CN101702010A - 基于视觉导引机器人的磁场测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于视觉导引机器人的磁场测量装置，其特征在于该装置包括配套和模块化设计的可调整工作台、测量***、机器人***和控制***；所述的可调整工作台主要由基座、三组调整机构、置件台、地脚轮和可调支脚组成，通过手轮可实现可调整工作台的姿态调整；所述测量***包括检测对象姿态测量装置、视觉导引定位装置和磁场数据采集装置，检测对象姿态测量装置主要包括数字百分表和连接杆；视觉导引定位装置主要包括线缆连接的一台一体化摄像机和一块图像采集卡；磁场数据采集装置主要包括线缆连接的一块多功能数据采集卡、一台特斯拉计和一个霍尔探头；所述机器人***包括三维直角坐标机器人；所述控制***包括工控机及软件。

Description

基于视觉导引机器人的磁场测量装置

技术领域

本发明涉及机器人和测量技术，具体为一种基于视觉导引或视觉辅助机器人的磁场测量装置。

背景技术

雷达是利用微波波段电磁波探测目标的电子设备，具有全天候、全天时的特点。因此，它不仅成为军事上必不可少的电子装备，而且还广泛应用于气象预报、交通管制、资源探测、环境监测和科学研究等领域。

随着雷达相关技术的不断发展与完善，对其加工制造过程中各个零部件的生产工艺、品质的要求不断提高；而质量检测作为产品质量保证的一项重要手段，其检测水平将直接影响着产品的质量。检测技术作为雷达相关技术中的一项重要内容也越来越受到关注。在新型雷达的研制过程中，对其关键部件的检测水平提出了更高的要求，例如对速调管电磁聚焦***的磁场特性检测等。因此，研制用于雷达关键部件检测的特种检测机器人也成为了机器人技术的一个研究热点，且如何实现高速、高精度及智能化检测则成为了品质保障的追求目标。

从测量原理来看，磁测量的方法可概括分为磁-力法、电磁感应法、磁通门法、电磁效应法、磁共振法、超导效应法和磁光效应法等，磁场测量则是通过某种工作原理的传感器实现的。将磁特性传感器置于磁场环境中，会使传感器发生响应，输出一定的电压电流信号，通过传感器的输出信号即可获取磁场强度信息，最终由机器人实现磁场特性的自动测量。目前对于磁场测量设备的研究工作中，研究者大都采用直接在运动执行元件上安装单个或多个磁特性传感器，再配置相应处理电路来实现磁场的测量，例如，德国重离子研究中心(GSI)在20世纪80年代开发的六自由度点测量机(参见A.Harvey用于磁场测量和校正的机械装备(A.Harvey，Mechanical equipment formagnet measurement and alignment CERN Accelerator School MagneticMeasurement and Alignment Proceedings(CERN 92-05)，1992，228-39)，整个床身采用大理石材料，具有3个平移自由度和3个转动自由度，检测用霍尔探头安装于长测臂末端；丹麦DANFYSIK公司开发的磁铁定位***(参见O.Pagano，P.Rohmig，L.Walkiers等，.LEP磁透镜全自动测量***(A HighlyAutomated Measuring System for the LEP Magnetic Lenses Journal de PhysiqueColloque，1984，45(C-1)：949-952)，能够自动调制磁体轴线与线圈轴线一致，精度能够达到30μm，提供磁铁定位的外部基准设置功能。整个测量过程由微机控制，包括电源控制在内能够实现自动测量；美国阿贡国家实验室开发了一套新型的磁场测量***，能够对先进光子源(APS)磁性嵌入装置的场积分及多极组件的磁场特性进行测量，磁场特性的测量通过一个拉伸线包实现(参见Yu.Eidelman，B.Deriy，O.Makarov等，用于高级光子源的磁测量***(.The New Magnetic Measurement System at the Advanced Photon Source 8thInternational Conference on Accelerator&Large Experimental Physics ControlSystems，2001，160-163)。硬件结构包括几台伺服电机(用来平移或旋转线包)和一块高速数据采集卡(用来测量线包信号)，使用一台运行Linux***的PC机作为控制工作站。我国对磁场测量装置的研究起步较晚，如中国科学院近代物理研究所CSR磁场测量实验室结合兰州重离子加速器研究装置(HIRFL)项目研发的单霍尔探头点测量***(参见何源，韩少斐，马力祯等.兰州重离子加速器磁场测量***.中国物理学会圆形加速器及其应用学术交流会，北京：中国物理学会，2000：257-262)，是国内最大的点测磁机。专为CSR磁铁测量设计的六维点测量***有3个平动自由度和3个转动自由度，具有测量范围大、定位精度高及自动化程度高等特点，是一台典型的磁场强度自动测量设备；中国科学院上海原子核研究所生产的同步辐射装置平移长线圈磁测机(参见张继东，曹瓒，任芳林等.上海同步辐射装置平移长线圈磁测机的研制.核技术，2003，26(5)：333-336)，利用计算机结合测量线圈、高精度数字积分仪、高性能4轴步进电机控制卡、高稳定度电压、直流电流传感器、6位半数字电压表，通用接口总线(GPIB)接口卡、高精度编码器和软件等构成SSRF高精度磁场测量***，用来对同步辐射装置(SSRF)储存环和增强器的二极磁铁样机的磁场进行测量。这些专用的磁场测量设备成本相对较高，应用范围受到一些实际条件的限制，通用性较差。

现有技术对磁场的测量主要是通过人工测量的方式进行检测。测量过程为手动，根本不能满足对待测通孔轴线特定位置的定位要求，数据可靠性低，且人工测量过程不具备过载保护装置，因此设备安全性差。人工测量过程定位完全靠目测，没有精度可言，检测位置也要靠人工控制，劳动强度大。总体来说，目前的磁场测量设备多侧重于对一定范围内平均磁场的测量，且主要强调磁场测量传感技术及设备的驱动定位精度，普遍采用步进或伺服电机、光栅尺、大理石平台等构建磁场测量设备的驱动结构，设备成本相对较高，适用性受到一定程度的限制，尤其对于面向特殊对象的磁场测量，设备的自动化及智能化程度仍有待提高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是，提供一种基于视觉导引机器人的磁场测量装置，该装置主要用于解决多注速调管电磁聚焦***普遍面临的深孔测量问题，采用模块化设计，具有***集成度高，智能化程度好，成本相对较低，降低劳动强度，可满足多种磁场测量需求等特点。

本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种基于视觉导引机器人的磁场测量装置，其特征在于该装置包括配套和模块化设计的可调整工作台、测量***、机器人***和控制***；所述测量***包括检测对象姿态测量装置、视觉导引定位装置和磁场数据采集装置；所述机器人***包括三维直角坐标机器人；所述控制***包括工控机及软件；

所述的可调整工作台主要由基座、三组调整机构、置件台、地脚轮和可调支脚组成；置件台由呈正三角形排列的三组调整机构支承，调整机构由螺帽、导套、蜗轮轴、蜗轮轴轴承、蜗轮轴承闷盖、箱体、蜗杆轴透盖、蜗杆轴轴承和蜗杆轴及手轮构成；蜗轮轴轴承通过过盈配合安装于蜗轮轴的两端，蜗杆轴轴承通过过盈配合安装于蜗杆轴的两端，并均通过过盈配合安装于箱体内，且由通过螺纹连接于箱体之上的蜗轮轴承闷盖、蜗杆轴透盖与导套固定，螺帽与蜗轮轴轴端之间为螺纹传动；手轮安装于蜗杆轴的轴端，通过手轮可上下调整可调整机构的支承高度，实现可调整工作台的姿态调整；

所述的检测对象姿态测量装置主要包括数字百分表和连接杆；其中数字百分表通过螺纹连接固定在连接杆的一端；姿态测量之前，将连接杆的另一端固定到直角坐标机器人的Z臂滑块的卡座上，姿态测量结束后，该装置应及时取下；所述的连接杆能够折叠，且长度可调；

所述的视觉导引定位装置主要包括一台一体化摄像机和一块图像采集卡；一体化摄像机安装于三维直角坐标机器人的Z轴运动单元的末端上；图像采集卡安装于工控机内，一体化摄像机与图像采集卡和工控机之间通过线缆联接；

所述的磁场数据采集装置主要包括线缆连接的一块多功能数据采集卡、一台特斯拉计和一个霍尔探头；霍尔探头安装于三维直角坐标机器人的Z臂滑块的连接卡座上，它随Z臂滑块的移动做平行于Z臂的往复运动；特斯拉计安装于控制柜8内，霍尔探头的信号输出线接入特斯拉计，特斯拉计的信号输出线接入多功能数据采集卡，多功能数据采集卡安装于工控机内。

与现有技术相比，本发明基于视觉导引机器人的磁场测量装置具有如下优点：

1、本发明装置的可调整工作台与机器人和控制***采用分离式设计，便于电磁聚焦***等大型检测对象的装配、搬运、安装等操作，降低了劳动强度，通过对置于可调整工作台之上的检测对象进行姿态测量与调整，以及通过直角坐标机器人拖动探头精确运动，可保证检测过程中探头按特定轨迹执行测量，也即保证了检测数据的可靠性和检测设备的安全性，同时也降低了测量成本。

2、本发明采用机器视觉技术作为导引定位手段，使测量装置能够自动获取检测对象上待测通孔孔心的精确位置。克服了人工操作孔心定位精度差、劳动强度大等缺点，大幅度提高了装置的检测效率和检测精度。

3、本发明装置既可以实现检测对象磁场的自动测量，也可以通过人机交互的形式针对不同的检测要求实现磁场的自定义测量。本发明磁场数据采集模块不但能够自动绘制磁场分布曲线，还能够记录检测过程中的磁场数据，便于离线后对所测数据进行分析与管理，提高了装置的自动化和智能化水平。

附图说明

图1为本发明基于视觉导引机器人的磁场测量装置一种实施例的整体结构三维示意图；

图2为本发明基于视觉导引机器人的磁场测量装置一种实施例的可调整工作台结构三维示意图；

图3为本发明基于视觉导引机器人的磁场测量装置一种实施例的可调整工作台的调整机构结构三维示意图；

图4为本发明视基于视觉导引机器人的磁场测量装置一种实施例的三维直角坐标机器人三维结构示意图；

图5为本发明基于视觉导引机器人的磁场测量装置一种实施例的总体结构框图；

图6为本发明视基于视觉导引机器人的磁场测量装置一种实施例的软件结构框图。

具体实施方式：

以下结合实施例及其附图对本发明技术方案详细说明如下：

本发明设计的基于视觉导引机器人的磁场测量装置(以下简称装置，参见图1-6)是根据中科院电子所的特殊检测要求(针对雷达多注速调管电磁聚焦***普遍面临的深孔检测问题)开发的装置。本发明装置所要解决的技术实质问题是，通过机器视觉技术获取速调管电磁聚焦***各个待测通孔孔心的精确位置，由直角坐标机器人拖动探头实现对各待测通孔的磁场强度测量。本发明装置中最重要也是最根本的环节就是要让机器人能够自动完成磁场强度的测量。在申请人检索的范围内没有发现类似的文献报道。

本发明装置遵循机器人模块化设计思想，采用了***集成度高的模块化设计，可满足多种检测对象的测试要求。本发明装置包括配套和模块化设计的可调整工作台、测量***、机器人***和控制***。所述测量***包括检测对象姿态测量装置、视觉导引定位装置和磁场数据采装置集；所述机器人***包括三维直角坐标机器人；所述控制***包括工业控制计算机(工控机)及软件。

本发明装置所述的可调整工作台1(参见图2、1、3)系本发明基于检测对象的特殊测试要求而独创设计的。它采用蜗轮蜗杆机构来调整工作台，主要由基座11、三组调整机构12、置件台13、地脚轮15和可调支脚14及手轮16组成。置件台13由呈正三角形排列的三组调整机构12支承，调整机构12(参见图3)由螺帽121、导套122、蜗轮轴123、蜗轮轴轴承124、蜗轮轴承闷盖125、箱体126、蜗杆轴透盖127、蜗杆轴轴承128和蜗杆轴129构成。蜗轮轴轴承124通过过盈配合安装于蜗轮轴123的两端，蜗杆轴轴承128通过过盈配合安装于蜗杆轴129两端，并均通过过盈配合安装于箱体126内，并由通过螺纹连接于箱体126之上的蜗轮轴承闷盖125、蜗杆轴透盖127与导套122固定。螺帽121与蜗轮轴123轴端之间为螺纹传动。手轮16安装于蜗杆轴129的轴端，通过手轮16可上下调整可调整机构12的支承高度，即调整可调整工作台1的俯仰角和滚动角，从而实现可调整工作台1的姿态调整。为了提高调节精度，实施例中所述的调整机构采用传动比为i＝20的蜗轮蜗杆机构，以获得较大传动比，三组调整机构12呈正三角形等间隔分布在直径450mm的圆上。实施例的手轮16设计为带有刻度指示功能的专用手轮16，该手轮16每旋转一周调整置件台13的支承点上下移动0.25mm，即手轮16每转动10°，调整置件台13的支撑点上下移动0.0069mm。所述的手轮16调整可调整工作台1的姿态，也意味着调整置件台13高低位置。为了减少置件台13自身的重量，置件台13的台面板为圆环结构，或者说置件台13的台面板中心为空心圆结构。空心圆的直径或圆环内环的直径理应小于被测件的尺寸。

本发明装置所述的机器人***主要包括三维直角坐标机器人5；机器人5的下端安装在支架6上。所述三维直角坐标机器人5主要包括托板510、X轴运动单元59、X轴拖链58、Y轴运动单元52、Y轴拖链53、Z轴运动单元51、Z轴拖链55。其中X轴运动单元59及X轴拖链58水平安装在支架6上，Y轴运动单元52和Y轴拖链53垂直于X轴运动单元59，并水平安装在X轴运动单元59的滑块上，Z轴运动单元51和Z轴拖链55垂直于X轴运动单元59、Y轴运动单元52安装于Y轴运动单元52的滑块上。多注速调管电磁聚焦***2要求较大范围的高精度检测，因此要求测量过程中霍尔探头10运动精密、平稳，而霍尔探头10的运动精度及平稳性完全由三维直角坐标机器人5的运动特性决定。因此，机器人应具有定位精度高、运动平稳、快速、结构尺寸小的特点，要求运动执行元件具有体积小、重量轻、承载能力大、可控性好等特点。考虑到不同型号检测对象的测试要求，实施例选用日本小金井(KOGANEI)公司的一体化单轴伺服电动执行器作为直角坐标机器人各运动轴的驱动装置，X轴运动单元59选用C系列ABFC14电动执行器，重复定位精度±0.01mm，最高运动速度600mm/s，行程为350mm；Y轴运动单元52和Z轴运动单元51选用R系列ABTR5电动执行器，重复定位精度±0.02mm，最高运动速度400mm/s，行程分别为300mm和550mm。

本发明所述的姿态测量装置主要包括数字百分表3和连接杆9(参见图1)。其中数字百分表3通过螺纹连接固定在连接杆9的一端。姿态测量之前，将装有数字百分表3的连接杆9的另一端固定到直角坐标机器人5的Z臂51滑块的卡座54上；姿态测量结束后，该装置应及时取下。所述连接杆9能够折叠，且长度可以调整，以保证检测对象处于数显百分表3的工作范围之内。实施例中的数显百分表3不具有通讯功能，测量结果需人工录入到测量软件中。但依据现有技术完全可以设计具备通讯功能的数显百分表3，测量结果可自动录入到测量软件中。

本发明的视觉导引定位装置主要包括一台一体化摄像机4和一块图像采集卡；一体化摄像机4安装于三维直角坐标机器人5的Z轴运动单元51的末端上；图像采集卡安装于工控机7内，一体化摄像机4与图像采集卡和工控机7之间通过线缆联接。视觉导引定位***完成本发明装置的视觉导引定位功能。由于本发明装置要完成对不同型号检测对象的测试任务，同时视场范围也有较大变化，因此要求摄像机的工作距离和放大倍数不能固定，且***检测要求速度快、自动化程度高，不宜采用频繁更换不同放大倍数镜头和手动调节焦距的方法，因此一体化摄像机4应具有自动调焦和自动变倍功能。实施例中采用美国Honeywell公司的GC-655P一体化摄像机和中国大恒图像公司的DH-CG410图像采集卡使用，像素数为768×576，像素尺寸为4.17μm×4.17μm。

本发明所述的磁场数据采集装置(参见图5)主要包括线缆连接的一块多功能数据采集卡、一台特斯拉计和一个霍尔探头10；其中，霍尔探头10安装于三维直角坐标机器人5的Z臂滑块的连接卡座57之上，它随Z臂滑块的移动做平行于Z臂的往复运动；特斯拉计安装于控制柜8内，霍尔探头10的信号输出线接入特斯拉计，特斯拉计的信号输出线接入多功能数据采集卡，多功能数据采集卡安装于工控机7内。为保护霍尔探头10的安全，在霍尔探头10与Z臂滑块的连接卡座57处装有过载保护装置56。实施例中特斯拉计为北京大西洋仪器工程责任有限公司的SG-43型产品，多功能数据采集卡选用美国国家仪器公司(National Instruments，NI)的NI PCI-6220型多功能数据采集卡。为了减小外界的噪声干扰，实施例中将特斯拉计的输出信号用双绞线以差分方式接入多功能数据采集卡。

本发明装置的软件设计也采用模块化方式，将不同测试内容设计成单独的功能模块。所述***软件基于LabVIEW平台开发，软件结构(参见图6)按工作逻辑关系主要包括运动控制模块、姿态测量及调整模块、视觉定位模块、磁场自动检测模块、磁场手动检测模块和***管理模块六部分。每个程序模块相互独立，集成在同一个主程序框架中，并通过主程序实现各个程序模块之间的通讯。这样设计既可以灵活实现功能的扩充、升级和维护，又有利于移植用于其它场合。

本发明装置所述的控制***包括安装在控制柜8内部的供电电源，直角坐标机器人控制电路和特斯拉计与多功能数据采集卡之间的信号调理电路。所述供电电源具体包括7个供电电源：工控机电源、测量***电源、一体化摄像机电源、X轴伺服***电源、Y轴伺服***电源、Z轴伺服***电源和三个控制器IO专用电源。安装于控制柜8面板的部件包括：工业控制计算机(工控机)屏幕和键盘、电源指示、故障指示、电源开关和伺服***手动复位按钮。工控机7、直角坐标机器人5和一体化摄像机4之间的通讯功能是通过串行口扩展卡实现的，本实施例中采用研华科技股份有限公司产品PCI-1610A4串行口扩展卡。

本发明未述及之处适用于现有技术。

本发明装置的工作流程主要包括检测对象姿态测量及调整、待测孔心定位及磁场分布测量三个步骤：

1.检测对象姿态测量及调整

操作人员通过天车等辅助设备将检测对象(速调管电磁聚焦***2)安装放置到可调整工作台1的置件台13的台面上，然后由操作者移动测量机器人实现与可调整工作台1联接。在检测对象姿态测量之前，操作人员要先将数字百分表3通过连接杆9安装于直角坐标机器人5的卡座54之上，通过对检测对象上表面三个设定点的高度测量计算得到可调整工作台1的调整机构12所对应的调整量，然后由操作人员通过手轮16完成可调整工作台1的姿态调整，保证磁场测量过程中探头511垂直于检测对象的上基准面。姿态调整结束后，将数字百分表3和连接杆9由直角坐标机器人5的卡座54上取下。

2.待测孔心定位

工作台姿态调整结束后，通过直角坐标机器人5拖动摄像机4运动使得检测对象置于镜头下方，调整放大倍数和焦距，利用***软件计算得到各待测通孔中心在直角坐标机器人坐标系中的坐标值。

3.磁场分布测量

由直角坐标机器人5根据各孔心坐标的测量结果，拖动霍尔探头10按设定采样间距依次完成各通孔轴线方向磁场分布的测量。磁场测量过程中，通过带通滤波尽量减少噪声干扰对测量结果的影响。

检测对象姿态测量***实现检测对象与测量机器人主体之间相对姿态的测量，以保证检测过程中探头与检测对象上表面之间的垂直关系，从而保证检测数据的可靠性与检测设备的安全性。视觉导引定位***主要完成检测对象上表面各待测通孔孔心位置的精确获取，保证磁场测量数据的可靠性。磁场数据采集***实现测量过程中磁场数据的采集、处理及存储。所述各个模块在实际应用中相结合使用，以达到电磁聚焦***磁场特性的自动测量目的。

Claims (6)

1.一种基于视觉导引机器人的磁场测量装置，其特征在于该装置包括配套和模块化设计的可调整工作台、测量***、机器人***和控制***；所述测量***包括检测对象姿态测量装置、视觉导引定位装置和磁场数据采集装置；所述机器人***包括三维直角坐标机器人；所述控制***包括工控机及软件；

所述的可调整工作台主要由基座、三组调整机构、置件台、地脚轮和可调支脚组成；置件台由呈正三角形排列的三组调整机构支承，调整机构由螺帽、导套、蜗轮轴、蜗轮轴轴承、蜗轮轴承闷盖、箱体、蜗杆轴透盖、蜗杆轴轴承和蜗杆轴及手轮构成；蜗轮轴轴承通过过盈配合安装于蜗轮轴的两端，蜗杆轴轴承通过过盈配合安装于蜗杆轴的两端，并均通过过盈配合安装于箱体内，且由通过螺纹连接于箱体之上的蜗轮轴承闷盖、蜗杆轴透盖与导套固定，螺帽与蜗轮轴轴端之间为螺纹传动；手轮安装于蜗杆轴的轴端，通过手轮可上下调整可调整机构的支承高度，实现可调整工作台的姿态调整；

所述的检测对象姿态测量装置主要包括数字百分表和连接杆；其中数字百分表通过螺纹连接固定在连接杆的一端；姿态测量之前，将连接杆的另一端固定到直角坐标机器人的Z臂滑块的卡座上，姿态测量结束后，该装置应及时取下；所述的连接杆能够折叠，且长度可调；

所述的视觉导引定位装置主要包括一台一体化摄像机和一块图像采集卡；一体化摄像机安装于三维直角坐标机器人的Z轴运动单元的末端上；图像采集卡安装于工控机内，一体化摄像机与图像采集卡和工控机之间通过线缆联接；

所述的磁场数据采集装置主要包括线缆联接的一块多功能数据采集卡、一台特斯拉计和一个霍尔探头；霍尔探头安装于三维直角坐标机器人的Z臂滑块的连接卡座上，它随Z臂滑块的移动做平行于Z臂的往复运动；特斯拉计安装于控制柜内，霍尔探头的信号输出线接入特斯拉计，特斯拉计的信号输出线接入多功能数据采集卡，多功能数据采集卡安装于工控机内。

2.根据权利要求1所述的基于视觉导引机器人的磁场测量装置，其特征在于所述的调整机构采用传动比为i＝20的蜗轮蜗杆机构；所述手轮为带有刻度指示的专用手轮，该手轮每旋转一周调整置件台的支承点上下移动0.25mm。

3.根据权利要求1所述的基于视觉导引机器人的磁场测量装置，其特征在于所述置件台的台面板为圆环结构。

4.根据权利要求1所述的基于视觉导引机器人的磁场测量装置，其特征在于将特斯拉计的输出信号用双绞线以差分方式接入多功能数据采集卡。

5.根据权利要求1所述的基于视觉导引机器人的磁场测量装置，其特征在于在所述霍尔探头与Z臂滑块的连接卡座处装有过载保护装置。

6.根据权利要求1所述的基于视觉导引机器人的磁场测量装置，其特征在于所述一体化摄像机具有自动调焦和自动变倍功能。

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