CN110315536B - 一种基于机器视觉的高精度多自由度操作机械臂控制方法 - Google Patents

一种基于机器视觉的高精度多自由度操作机械臂控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于机器视觉的高精度多自由度操作机械臂控制方法，获得指令后启动摄像头，移动机械臂直至摄像头的图像几何中心与二维码中心对准，获得当前机械臂的坐标，以机械臂末端的末端套筒对准操作孔，将末端套筒***操作孔，若指令有效，则根据指令操作旋转开关，完毕后退出，复位至机械臂收回状态。本发明通过自动高精度操作旋钮开关，代替人工对高危设备进行操作，结合贴在高压开关柜柜身上的二维码，实现高精度定位和自动操作功能，误差小，操作成功率高，利于统一规划及规范，易于把握操作时间。

Description

一种基于机器视觉的高精度多自由度操作机械臂控制方法
技术领域
本发明涉及机械手；装有操纵装置的容器的技术领域，特别涉及一种基于机器视觉的高精度多自由度操作机械臂控制方法。
背景技术
高压开关柜是常见于电力设施的相关配套设备，主要用途为在电力转换时进行开关电路等操作、同时起到保护电路的作用。在对高压开关柜中的手车式断路器进行操作时，需要操作人员手动将套筒***到操作孔中，顺时针或逆时针方向转动操作孔中的旋转开关将开关小车移动到试验位置或者工作位置。
然而，实际操作中，在对手车式断路器进行操作时，需要工作人员手动将套筒***到操作孔中，顺时针或逆时针方向转二十圈，体能消耗大，且如果操作过程中发生停顿，将导致断路器中的动静触头接触时间增大，存在着一定的隐患，另外，手车式断路器还有可能发生漏电、***等情况，造成人员伤亡，整体来说存在着很大的安全隐患。
基于此，现有的很多场合开始选择使用机械臂自动操作开关旋钮代替人工操作，可以有效避免操作人员受到伤害，同时提高自动化水平。
然而，现有技术存在以下技术难点：
（1）操作旋转开关对机械臂的精度要求高，用于操作旋转开关的套筒直径仅略小于操作孔直径，允许误差在2毫米以内，一旦出现超过2毫米的误差即不能成功操作旋转开关；
（2）现场高压开关柜型号种类多，操作点位复杂，各旋转开关旋转所需的扭矩不同，不利于统一规划及规范；
（3）每个操作点位操作时间应当控制在2分钟以内，手动操作时间一般需要4分钟左右，对操作时间的要求高。
发明内容
本发明解决了现有技术中，虽然很多场合开始选择使用机械臂自动操作开关旋钮代替人工操作，但存在着操作精度低、操作成功率不稳定，且由于操作点位复杂，各旋转开关旋转所需的扭矩不同，不利于统一规划及规范的问题，提供了一种优化的基于机器视觉的高精度多自由度操作机械臂控制方法。
本发明所采用的技术方案是，一种基于机器视觉的高精度多自由度操作机械臂控制方法，所述机械臂通过控制器配合摄像头，所述方法包括以下步骤：
步骤1：若获得指令，则启动摄像头，进行下一步，否则继续等待指令；
步骤2：移动机械臂，直至摄像头的图像几何中心与二维码中心对准，此时机械臂的坐标为(X center , Y center , Z center )；
步骤3：以机械臂末端的套筒对准操作孔；
步骤4：将末端套筒***操作孔，若指令有效，则根据指令操作旋转开关，进行下一步，否则，直接进行下一步；
步骤5：操作完毕，退出，复位至机械臂收回状态。
优选地，所述步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：以储存在数据库中的初始化数据移动机械臂到初始姿态；
步骤2.2：图像识别单元控制摄像头拍摄，识别得到二维码中心在图像坐标系中的坐标(x 1, y 1)；
步骤2.3：控制器控制机械臂向上移动i米、向左移动j米，图像识别单元控制摄像头再次拍摄，得到二维码中心此时在图像坐标系中的坐标(x 2, y 2)，其中，i≥0，j≥0；
步骤2.4：计算dx=| x 2- x 1|/i，dy=| y 2- y 1|/j；
步骤2.5：计算将二维码中心移动到与图像几何中心重合所需要的实际横向移动机械臂距离L 1=(x 2-m/2)/dx，纵向移动机械臂距离L 2=(y 2-n/2)/dy，其中，m和n分别为摄像头拍摄的照片像素大小；
步骤2.6：机械臂当前坐标为(X, Y, Z)，其中，XY平面与操作平面平行，Z轴与操作平面垂直；控制机械臂平稳移动至(X+(x 2-m/2)/dx, Y+(y 2-n/2)/dy, Z)，以(X+(x 2-m/2)/dx, Y+(y 2-n/2)/dy，Z)为(X center , Y center , Z center )，完成机械臂位置移动。
优选地，所述步骤2.6中，在机械臂移动一次后，重复控制机械臂平稳移动至(X+(x 2-m/2)/dx, Y+(y 2-n/2)/dy, Z)，定位精度为毫米级。
优选地，所述二维码置于任一设有操作孔的设备表面。
优选地，所述步骤3包括以下步骤：
步骤3.1：读取储存在数据库中的值a、b，即机械臂从二维码中心移动至末端套筒对准操作孔的位移值；
步骤3.2：移动机械臂至(X center +a, Y center +b, Z center )，机械臂末端的末端套筒对准操作孔。
优选地，步骤4包括以下步骤：
步骤4.1：读取储存在数据库中的值c，即末端套筒***操作孔需要的位移值，移动机械臂至坐标(X center +a, Y center +b, Z center +c)，将末端套筒***操作孔；
步骤4.2：若开关小车已经处于目标状态，则直接进行步骤5，否则，进行下一步；
步骤4.3：起动电机，控制末端套筒旋转，带动旋转开关。
优选地，所述控制器通过指定的通信协议与机械臂的控制单元建立连接，获得机械臂状态，并发送指令控制机械臂；所述控制器接收指令，接收处理摄像头拍摄的照片。
优选地，所述机械臂状态包括机械臂坐标、关节角度、运行状态。
优选地，所述末端套筒的控制单元使用CANopen与控制器进行通讯。
优选地，所述图像识别单元通过TCP协议远程控制摄像头拍照、识别图像中的二维码中心坐标并辅助机械臂定位。
本发明提供了一种优化的基于机器视觉的高精度多自由度操作机械臂控制方法，获得指令后启动摄像头，移动机械臂直至摄像头的图像几何中心与二维码中心对准，获得当前机械臂的坐标，以机械臂末端的末端套筒对准操作孔，将末端套筒***操作孔，若指令有效，则根据指令操作旋转开关，完毕后退出，复位至机械臂收回状态。
本发明通过自动高精度操作旋钮开关，代替人工对高危设备进行操作，结合贴在高压开关柜柜身上的二维码，实现高精度定位和自动操作功能，误差小，操作成功率高，利于统一规划及规范，易于把握操作时间。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明中旋转开关的结构示意图，其中，矩形阴影块为操作孔，顺时针和逆时针的箭头分别表示开或关。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细描述，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明涉及一种基于机器视觉的高精度多自由度操作机械臂控制方法，所述机械臂通过控制器配合设有摄像头。
所述二维码中心设于任一设有操作孔的设备表面。
所述控制器通过指定的通信协议与机械臂的控制单元建立连接，获得机械臂状态，并发送指令控制机械臂；所述控制器接收指令，接收处理摄像头拍摄的照片。
所述机械臂状态包括机械臂坐标、关节角度、运行状态。
所述末端套筒的控制单元使用CANopen与控制器进行通讯。
所述图像识别单元通过TCP协议远程控制摄像头拍照、识别图像中的二维码中心坐标并辅助机械臂定位。
本发明中，方法的逻辑为：通过机械臂末端上安装的摄像头或相机拍摄图片，识别图片中的任一目标二维码中心位置，逆向推解得到机械臂当前在三维世界的坐标，从而控制机械臂移动至目标姿态，操作高压开关柜上的操作孔里的旋转开关；以主控制单元控制机械臂的控制单元、末端套筒的控制单元、图像识别单元，结合贴在高压开关柜柜身上的二维码中心，实现高精度定位和自动操作功能。
本发明中，主控制单元通过指定的通信协议与机械臂的控制单元建立连接，获得机械臂状态，包括机械臂坐标、关节角度、运行状态，并发送指令控制机械臂；一般来说，坐标控制和关节角度控制保持其一即可，运行状态则包括机械臂运行（on）、保护性停止、紧急停止、待机（off）等。
本发明中，末端套筒的控制单元控制套筒旋转方向、转数、速度等，用于最后对旋转开关进行操作。
本发明中，图像识别单元通过识别二维码中心坐标辅助机械臂定位。目前来说，机械臂是搭载于一个巡检机器人上，因为机器人每次巡检的时候移动的位置会有一些偏差，故采用二维码中心辅助机械臂定位校准，每次都需要重新识别二维码中心来进行定位。
本发明中，为了便于操作，每个设有操作孔的设备表面上贴的二维码中心到操作孔的距离是固定的，将此距离直接保存，对准二维码中心后直接用当前坐标加上这个位移值即可。
本发明中，统一以米（m）作为单位。
本发明中，主控制单元除了接收操作任务信息并控制各单元完成任务外，还需要接收并处理各单元的状态信息，如机械臂到位、末端套筒转动到位，图像识别完成、报错信息等。
本发明中，机械臂控制单元负责读取机械臂当前坐标，控制机械臂上电、断电、移动等；机械臂的控制单元支持以太网连接，便于远程控制机械臂进行上电、启动、移动、停止、断电等操作。此为本领域技术人员容易理解的内容，本领域技术人员可以依据需求自行设置。
本发明的方法主要实现了三阶段的机械臂移动：
第一阶段移动机械臂，使得摄像头图像中二维码中心坐标位于图像几何中心，为第一目标姿态；
第二阶段移动机械臂，使搭载于机械臂末端的末端套筒对准操作孔，为第二目标姿态；
第三阶段操作机械臂将末端套筒***操作孔，为第三目标姿态，操作旋转开关完成后自动退出复位。
所述方法包括以下步骤。
步骤1：若获得指令，则启动摄像头，进行下一步，否则继续等待指令。
本发明中，主控制单元收到对操作点位的操作要求，通过储存在数据库中的初始化数据移动机械臂到初始姿态，随后启动摄像头进行拍摄。
步骤2：移动机械臂，直至摄像头的图像几何中心与二维码中心对准，此时机械臂的坐标为(X center , Y center , Z center )。
所述步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：以储存在数据库中的初始化数据移动机械臂到初始姿态；
步骤2.2：图像识别单元控制摄像头拍摄，识别得到二维码中心在图像坐标系中的坐标(x 1, y 1)；
步骤2.3：控制器控制机械臂向上移动i米、向左移动j米，图像识别单元控制摄像头再次拍摄，得到二维码中心此时在图像坐标系中的坐标(x 2, y 2)，其中，i≥0，j≥0；
步骤2.4：计算dx=| x 2- x 1|/i，dy=| y 2- y 1|/j；
步骤2.5：计算将二维码中心移动到与图像几何中心重合所需要的实际横向移动机械臂距离L 1=(x 2-m/2)/dx，纵向移动机械臂距离L 2=(y 2-n/2)/dy，其中，m和n分别为摄像头拍摄的照片像素大小；
步骤2.6：机械臂当前坐标为(X, Y, Z)，其中，XY平面与操作平面平行，Z轴与操作平面垂直；控制机械臂平稳移动至(X+(x 2-m/2)/dx, Y+(y 2-n/2)/dy, Z)，以(X+(x 2-m/2)/dx, Y+(y 2-n/2)/dy，Z)为(X center , Y center , Z center )，完成机械臂位置移动。
所述步骤2.6中，在机械臂移动一次后，重复控制机械臂平稳移动至(X+(x 2-m/2)/dx, Y+(y 2-n/2)/dy, Z)，定位精度为毫米级。
本发明中，坐标(x 1, y 1)和(x 2, y 2)的单位为像素（px）。
本发明中，为了计算的便利，i和j一般可以选择0.01米。
本发明中，步骤2.5中的m和n分别为摄像头拍摄的照片像素大小，分别对应两个方向，值不相同。
本发明中，操作平面是指高压柜操作面板所在平面。
本发明中，以L 1=(x 2-m/2)/dx为例，其本身就有可能是负数，所以在计算机械臂的移动时，仅采用加号，即X+(x 2-m/2)/dx。
本发明中，重复控制机械臂平稳移动，多次重复使得定位更加精准。
步骤3：以机械臂末端的套筒对准操作孔。
所述步骤3包括以下步骤：
步骤3.1：读取储存在数据库中的值a、b，即机械臂从二维码中心移动至末端套筒对准操作孔的位移值；
步骤3.2：移动机械臂至(X center +a, Y center +b, Z center )，机械臂末端的末端套筒对准操作孔。
本发明中，具体来说，a、b分别为X轴和Y轴上的位移值，这个值被预先限定，保证了操作的精确性。
步骤4：将末端套筒***操作孔，若指令有效，则根据指令操作旋转开关，进行下一步，否则，直接进行下一步。
步骤4包括以下步骤：
步骤4.1：读取储存在数据库中的值c，即末端套筒***操作孔需要的位移值，移动机械臂至坐标(X center +a, Y center +b, Z center +c)，将末端套筒***操作孔；
步骤4.2：若开关小车已经处于目标状态，则直接进行步骤5，否则，进行下一步；
步骤4.3：起动电机，控制末端套筒旋转，带动旋转开关。
本发明中，由于现实中巡检机器人移动过程中在Z轴方向上误差极小，且末端套筒具有一定的伸缩量可以弥补误差，所以每个操作点的c值默认固定。
步骤5：操作完毕，退出，复位至机械臂收回状态。
本发明中，完成操作后，必须将机械臂收回，防止在小车的移动过程中发生磕碰，影响操作效果。
本发明获得指令后启动摄像头，移动机械臂直至摄像头的图像几何中心与二维码中心对准，获得当前机械臂的坐标，以机械臂末端的末端套筒对准操作孔，将末端套筒***操作孔，若指令有效，则根据指令操作旋转开关，完毕后退出，复位至机械臂收回状态。本发明通过自动高精度操作旋钮开关，代替人工对高危设备进行操作，结合贴在高压开关柜柜身上的二维码，实现高精度定位和自动操作功能，误差小，操作成功率高，利于统一规划及规范，易于把握操作时间。

Claims (9)

1.一种基于机器视觉的高精度多自由度操作机械臂控制方法，所述机械臂通过控制器配合摄像头，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：若获得指令，则启动摄像头，进行下一步，否则继续等待指令；
步骤2：移动机械臂，直至摄像头的图像几何中心与二维码中心对准，此时机械臂的坐标为(X center , Y center , Z center )；
所述步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：以储存在数据库中的初始化数据移动机械臂到初始姿态；
步骤2.2：图像识别单元控制摄像头拍摄，识别得到二维码中心在图像坐标系中的坐标(x 1, y 1)；
步骤2.3：控制器控制机械臂向上移动i米、向左移动j米，图像识别单元控制摄像头再次拍摄，得到二维码中心此时在图像坐标系中的坐标(x 2, y 2)，其中，i≥0，j≥0；
步骤2.4：计算dx=| x 2- x 1|/i，dy=| y 2- y 1|/j；
步骤2.5：计算将二维码中心移动到与图像几何中心重合所需要的实际横向移动机械臂距离L 1=(x 2-m/2)/dx，纵向移动机械臂距离L 2=(y 2-n/2)/dy，其中，m和n分别为摄像头拍摄的照片像素大小；
步骤2.6：机械臂当前坐标为(X, Y, Z)，其中，XY平面与操作平面平行，Z轴与操作平面垂直；控制机械臂平稳移动至(X+(x 2-m/2)/dx, Y+(y 2-n/2)/dy, Z)，以(X+(x 2-m/2)/dx, Y+(y 2-n/2)/dy，Z)为(X center , Y center , Z center )，完成机械臂位置移动；
步骤3：以机械臂末端的套筒对准操作孔；
步骤4：将末端套筒***操作孔，若指令有效，则根据指令操作旋转开关，进行下一步，否则，直接进行下一步；
步骤5：操作完毕，退出，复位至机械臂收回状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的高精度多自由度操作机械臂控制方法，其特征在于：所述步骤2.6中，在机械臂移动一次后，重复控制机械臂平稳移动至(X+(x 2-m/2)/dx, Y+(y 2-n/2)/dy, Z)，定位精度为毫米级。
3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的高精度多自由度操作机械臂控制方法，其特征在于：所述二维码置于任一设有操作孔的设备表面。
4.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的高精度多自由度操作机械臂控制方法，其特征在于：所述步骤3包括以下步骤：
步骤3.1：读取储存在数据库中的值a、b，即机械臂从二维码中心移动至末端套筒对准操作孔的位移值；
步骤3.2：移动机械臂至(X center +a, Y center +b, Z center )，机械臂末端的末端套筒对准操作孔。
5.根据权利要求4所述的一种基于机器视觉的高精度多自由度操作机械臂控制方法，其特征在于：步骤4包括以下步骤：
步骤4.1：读取储存在数据库中的值c，即末端套筒***操作孔需要的位移值，移动机械臂至坐标(X center +a, Y center +b, Z center +c)，将末端套筒***操作孔；
步骤4.2：若开关小车已经处于目标状态，则直接进行步骤5，否则，进行下一步；
步骤4.3：起动电机，控制末端套筒旋转，带动旋转开关。
6.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的高精度多自由度操作机械臂控制方法，其特征在于：所述控制器通过指定的通信协议与机械臂的控制单元建立连接，获得机械臂状态，并发送指令控制机械臂；所述控制器接收指令，接收处理摄像头拍摄的照片。
7.根据权利要求6所述的一种基于机器视觉的高精度多自由度操作机械臂控制方法，其特征在于：所述机械臂状态包括机械臂坐标、关节角度、运行状态。
8.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的高精度多自由度操作机械臂控制方法，其特征在于：所述末端套筒的控制单元使用CANopen与控制器进行通讯。
9.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的高精度多自由度操作机械臂控制方法，其特征在于：所述图像识别单元通过TCP协议远程控制摄像头拍照、识别图像中的二维码中心坐标并辅助机械臂定位。
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