CN106546190B - 一种用于表面缺陷检测的机械手装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于表面缺陷检测的机械手装置及方法，所述装置的工作平台通过轴承、阶梯轴等安装于基座上，实现绕其圆心的连续转动；每个运动分支的移动副、转动副轴线分别垂直于工作平台安装面及端面，在各运动副处均安装有驱动电机及传感器；用于采集图像的数字相机安装于分支末端处，相邻运动分支的移动副夹角为45°；安装于基座上的激光扫描仪实时采集被测物三维轮廓数据，结合数字相机物距、焦距等硬件参数生成运动轨迹，在驱动下数字相机调整空间位置与姿态。本发明适用于桥梁、隧道等复杂形状物的表面缺陷检测，环境适应性强、运动灵活、适用范围广，改变了传统依靠人工识别效率低、智能检测手段适应性差现状，具有重要的应用价值。

Description

一种用于表面缺陷检测的机械手装置及方法
技术领域
本发明属于工业自动化领域，涉及视觉检测机器人技术，特别是涉及一种能够对复杂形状物表面缺陷进行智能化检测的机械手及方法。
背景技术
近年来，基于机器视觉的无损检测技术被广泛应用于表面缺陷检测中，可以大大提高生产效率和生产的自动化程度，尤其是在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合，往往需要采用机器视觉来代替人工视觉检测。在视觉检测领域，首先要保证图像质量好、特征明显，获得高质量的可处理图像是进行智能处理与识别的关键，因此必须要设计一个合适的图像采集装置。目前往往是将数字相机安装在一个固定的位置采集移动中的物体，或是将数字相机安装于一个移动式的载体上，通过载体快速移动实现对被测物图像的采集和存储。
将该技术应用于桥梁、隧道等大型交通基础设施的表面缺陷检测时，由于被测物体积庞大，一般需要多台相机同时拍摄才能获得完整的图像。更重要的是，这种被测物形状较为复杂，以高速公路隧道为例，其断面形状为一个圆弧形曲面，而且不同隧道的断面形状及尺寸完全不同，这也限制了机器视觉在该领域中的推广和应用。机器人是近年来兴起的一门学科，具有多轴联动、运动精度高、承载能力强、结构紧凑等优点，广泛应用于位姿调整、运动模拟、***仿真等领域，通过各运动分支协调摆动带动运动平台实现空间多自由度运动及定位功能。因此，将机器人技术引入基于视觉的无损检测领域中，可以从根本上解决因拍摄参数不达标造成的图像采集质量低、适应性差等问题。
发明内容
为解决上述问题提出一种智能机械手装置，利用机器人运动灵活、多轴联动、工作空间大等优点，该装置可根据被检物形状实时调整相机的空间位置和姿态，使其处于最佳拍摄位置处，实现对大型、复杂形状物表面缺陷的智能化检测。
一种用于表面缺陷检测的机械手装置，包括基座、工作平台、三个结构相同的运动分支和数字相机等。外部形状为圆形的工作平台通过轴承、阶梯轴等安装于基座上，可实现绕其圆心的连续转动；每个运动分支由一个移动副(P)、两个转动副(R)及连杆构成，其中移动副、转动副轴线分别垂直于工作平台安装面及端面，在各运动副处均安装有驱动电机及传感器；用于采集图像的数字相机安装于分支末端处，相邻运动分支的移动副夹角为45°。安装于基座上的激光扫描仪实时采集被测物三维轮廓数据，结合数字相机物距、焦距等硬件参数生成机器人运动轨迹，在各驱动作用下数字相机调整其空间位置与姿态，以获得最佳的图像质量。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于表面缺陷检测的机械手装置，其特征在于，由基座、工作平台、三个结构相同的运动分支、数字相机和激光扫描仪构成，其中：
具有圆形结构的工作平台中心位置处布置有圆孔和键槽，通过轴承、阶梯轴和键安装于基座上，基座由一个水平布置的矩形平台和两个竖直布置的轴承座焊接而成；基座矩形平台上安装有激光扫描仪，用于实时采集被测物三维轮廓数据，四周布置有地脚安装孔，用于连接载体；基座轴承座一端安装驱动装置、另一端安装有计数装置，用于驱动工作平台转动，并记录其转角；
运动分支是一个具有空间三自由度运动(PRR)分支，由连杆、一个移动副和两个转动副构成，其中移动副轴线垂直于工作平台安装面，两个转动副轴线互相平行且均垂直于安装平台端面；三个结构相同的运动分支安装于工作平台表面，相邻分支中移动副轴线夹角为45°；数字相机安装于分支末端，在分支运动副处均安装有驱动装置和传感器，在各驱动装置作用下数字相机在工作平台平面内的移动和转动，实现精确定位和调姿。
作为优选，所述基座轴承座处的驱动装置是电机，计数装置是编码器。
作为优选，运动分支中移动副的实现方式为伺服电动缸。
作为优选，运动分支中移动副的实现方式为丝杠、滑块、导轨的组合方式。
作为优选，运动分支中转动副由阶梯轴、轴承、端盖构成。
作为优选，移动副处安装用于精确测量直线运动的光栅尺，转动副处安装有用于精确测量转动运动的绝对值编码器。
作为优选，数字相机安装于分支末端，光轴沿运动分支转动副处的连杆方向。
作为优选，当采用工业线阵数字相机时，控制器伺服周期小于20ms。
作为优选，当采用工业面阵数字相机时，控制器伺服周期小于100ms。
所述用于表面缺陷检测的机械手装置用于检测的方法包括以下步骤：
(1)载体行进过程中，激光扫描仪实时测量被测物三维形状尺寸，并生成基于传感器坐标系的被测物轮廓数学表达式；
(2)根据被测物轮廓数学表达式计算工作平台转动角度，使其运动至被检测轮廓中心位置处；
(3)当工作平台运动至指定位置后，结合数字相机焦距、物距、光圈参数规划拍摄范围，并使数字相机光轴垂直于被测曲面，以此为依据计算相机到达最佳拍摄位姿时所需的运动补偿量；
(4)根据机械手布置形式和结构参数，以数字相机位姿补偿量、工作平台转动量、被测物轮廓参数为输入量，实时解算运动分支各运动副处驱动位移、速度、加速度的值；
(5)将上述计算值作为控制***输入，经信号变换后控制驱动电机运动，在各运动副处驱动共同作用下机械手沿指定轨迹运动，在此同时各运动副处传感器实时采集运动信号；
(6)待各传感器数值达到要求值时，停止驱动***，数字相机开始图像采集与存储，至此完成一个位置的检测工作；当载体运动至下个位置时，重复上述步骤。
本发明创新提出了一种视觉检测机器人装置，适用于桥梁、隧道等复杂形状物的表面缺陷检测，具有环境适应性强、运动灵活、适用范围广等优点，改变了传统依靠人工识别效率低、智能检测手段适应性差等现状，具有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明提供的用于表面缺陷检测的机械手装置的结构示意图，附图标记如下：
基座-1、工作平台-2、运动分支-3、数字相机-4、轴承-5、阶梯轴-6、键-7、矩形平台-(1-1)、轴承座-(1-2)、移动副-(3-1)、转动副一-(3-2)、转动副二-(3-3)。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明所述的用于表面缺陷检测的机械手装置及方法做进一步说明，但是本发明的保护范围并不限于此。
本发明提供了一种智能机械手装置，由基座、工作平台、三个结构相同的运动分支、数字相机和激光扫描仪构成，各部分组成及连接形式如下：
具有圆形结构的工作平台中心位置处布置有圆孔及键槽，通过轴承、阶梯轴、键等安装于基座上，基座由一个水平布置的矩形平台和两个竖直布置的轴承座焊接而成。基座矩形平台上安装有激光扫描仪，用于实时采集被测物三维轮廓数据，四周布置有地脚安装孔，用于连接车辆等载体；基座轴承座一端安装有电机等驱动装置、另一端安装有编码器等计数装置，用于驱动工作平台转动，并记录其转角。
运动分支是一个具有空间三自由度运动的PRR分支，由连杆、一个移动副和两个转动副构成，其中移动副轴线垂直于工作平台安装面，两个转动副轴线互相平行且均垂直于安装平台端面。三个结构相同的运动分支安装于工作平台表面，相邻分支中移动副轴线夹角为45°。数字相机安装于分支末端，在分支运动副处均安装有驱动装置和传感器，在各驱动装置作用下数字相机在工作平台平面内的任意移动和转动，实现精确定位及调姿。
运动分支中移动副的实现方式有两种，第一种为伺服电动缸，第二种为丝杠、滑块、导轨的组合方式；转动副由阶梯轴、轴承、端盖等实现。
分支移动副处安装可精确测量直线运动的光栅尺、转动副处安装有可精确测量转动运动的绝对值编码器。
数字相机固定安装于所述运动分支末端，其光轴沿运动分支转动副处的连杆方向。
对于所述的一种用于表面缺陷检测的机械手装置，对应的实施方法包括以下步骤：
(1)车辆等载体行进过程中，激光扫描仪实时测量被测物三维形状尺寸，并生成基于传感器坐标系的被测物轮廓数学表达式；
(2)根据被测物轮廓数学表达式计算工作平台转动角度，使其运动至被检测轮廓中心位置处；
(3)当工作平台运动至指定位置后，结合数字相机焦距、物距、光圈等参数规划拍摄范围，并使数字相机光轴垂直于被测曲面，以此为依据计算相机到达最佳拍摄位姿时所需的运动补偿量；
(4)根据机械手布置形式和结构参数，以数字相机位姿补偿量、工作平台转动量、被测物轮廓参数为输入量，实时解算运动分支各运动副处驱动位移、速度、加速度等值；
(5)将上述计算值作为控制***输入，经信号变换后控制驱动电机运动，在各运动副处驱动共同作用下机械手沿指定轨迹运动，在此同时各运动副处传感器实时采集运动信号；
(6)待各传感器数值达到要求值时，即表明机械手到达指定位置，停止驱动***，数字相机开始图像采集与存储，至此完成一个位置的检测工作；当车辆等载体运动至下个位置时，重复上述步骤。
当采用工业线阵数字相机时，控制器伺服周期应小于20ms；当采用工业面阵数字相机时，控制器伺服周期应小于100ms。
图1示出了本发明优选实施例中一种用于表面缺陷检测的机械手装置示意图。基座(1)由矩形平台(1-1)和两组轴承座(1-2)焊接而成，矩形平台(1-1)采用合金钢材料，尺寸为500×1000mm、厚度为50mm，四周布置有的地脚安装孔；轴承座(1-2)厚度为85mm，其中心与矩形平台之间的距离为525mm，两组轴承座(1-2)之间的距离为200mm。
工作平台(2)采用航空铝合金材料，外部形状为圆形，直径为厚度为80mm，中心位置处开有直径为的圆孔，键槽尺寸为22mm×5.4mm。工作平台(2)通过轴承(5)、阶梯轴(6)、键(7)与基座(1)连接，所选轴承(5)内径为型号为UELP312带座外球面球轴承，键(7)尺寸为22×14mm，阶梯轴(6)直径为阶梯轴长度为320mm键槽截面尺寸为22mm×9mm，键槽长度为120mm。
运动分支(3)结构形式为PRR，可实现空间三自由度运动。移动副(3-1)由伺服电动缸实现，行程为±500mm，电动缸固定端安装于工作平台(2)上，其上安装有高精度光栅尺，定位精度为0.1mm；转动副(3-2、3-3)由阶梯轴、轴承、端盖等实现，其上安装有绝对值编码器，定位精度为0.01°。所述运动副处驱动均采用步进电机，相邻分支中电动缸轴线夹角为45°。
激光扫描仪角分辨率0.25°、检测范围0～270°，安装于基座(1)矩形平台(1-1)上表面处，轴线平行于工作平台(2)端面，中心点偏离工作平台(2)端面的距离为210mm。
作为一种实施例，本发明采用工业线阵数字相机(4)，其安装于运动分支(3)末端转动副(3-3)处，所选控制器型号为西门子Simotion D445、伺服周期为4ms。本发明对应的实施方法包括以下步骤：
(1)车辆等载体行进过程中，激光扫描仪实时测量被测物三维形状尺寸，并生成基于传感器坐标系的被测物轮廓数学表达式；
(2)根据被测物轮廓数学表达式计算工作平台(2)转动角度，使其运动至被检测轮廓中心位置处；
(3)当工作平台(2)运动至指定位置后，结合数字相机(4)焦距、物距、光圈等参数规划拍摄范围，并使数字相机(4)光轴垂直于被测曲面，以此为依据计算相机(4)到达最佳拍摄位姿时所需的运动补偿量；
(4)根据机械手布置形式和结构参数，以数字相机(4)位姿补偿量、工作平台2)转动量、被测物轮廓参数为输入量，实时解算运动分支(3)各运动副处驱动位移、速度、加速度等值；
(5)将上述计算值作为控制***输入，经信号变换后控制驱动电机运动，在各运动副处驱动共同作用下机械手沿指定轨迹运动，在此同时各运动副处传感器实时采集运动信号；
(6)待各传感器数值达到要求值时，即表明机械手到达指定位置，停止驱动***，数字相机(4)开始图像采集与存储，至此完成一个位置的检测工作；当车辆等载体运动至下个位置时，重复上述步骤。
本发明创新提出了一种视觉检测机器人装置，适用于桥梁、隧道等复杂形状物的表面缺陷检测，具有环境适应性强、运动灵活、适用范围广等优点，改变了传统依靠人工识别效率低、智能检测手段适应性差等现状，具有重要的应用价值。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于表面缺陷检测的机械手装置用于检测的方法，其特征在于，所述的机械手装置由基座、工作平台、三个结构相同的运动分支、数字相机和激光扫描仪构成，其中：
具有圆形结构的工作平台中心位置处布置有圆孔和键槽，通过轴承、阶梯轴和键安装于基座上，基座由一个水平布置的矩形平台和两个竖直布置的轴承座焊接而成；基座矩形平台上安装有激光扫描仪，用于实时采集被测物三维轮廓数据，四周布置有地脚安装孔，用于连接载体；基座轴承座一端安装驱动装置、另一端安装有计数装置，用于驱动工作平台转动，并记录其转角；
运动分支是一个具有空间三自由度的运动分支，由连杆、一个移动副和两个转动副构成，其中移动副轴线垂直于工作平台安装面，两个转动副轴线互相平行且均垂直于安装平台端面；三个结构相同的运动分支安装于工作平台表面，相邻分支中移动副轴线夹角为45°；数字相机安装于分支末端，在分支运动副处均安装有驱动装置和传感器，在各驱动装置作用下数字相机在工作平台平面内的移动和转动，实现精确定位和调姿；
所述的方法包括以下步骤：
(1)载体行进过程中，激光扫描仪实时测量被测物三维形状尺寸，并生成基于传感器坐标系的被测物轮廓数学表达式；
(2)根据被测物轮廓数学表达式计算工作平台转动角度，使其运动至被检测轮廓中心位置处；
(3)当工作平台运动至指定位置后，结合数字相机焦距、物距、光圈参数规划拍摄范围，并使数字相机光轴垂直于被测曲面，以此为依据计算相机到达最佳拍摄位姿时所需的运动补偿量；
(4)根据机械手布置形式和结构参数，以数字相机位姿补偿量、工作平台转动量、被测物轮廓参数为输入量，实时解算运动分支各运动副处驱动位移、速度、加速度的值；
(5)将上述计算值作为控制***输入，经信号变换后控制驱动电机运动，在各运动副处驱动共同作用下机械手沿指定轨迹运动，在此同时各运动副处传感器实时采集运动信号；
(6)待各传感器数值达到要求值时，停止驱动***，数字相机开始图像采集与存储，至此完成一个位置的检测工作；当载体运动至下个位置时，重复上述步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基座轴承座处的驱动装置是电机，计数装置是编码器。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，运动分支中移动副的实现方式为伺服电动缸。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，运动分支中移动副的实现方式为丝杠、滑块、导轨的组合方式。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，运动分支中转动副由阶梯轴、轴承、端盖构成。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，移动副处安装用于精确测量直线运动的光栅尺，转动副处安装有用于精确测量转动运动的绝对值编码器。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，数字相机安装于分支末端，光轴沿运动分支转动副处的连杆方向。
8.根据权利要求1至7中任意一条所述的方法，其特征在于，当采用工业线阵数字相机时，控制器伺服周期小于20ms。
9.根据权利要求1至7中任意一条所述的方法，其特征在于，当采用工业面阵数字相机时，控制器伺服周期小于100ms。
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