專利名稱：一種基于雙目視覺的氣浮遙操作平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及 一種基于雙目視覺的氣浮遙操作平臺，屬于空間機器人技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
人類進入21世紀，科技高速發(fā)展，已經(jīng)開始積極地向地球外的領(lǐng)域開拓。開發(fā)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(fā)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(yè)不但能夠避免宇航員艙外作業(yè)的風(fēng)險，還能提 高空間探索的經(jīng)濟性和安全性。由于空間機器人工作在微重力的環(huán)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(xué)、動力學(xué)模型非常復(fù)雜，故十分有必要在地面建立實驗 驗證系統(tǒng)進行預(yù)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(tǒng)，視覺系統(tǒng)也是實際遙操作過程中本地操作員獲取遙操作 遠端環(huán)境信息的重要途徑。現(xiàn)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(tǒng)的作用，不利于遙操作任務(wù) 的順利完成?，F(xiàn)有空間機器人的遙操作裝置存在以下缺點現(xiàn)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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于雙目視覺的氣浮遙操作平臺，改變已有遙操作裝置 的結(jié)構(gòu)，在氣浮遙操作平臺頂部安裝雙目攝像機，克服現(xiàn)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(xué)校和科研院所做教學(xué)和科研之用。本發(fā)明提出的基于雙目視覺的氣浮遙操作平臺，包括氣浮平臺、高壓氣瓶、機械臂 安裝基座、電源模塊、電機驅(qū)動器、控制器、雙目視覺裝置和兩個機械臂；所述的高壓氣瓶通 過軟墊支撐在氣浮平臺內(nèi)，氣浮平臺的底部設(shè)有氣足和噴嘴；所述的機械臂安裝基座、電源 模塊、電機驅(qū)動器和控制器分別置于氣浮平臺上，所述的控制器通過連接電纜與氣浮平臺 底部的電磁閥相連，所述的高壓氣瓶的閥門通過氣管、三通接頭和電磁閥與氣浮平臺底部 的噴嘴相連，同時通過氣管和三通接頭與氣浮平臺底部的氣足相連；所述的雙目視覺裝置 和兩個機械臂分別安裝在機械臂安裝基座上，機械臂安裝基座固定在氣浮平臺上；所述的 雙目視覺裝置由兩個攝像頭和平臺組成，兩個攝像頭安裝在平臺上；每個機械臂由肩關(guān)節(jié)、 大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂和手爪組成，所述的肩關(guān)節(jié)固定在機械臂安裝基座上，所述的大臂、肘關(guān) 節(jié)、小臂依次與肩關(guān)節(jié)相連接，手爪通過安裝支架安裝在小臂端部。上述氣浮遙操作平臺中的肩關(guān)節(jié)，由肩關(guān)節(jié)電機、連接件和肩關(guān)節(jié)外殼組成，所述 的肩關(guān)節(jié)電機置于肩關(guān)節(jié)中心，并通過連接件固定在所述的機械臂安裝基座上，肩關(guān)節(jié)電 機的輸出軸通過法蘭固定在肩關(guān)節(jié)外殼上，肩關(guān)節(jié)外殼的一側(cè)設(shè)有肩關(guān)節(jié)接頭，大臂的一端通過肩關(guān)節(jié)接頭固定在肩關(guān)節(jié)外殼上。 上述氣浮遙操作平臺中的肘關(guān)節(jié)，由肘關(guān)節(jié)電機、連接件、上肘關(guān)節(jié)外殼和下肘關(guān) 節(jié)外殼組成，所述的肘關(guān)節(jié)電機置于肘關(guān)節(jié)中心，并通過連接件與下肘關(guān)節(jié)外殼相對固定； 肘關(guān)節(jié)電機的輸出軸通過法蘭固定在上肘關(guān)節(jié)外殼上；大臂的另一端通過上肘關(guān)節(jié)一側(cè)的 上肘關(guān)節(jié)接頭固定在上肘節(jié)外殼上，小臂的一端通過下肘關(guān)節(jié)另一側(cè)的下肘關(guān)節(jié)接頭固定 在下肘關(guān)節(jié)外殼上。本發(fā)明提出的基于雙目視覺的氣浮遙操作平臺，其優(yōu)點是現(xiàn)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(fā)明的氣浮遙操作采用了 雙目視覺裝置，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，同時利用雙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(huán)境的了解，避免了碰撞等意外的發(fā)生，為遙操作任務(wù)的順利完成提供保障。


圖1為本發(fā)明提出的氣浮遙操作平臺裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中，1是手爪，2是安裝支架，3是小臂，4是肘關(guān)節(jié)，5是大臂，6是肩關(guān)節(jié)，7是 雙目視覺裝置，8是機械臂安裝基座，9是電源模塊，10是電機驅(qū)動器，11是控制器，12是氣 浮平臺，13是高壓氣瓶閥門，14是高壓氣瓶，15是氣管，16是三通接頭，17是噴嘴，18是電 磁閥，19是支撐柱，20是氣足，21是連接電纜，22是軟墊。圖2中，401是連接法蘭，402是 肘關(guān)節(jié)電機輸出軸，403是肘關(guān)節(jié)電機，404是連接件，405是上肘關(guān)節(jié)外殼，406是肘下關(guān)節(jié) 外殼，407是下肘關(guān)節(jié)接頭，408是上肘關(guān)節(jié)接頭。圖3中，601是連接法蘭，602是肩關(guān)節(jié)電 機輸出軸，603是肩關(guān)節(jié)電機，604是連接件，605是肩關(guān)節(jié)外殼，606是肩關(guān)節(jié)接頭。
具體實施例方式本發(fā)明提出的基于雙目視覺的氣浮遙操作平臺，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括氣浮平 臺12、高壓氣瓶14、機械臂安裝基座8、電源模塊9、電機驅(qū)動器10、控制器11、雙目視覺裝 置7和兩個機械臂。高壓氣瓶14通過軟墊22支撐在氣浮平臺12內(nèi)，氣浮平臺12的底部 設(shè)有氣足20和噴嘴17。機械臂安裝基座8、電源模塊9、電機驅(qū)動器10和控制器11分別置 于氣浮平臺12上?？刂破?1通過連接電纜21與氣浮平臺12底部的電磁閥18相連，高壓 氣瓶14的閥門13通過氣管15、三通接頭16和電磁閥18與氣浮平臺12底部的噴嘴17相 連，同時通過氣管15和三通接頭16與氣浮平臺12底部的氣足20相連。雙目視覺裝置7和 兩個機械臂分別安裝在機械臂安裝基座8上，機械臂安裝基座8固定在氣浮平臺12上。雙 目視覺裝置7由兩個攝像頭和平臺組成，兩個攝像頭安裝在平臺上。每個機械臂由肩關(guān)節(jié) 6、大臂5、肘關(guān)節(jié)4、小臂3和手爪1組成，肩關(guān)節(jié)6固定在機械臂安裝基座8上，大臂5、肘 關(guān)節(jié)4、小臂3依次與肩關(guān)節(jié)6相連接，手爪1通過安裝支架2安裝在小臂3的端部。其中 的雙目視覺裝置中的攝像頭為購置于日本W(wǎng)atec公司的WAT-250D型彩色攝像機，兩個攝像 頭可以在平臺上左右移動，以調(diào)節(jié)兩攝像頭之間的距離。平臺固定在機械臂安裝基座8上， 平臺上帶有刻度，以標記攝像頭之間的距離。
上述氣浮遙操作平臺中的肩關(guān)節(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，由肩關(guān)節(jié)電機603、連接件 604和肩關(guān)節(jié)外殼605組成。肩關(guān)節(jié)電機603置于肩關(guān)節(jié)中心，并通過連接件604固定在機 械臂安裝基座8上，肩關(guān)節(jié)電機603的輸出軸602通過法蘭601固定在肩關(guān)節(jié)外殼605上， 肩關(guān)節(jié)外殼605的一側(cè)設(shè)有肩關(guān)節(jié)接頭606，大臂5的一端通過肩關(guān)節(jié)接頭606固定在肩關(guān) 節(jié)外殼605上。上述氣浮遙操作平臺中的肘關(guān)節(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，由肘關(guān)節(jié)電機403、連接件 404、上肘關(guān)節(jié)外殼405和下肘關(guān)節(jié)外殼406組成，肘關(guān)節(jié)電機403置于肘關(guān)節(jié)中心，并通過 連接件404與下肘關(guān)節(jié)外殼相對固定。肘關(guān)節(jié)電機403的輸出軸402通過法蘭401固定在 上肘關(guān)節(jié)外殼405上。大臂5的另一端通過上肘關(guān)節(jié)外殼405 —側(cè)的上肘關(guān)節(jié)接頭408固 定在上肘節(jié)外殼405上，小臂3的一端通過下肘關(guān)節(jié)外殼406另一側(cè)的下肘關(guān)節(jié)接頭407 固定在下肘節(jié)外殼406上。當電機接到指令轉(zhuǎn)動時，電機輸出軸402相對電機本體403轉(zhuǎn) 動，從而帶動上關(guān)節(jié)外殼405相對下關(guān)節(jié)外殼406轉(zhuǎn)動，最終使機械臂小臂3相對機械臂大 臂5運動。
本發(fā)明提出的基于雙目視覺的氣浮遙操作平臺的一個實施例中，所用的電源模 塊由北京泓韻博公司生產(chǎn)，型號為HN-20000。電機驅(qū)動器由瑞士 maxon公司生產(chǎn)，型號為 ADS50/5?？刂破饔杀本┦⒉﹨f(xié)同科技有限公司生產(chǎn)，型號為PC104。電磁閥由日本SMC公 司生產(chǎn)，型號為VQ20型2通先導(dǎo)式電磁閥。以下結(jié)合附圖，詳細介紹本發(fā)明的氣浮遙操作平臺的操作過程及氣浮原理打開控制氣流的氣閥13，高壓空氣從高壓氣瓶14中釋放出來，經(jīng)過氣管15和三通 接頭16流向安裝在氣浮平臺底部的氣足20，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。氣浮平臺作平面運動操作過程及原理為當打開控制氣流的氣閥13，高壓空氣從 高壓氣瓶14中釋放出來后，氣浮平臺即與大理石平臺面脫離接觸，同時，高壓空氣亦送至 電磁閥18處。然后通過PC104控制器11打開所需的電磁閥18，則高壓空氣經(jīng)電磁閥18流 向噴嘴17并噴出，則由高壓空氣噴出而產(chǎn)生的反作用力使氣浮平臺向反方向運動?？刂撇?同的電磁閥打開，即可使平臺在大理石平臺面上作二維平面運動。本發(fā)明提出的基于雙目視覺的氣浮遙操作平臺，其主要功能是在遙操作過程中為 操作員提供多視角的觀察目標物，克服遙操作過程中容易被遮擋的弊端，同時根據(jù)雙目視 覺攝像裝置7中兩個攝像頭的相對位置關(guān)系和目標物體在兩個攝像頭圖像界面中的位置 坐標，計算出目標物體到雙目視覺裝置7的深度信息，提供給遙操作人員進行輔助決策。
權(quán)利要求
一種基于雙目視覺的氣浮遙操作平臺，其特征在于該氣浮遙操作平臺包括氣浮平臺、高壓氣瓶、機械臂安裝基座、電源模塊、電機驅(qū)動器、控制器、雙目視覺裝置和兩個機械臂；所述的高壓氣瓶通過軟墊支撐在氣浮平臺內(nèi)，氣浮平臺的底部設(shè)有氣足和噴嘴；所述的機械臂安裝基座、電源模塊、電機驅(qū)動器和控制器分別置于氣浮平臺上，所述的控制器通過連接電纜與氣浮平臺底部的電磁閥相連，所述的高壓氣瓶的閥門通過氣管、三通接頭和電磁閥與氣浮平臺底部的噴嘴相連，同時通過氣管和三通接頭與氣浮平臺底部的氣足相連；所述的雙目視覺裝置和兩個機械臂分別安裝在機械臂安裝基座上，機械臂安裝基座固定在氣浮平臺上；所述的雙目視覺裝置由兩個攝像頭和平臺組成，兩個攝像頭安裝在平臺上；每個機械臂由肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂和手爪組成，所述的肩關(guān)節(jié)固定在機械臂安裝基座上，所述的大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂依次與肩關(guān)節(jié)相連接，手爪通過安裝支架安裝在小臂端部。
2.如權(quán)利要求1所述的氣浮遙操作平臺，其特征在于其中所述的肩關(guān)節(jié)由肩關(guān)節(jié)電 機、連接件和肩關(guān)節(jié)外殼組成，所述的肩關(guān)節(jié)電機置于肩關(guān)節(jié)中心，并通過連接件固定在所 述的機械臂安裝基座上，肩關(guān)節(jié)電機的輸出軸通過法蘭固定在肩關(guān)節(jié)外殼上，肩關(guān)節(jié)外殼 的一側(cè)設(shè)有肩關(guān)節(jié)接頭，大臂的一端通過肩關(guān)節(jié)接頭固定在肩關(guān)節(jié)外殼上。
3.如權(quán)利要求1所述的氣浮遙操作平臺，其特征在于其中所述的肘關(guān)節(jié)由肘關(guān)節(jié)電 機、連接件、上肘關(guān)節(jié)外殼和下肘關(guān)節(jié)外殼組成，所述的肘關(guān)節(jié)電機置于肘關(guān)節(jié)中心，并通 過連接件與下肘關(guān)節(jié)外殼相對固定；肘關(guān)節(jié)電機的輸出軸通過法蘭固定在上肘關(guān)節(jié)外殼 上；大臂的另一端通過上肘關(guān)節(jié)一側(cè)的上肘關(guān)節(jié)接頭固定在上肘節(jié)外殼上，小臂的一端通 過下肘關(guān)節(jié)另一側(cè)的下肘關(guān)節(jié)接頭固定在下肘關(guān)節(jié)外殼上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于雙目視覺的氣浮遙操作平臺，屬于空間機器人技術(shù)領(lǐng)域。其中，高壓氣瓶置于氣浮平臺內(nèi)，氣浮平臺的底部設(shè)有氣足和噴嘴。機械臂安裝基座、電源模塊、電機驅(qū)動器和控制器。置于氣浮平臺上?？刂破魍ㄟ^連接電纜與電磁閥相連。高壓氣瓶的閥門分別與噴嘴和氣足相連。雙目視覺裝置和兩個機械臂通過機械臂安裝基座固定在氣浮平臺上。機械臂由肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂和手爪組成，肩關(guān)節(jié)固定在機械臂安裝基座上，大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂依次與肩關(guān)節(jié)相連接。本發(fā)明遙操作平臺，既能夠多方位的觀察目標物，又利用雙目視覺給出到目標物的深度信息，利于遙操作人員對遠端環(huán)境的了解，避免了碰撞等意外的發(fā)生。
文檔編號B25J9/08GK101863038SQ201010191290
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者劉華平, 孫富春, 李永明, 王裕基, 胡來紅 申請人:清華大學(xué)