若干旋转副，能实现多自由度调节，旋转大臂与旋转小臂相连，具有仰俯、偏摆、旋转的功能，可实现较大圆形作业范围及细分区域的寻孔和对孔，最终保证机械臂系统末端的推注药装置垂直于掌子面。本专利技术基于摄像头无法准确识别平面上定位点特征的情况下，操作工人通过激光和视觉辅助定位，可以使工人在特殊工作场景下提高定位工作的效率及准确率。
[0005]为了实现上述的技术特征，本专利技术的目的是这样实现的：一种基于激光引导和视觉辅助的多自由度机械臂系统，它包括大臂、旋转大臂、旋转小臂、引爆炸药卡盘和推注系统，所述大臂一端与台车本体相连，另一端通过第二旋转副与旋转大臂相连；所述旋转大臂一端与大臂相连，另一端通过第一旋转电机和第三旋转副与旋转小臂相连；所述旋转小臂一端与旋转大臂相连，另一端通过第四旋转副与第五旋转副与引爆炸药卡盘相连；所述推注系统包括安装在引爆炸药卡盘上推送器、引导锥、第二旋转电机、激光引导器和摄像头。
[0006]所述大臂采用伸缩结构，且能沿着大臂轴向方向实现一定距离的伸缩滑动；所述大臂末端通过转动副与台车本体相连，具有仰俯功能，能实现智能化、远距离、大范围的寻孔作业。
[0007]所述大臂的前端有一垂直大臂轴向的竖直方向的第一旋转副，能够通过左右偏摆实现小范围的位置调整。
[0008]所述旋转大臂两端均有平行于大臂轴向方向的第二旋转副和第三旋转副，末端通过第二旋转副与大臂前端连接，使二者保持相对垂直关系；首端通过三旋转副左侧与旋转小臂相连、右侧与第一旋转电机相连。
[0009]所述旋转小臂具有多自由度，上面有第三旋转副、第四旋转副和第五旋转副三个旋转副，且三个旋转副的轴向方向两两垂直；
[0010]所述旋转小臂被三个旋转副分为三段，三段依次首尾相连，其中第一段工作旋转路径的平面与旋转大臂保持平行，第一段末端的第四旋转副轴线方向同时垂直于旋转小臂轴线方向与第一段首端第三旋转副轴线方向；旋转小臂的第二段在第四旋转副作用下能实现水平方向旋转，左右偏摆，主要用于调整推送器的位姿；旋转小臂的第三段上装有引爆炸药卡盘，引爆炸药卡盘一端通过第二旋转电机与对孔系统的激光引导器相连，一端与推注系统的推送器相连，在第五旋转副作用下能实现推注系统垂直方向的仰俯。
[0011]通过控制旋转大臂和旋转小臂的旋转，实现大圆形作业范围及细分区域的寻孔。
[0012]通过旋转小臂的仰俯、偏摆动作能实现找孔的轴线，保证孔的角度适应性。
[0013]通过台车的大臂移动到细分区域后，通过机械臂系统的俯仰、偏摆、伸缩等动作调节，最终实现推注药系统与掌子面垂直。
[0014]一种基于激光引导和视觉辅助孔的精确定位方法，其特征在于：
[0015]激光引导器位于机械臂末端关节处，通过激光引导器对工作面进行标定和摄像头实时采集工作画面，得到以摄像头中心为原点的三维坐标系下的摄像头坐标系C＝(x
C
,y
C
,z
C
)，以摄像头光心O
C
为原点，其Z
C
轴与光轴重合，水平方向为X
C
轴，Y
C
轴垂直于X
C
,O
C
,Z
C
平面，焦距f为光心到像平面的距离；
[0016]引导锥坐标系B＝[x
B
,y
B
,z
B
],摄像头坐标系与引导锥坐标系存在安装误差和空间距离，其对应关系用E表示为：
[0017][0018]其中，[α β γ]T
为安装误差角，[x
e y
e z
e
]T
为摄像头到引导锥中心坐标的空间距离，摄像头坐标系与引导锥(12)坐标系之间的关系为：
[0019]C＝EB
[0020]世界坐标系是三维世界的绝对坐标系，对于空间的一点P
E
＝(x
E
,y
E
,z
E
)，其对应的摄像头坐标系的坐标，摄像头坐标系与世界坐标系关系为：
[0021][0022]其中，为引导锥坐标与世界坐标的转换矩阵，t为摄像头坐标与世界坐标间的平移向量，其中：
[0023][0024]图像像素坐标系[u,v]，该坐标系没有物理单位，像素坐标系中的坐标点(u1,v1)代表图像存储在数组中的行和列位置，该位置储存的使图像的颜色或灰度信息；
[0025]图像物理坐标系i＝[x
i
,y
i
],其中X
i
，Y
i
轴分别和X
C
，Y
C
轴平行，物理坐标系i1＝(x1，y1)与其像素坐标系中的点(u1，v1)对应关系为：
[0026][0027]其中，(u0,v0)为图像像素坐标系中的中心点，也即图像物理坐标系的原点所对应的像素点，结合摄像头与世界坐标系，摄像头与物理坐标系及像素与物理坐标系，可得像素坐标系与世界坐标系之间关系为：
[0028][0029]由上式可知，从空间中坐标系一点转换到像素坐标系中一点，只有一个比例变量Z
C
,即式子：
[0030][0031]已知摄像头高度h和姿态角通过世界坐标系中定位点在物理坐标系中的投影(x
i
，y
i
)，即可计算出该定位点在世界坐标系坐标(x
E
,y
E
,z
E
)。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光引导和视觉辅助的多自由度机械臂系统，它包括大臂(1)、旋转大臂(4)、旋转小臂(6)、引爆炸药卡盘(13)和推注系统，其特征在于：所述大臂(1)一端与台车本体相连，另一端通过第二旋转副(3)与旋转大臂(4)相连；所述旋转大臂(4)一端与大臂相连，另一端通过第一旋转电机(14)和第三旋转副(5)与旋转小臂(6)相连；所述旋转小臂(6)一端与旋转大臂相连，另一端通过第四旋转副(7)与第五旋转副(8)与引爆炸药卡盘(13)相连；所述推注系统包括安装在引爆炸药卡盘(13)上推送器(15)、引导锥(12)、第二旋转电机(11)、激光引导器(10)和摄像头(9)。2.根据权利要求1所述一种基于激光引导和视觉辅助的多自由度机械臂系统，其特征在于：所述大臂(1)采用伸缩结构，且能沿着大臂(1)轴向方向实现一定距离的伸缩滑动；所述大臂(1)末端通过转动副与台车本体相连，具有仰俯功能，能实现智能化、远距离、大范围的寻孔作业。3.根据权利要求1所述一种基于激光引导和视觉辅助的多自由度机械臂系统，其特征在于：所述大臂(1)的前端有一垂直大臂轴向的竖直方向的第一旋转副(2)，能够通过左右偏摆实现小范围的位置调整。4.根据权利要求1所述一种基于激光引导和视觉辅助的多自由度机械臂系统，其特征在于：所述旋转大臂(4)两端均有平行于大臂轴向方向的第二旋转副(3)和第三旋转副(5)，末端通过第二旋转副(3)与大臂(1)前端连接，使二者保持相对垂直关系；首端通过三旋转副(5)左侧与旋转小臂(6)相连、右侧与第一旋转电机(14)相连。5.根据权利要求1所述一种基于激光引导和视觉辅助的多自由度机械臂系统，其特征在于：所述旋转小臂(6)具有多自由度，上面有第三旋转副(5)、第四旋转副(7)和第五旋转副(8)三个旋转副，且三个旋转副的轴向方向两两垂直；所述旋转小臂(6)被三个旋转副分为三段，三段依次首尾相连，其中第一段工作旋转路径的平面与旋转大臂(4)保持平行，第一段末端的第四旋转副(7)轴线方向同时垂直于旋转小臂(6)轴线方向与第一段首端第三旋转副(5)轴线方向；旋转小臂(6)的第二段在第四旋转副(7)作用下能实现水平方向旋转，左右偏摆，主要用于调整推送器的位姿；旋转小臂(6)的第三段上装有引爆炸药卡盘(13)，引爆炸药卡盘(13)一端通过第二旋转电机(11)与对孔系统的激光引导器(10)相连，一端与推注系统的推送器(15)相连，在第五旋转副(8)作用下能实现推注系统垂直方向的仰俯。6.根据权利要求1所述一种基于激光引导和视觉辅助的多自由度机械臂系统，其特征在于：通过控制旋转大臂(4)和旋转小臂(6)的旋转，实现大圆形作业范围及细分区域的寻孔。7.根据权利要求1所述一种基于激光引导和视觉辅助的多自由度机械臂系统，其特征在于：通过旋转小臂(6)的仰俯、偏摆动作能实现找孔的轴线，保证孔的角度适应性。8.根据权利要求1所述一种基于激光引导和视觉辅助的多自由度机械臂系统，其特征在于：通过台车的大臂(1)移动到细分区域后，通过机械臂系统的俯仰、偏摆、伸缩等动作调节，最终实现推注药系统与掌子面垂直。9.一种基于激光引导和视觉辅助孔的精确定位方法，采用权利要求1
‑
8任意一项所述基于激光引导和视觉辅助的多自由度机械臂系统实现，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，激光引导器(10)将激光投射至工作面进行定位，摄像头(9)进行定位点识别以
及采集相对位置信息：根据工作面上各个定位点的图像参数，通过摄像头采集实时的工作画面，通过opencv对工作画面中的定位点进行特征识别，并确定各个定位点的位置坐标，从而得到定位点的实时信息；步骤2，摄像头(9)获取实时动态图像并传输至显示器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明松，蔡振宇，庞丹，黄滔，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：