【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于视觉定位，具体而言，涉及一种钢包安装长水口的眼在手机械手视觉定位系统和方法。
技术介绍
1、在钢铁冶金过程中，连铸车间的大包浇注和长水口的更换是关键的操作环节。这一过程的顺利进行直接影响到钢水的质量和生产效率。传统的长水口更换通常依赖人工操作，但这种方式存在操作精度低、效率低、安全隐患大的问题。为了解决这些问题，提高操作效率和安全性，许多钢厂开始采用工业机械手进行长水口的自动更换操作。
2、现有的工业机械手通过预设程序和视觉感知系统，自动完成长水口的抓取、定位和安装作业，代替了人工液压把持器，实现无人化作业。这些机械手主要依赖视觉传感器和自动控制系统来完成任务。然而，现有技术在应用过程中仍面临一些技术挑战和局限性，需要进一步改进和优化。
3、具体来说，目前工业机械手在长水口更换中的视觉传感技术存在以下问题：
4、1.视觉传感器的局限性：现有视觉系统大多采用双目相机和线激光技术。双目相机虽然成本较低且能在多种光照条件下工作，但其在远距离或低对比度场景中的定位精度较差，对纹理较少的表面无法获取准确的深度信息，影响了整体的定位精度。同时，双目相机的定位算法较为复杂，计算资源消耗较高。而线激光技术虽然具备高精度和高分辨率的优势，但它仅能获取单条线的深度数据，难以直接获得完整的三维信息，需要通过传感器或目标的移动来获取全局数据，这不仅增加了操作复杂性，还提高了设备成本。
5、2.“眼在外”的视觉传感器固定方式：大多数视觉传感器固定在机械手的外部，这种“眼在外”的方式虽然稳定性较
6、3.路径规划和实时自适应能力不足：现有机械手通常采用固定路径规划方法，缺乏对动态变化的适应能力。比如，当大包回转台的旋转和抬升位置发生变化时，机械手无法实时调整路径来适应新的位置。这种情况下，容易出现路径偏差或对接失败，往往需要进行操作前的重新标定或依赖人工干预，这显著降低了系统的自动化程度和操作效率。
7、为此炼钢厂迫切需要一种能够解决上述问题的改进方法，例如通过“眼在手”视觉定位方法来提高机械手在钢包长水口更换过程中的操作灵活性和精度。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种钢包安装长水口的眼在手机械手视觉定位系统和方法，以解决上述
技术介绍
中存在的视觉传感器局限性、固定视角限制以及路径规划和实时自适应能力不足的问题。
2、为实现上述目的，一方面，本专利技术提供如下技术方案：一种钢包安装长水口的眼在手机械手视觉定位方法，用于对在机械夹持端上具有摄像装置的机械手进行控制，所述机械手用于夹取与钢包下水口对接的长水口，方法包括：
3、步骤1：采集长水口和夹持端的三维点云数据，并对所述三维点云数据预处理；
4、步骤2：从预处理后的点云数据中提取长水口和夹持端的特征，将所提取特征与各自的预存模板特征进行配准，对配准后的点云数据整体变换并构建长水口和夹持端的三维模型；
5、步骤3：提取三维模型中长水口的被抓取面和夹持端的抓取面的中心坐标，计算被抓取面和抓取面的中心坐标之间的差异，利用路径规划算法基于坐标差异计算夹持端从当前位置到长水口被抓取面的路径；
6、步骤4：根据钢包下水口和长水口安装部的坐标位置，计算从长水口安装部到钢包下水口的配准变换矩阵，利用变换矩阵将长水口安装部的和钢包下水口的点云数据对齐，并利用路径规划算法计算夹持端由长水口安装部的质心位置到下水口目标位置的路径；
7、步骤5：将夹持端的抓取面到长水口被抓取面的规划路径，以及长水口安装部到钢包下水口的规划路径发送给机构控制系统。
8、进一步地，步骤2中，所述的三维模型构建基于配准后的长水口和夹持端特征点，分别计算长水口与其预存模板的变换矩阵、夹持端与其预存模板的变换矩阵以及夹持端与长水口的变换矩阵，利用变换矩阵将长水口点云和夹持端点云分别对齐到模板坐标系中，并合并为完整的三维模型。
9、进一步地，步骤3中，长水口被抓取面和夹持端抓取面的中心坐标通过质心计算法获得。
10、进一步地，步骤3中的质心计算法包括：
11、对被抓取面特征点集中的每个特征点进行坐标求和，将所有特征点的坐标相加后除以特征点的总数量，以获得长水口被抓取面的质心坐标：
12、
13、对夹持端抓取面特征点集中的每个特征点进行坐标求和，将所有特征点的坐标相加后除以特征点的总数量，以获得夹持端抓取面的质心坐标：
14、
15、式中：表示长水口被抓取面的质心坐标；表示夹持端抓取面的质心坐标；n表示匹配的特征点对的总数量；pi表示长水口点云中的第i个特征点；qi表示与长水口预存模板中的相匹配的第i个特征点。
16、进一步地，步骤4中，长水口安装部的对齐特征为安装面的法向量，钢包下水口的对齐特征为下水口的法向量，通过计算法向量之间的旋转矩阵与平移向量，形成长水口安装部到钢包下水口的齐次变换矩阵。
17、另一方面，本专利技术还提供了一种钢包安装长水口的眼在手机械手视觉定位系统，所述眼在手机械手视觉定位系统用于实现钢包安装长水口的眼在手机械手视觉定位方法，包括：
18、视觉采集设备，用于获取长水口及夹持端的三维点云数据；
19、夹持单元，用于夹持长水口，并执行长水口的抓取、移动和与钢包下水口的对接操作；
20、处理器，用于对获取长水口及夹持端的三维点云数据进行预处理，从预处理后的点云数据中提取长水口和夹持端的特征，并与各自的预存模板特征进行配准，确定所提取的特征与模板特征之间的变换关系，根据钢包下水口和长水口安装部的坐标位置，提取三维模型中长水口的被抓取面和夹持端的抓取面的中心坐标，计算被抓取面和抓取面的中心坐标之间的差异，以及根据钢包下水口和长水口安装部的坐标位置，计算从长水口安装部到钢包下水口的配准变换矩阵，利用变换矩阵将长水口安装部的和钢包下水口的点云数据对齐；
21、模型构建单元，用于对配准后的点云数据整体变换并构建长水口和夹持端的三维模型。
22、进一步地，处理器还用于利用路径规划算法基于坐标差异计算夹持端从当前位置到长水口被抓取面的路径，以及利用路径规划算法计算夹持端由长水口安装部的质心位置到下水口目标位置的路径，并将夹持端的抓取面到长水口被抓取面的规划路径，以及长水口安装部到钢包下水口的规划路径发送给机构控制系统。
23、进一步地，视觉采集设备采用眼在手的方式安装在夹持单元上。
24、进一步地，视觉采集设备包括3d结构光相机。
25、进一步地，所述夹持单元包括机械臂和与机械臂集成的夹持端。
26、本专利技术的有益效果是：
27、第一、本专利技术的钢包安装长水口的眼在手机械手视觉定位方法，通过智能路径规划和自本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种钢包安装长水口的眼在手机械手视觉定位方法，用于对在机械夹持端上具有摄像装置的机械手进行控制，所述机械手用于夹取与钢包下水口对接的长水口，其特征在于，方法包括：
2.根据权利要求1所述的钢包安装长水口的眼在手机械手视觉定位方法，其特征在于，步骤2中，所述的三维模型构建基于配准后的长水口和夹持端特征点，分别计算长水口与其预存模板的变换矩阵、夹持端与其预存模板的变换矩阵以及夹持端与长水口的变换矩阵，利用变换矩阵将长水口点云和夹持端点云分别对齐到模板坐标系中，并合并为完整的三维模型。
3.根据权利要求1所述的钢包安装长水口的眼在手机械手视觉定位方法，其特征在于，步骤3中，长水口被抓取面和夹持端抓取面的中心坐标通过质心计算法获得。
4.根据权利要求3所述的钢包安装长水口的眼在手机械手视觉定位方法，其特征在于，步骤3中的质心计算法包括：
5.根据权利要求1所述的钢包安装长水口的眼在手机械手视觉定位方法，其特征在于，步骤4中，长水口安装部的对齐特征为安装面的法向量，钢包下水口的对齐特征为下水口的法向量，通过计算法向量之间的旋转矩阵与平移向
6.一种钢包安装长水口的眼在手机械手视觉定位系统，其特征在于，所述眼在手机械手视觉定位系统用于实现钢包安装长水口的眼在手机械手视觉定位方法，包括：
7.根据权利要求6所述的钢包安装长水口的眼在手机械手视觉定位系统，其特征在于，处理器还用于利用路径规划算法基于坐标差异计算夹持端从当前位置到长水口被抓取面的路径，以及利用路径规划算法计算夹持端由长水口安装部的质心位置到下水口目标位置的路径，并将夹持端的抓取面到长水口被抓取面的规划路径，以及长水口安装部到钢包下水口的规划路径发送给机构控制系统。
8.根据权利要求6所述的钢包安装长水口的眼在手机械手视觉定位系统，其特征在于，视觉采集设备采用眼在手的方式安装在夹持单元上。
9.根据权利要求6所述的钢包安装长水口的眼在手机械手视觉定位系统，其特征在于，视觉采集设备包括3D结构光相机。
10.根据权利要求6所述的钢包安装长水口的眼在手机械手视觉定位系统，其特征在于，所述夹持单元包括机械臂和与机械臂集成的夹持端。
...【技术特征摘要】
1.一种钢包安装长水口的眼在手机械手视觉定位方法，用于对在机械夹持端上具有摄像装置的机械手进行控制，所述机械手用于夹取与钢包下水口对接的长水口，其特征在于，方法包括：
2.根据权利要求1所述的钢包安装长水口的眼在手机械手视觉定位方法，其特征在于，步骤2中，所述的三维模型构建基于配准后的长水口和夹持端特征点，分别计算长水口与其预存模板的变换矩阵、夹持端与其预存模板的变换矩阵以及夹持端与长水口的变换矩阵，利用变换矩阵将长水口点云和夹持端点云分别对齐到模板坐标系中，并合并为完整的三维模型。
3.根据权利要求1所述的钢包安装长水口的眼在手机械手视觉定位方法，其特征在于，步骤3中，长水口被抓取面和夹持端抓取面的中心坐标通过质心计算法获得。
4.根据权利要求3所述的钢包安装长水口的眼在手机械手视觉定位方法，其特征在于，步骤3中的质心计算法包括：
5.根据权利要求1所述的钢包安装长水口的眼在手机械手视觉定位方法，其特征在于，步骤4中，长水口安装部的对齐特征为安装面的法向量，钢包下水口的对齐特征为下水口的法向量，通过计算法向量之间的旋转...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘鑫，辛梓，谭子剑，陈养团，吴湘彬，谭傲峰，余承建，赵星宇，马双，
申请(专利权)人：北京瓦特曼智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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