专利名称：并联机器人双目主动视觉监测机构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及并联机器人视觉领域，特别是涉及一种用于并联机器 人工作空间监测的双目主动视觉监测机构。
技术背景1965年，德国人Stewart发明了六自由度并联机构，并作为飞行模拟器 用于训练飞行员。澳大利亚著名机构学教授Himt于1978年提出将并联机 构用于机器人手臂。随后，Maccallion和PhamXU首次将该机构按操作 器设计，成功地将Stewart机构用于装配生产线，标志着真正意义上的并联 机器人的诞生，从此推动了并联机器人发展的历史。并联机器人以其丰富 的科学技术内涵、可重构的多样化布局和广阔的应用前景，近年来倍受国 内外关注，成为机器人领域的研究热点，并随之产生了许多实验样机，如 飞行模拟器、并联机械手、并联机床、并联机构起重机、飞船对接器等。 在并联机器人实用化和商业化进程中还存在着许多有待解决的问题其一， 关于机构精确度、并联机器人运动精确度的标定问题。由于并联机构的杆 件和铰链的制造、装配以及校准(如铰链中心点的准确几何位置)误差， 使机构精确度大都只能控制在10^的数量级，并且这类误差对整机的影 响为非线性关系；再者，机器人在不同位姿承受不同方向的载荷，也会对 机器人运动精确度产生影响；此外，控制中的非线性误差也会影响并联机器人末端执行器的定位精度。其二，机器人往往处于"盲"工作状态。即 并联机器人在规划好的轨迹上按指定的方式工作，但对其末端执行器的实 际位姿和操作对象的状态、工作环境中其他对象的存在和变化，缺乏主动 的认知能力。解决上述问题的一种方案就是利用视觉监控技术。通过建立合适的视 觉平台，实现对并联机器人的运动机构、工作空间环境进行观测，运用视 觉计算理论求解出观测目标的空间位姿，从而实现并联机器人的运动标定、 视觉伺服，提高对环境的认知能力，进而提高机器人的运动规划和控制的 智能。
针对并联机器人的视觉监控机构，从现有公开的方案主要有配置在并 联机器人固定平台的视觉机构和配置在并联机器人外侧的视觉机构两类。P. Renaud等人提出了用单摄像机对H4并联机构进行标定的方法。他们将 一台CCD摄像机固定于并联机构的基座上，观察并联机构的腿和连接末端 执行器的活动平台，通过观察推断末端执行器的位姿来实现标定。为解决 测量的精度与运动范围小的矛盾，他们既进行了固定交汇系统标定试验， 又使相对固定的交汇系统整体平动跟踪进行标定试验。但这种标定方法有 其自身的缺点，首先，由一台摄像机构成的视觉系统，无法通过一幅监测 图像获得深度信息，必须通过连续二幅以上图像确定，这样在两幅图像采 样周期内由于运动将引起目标点的定位误差；其次，该方法虽间接得到末 端执行器的空间位姿，但无法获得工作空间的环境信息，限制了视觉信息 的深入应用。N. Andreff等人利用单摄像机对Gough-Stewart并联机器人的 腿运动图像的变化作为反馈信息，设计了基于图像Jacobian矩阵的伺服控 制器。但这种方法由于视觉系统只限于从一个角度对并联机器人进行监测， 无法避免视觉遮挡和保持最佳视角，并且仍然局限于对腿而不是对末端执 行器和工作空间的观察，无法实现跟踪、避障等操作。从上面可以理解的是，并联机器人视觉机构要在原并联机器人机构上 加装摄像机系统， 一方面通过视觉信息实现并联机器人的运动标定和跟踪， 另一方面，通过对工作空间的环境监测，实现并联机器人障碍避让和路径 规划，提高并联机器人的智能。进而，要求视觉机构适合并联机器人的结 构并行性的特点，其视野能够覆盖并联机器人的整个工作空间，并具备灵 活转变观测角度，并且要求视觉机构的结构特性能够方便视觉计算。发明内容本实用新型就是针对上述问题，提出了一种安装在并联机器人活动平 台上的视觉监测机构。该视觉监测机构主要由圆形导轨(内轨、外轨)、 小车、云台和摄像机组成。所述的圆形导轨固定在并联机器人活动平台上， 两个小车与嵌入在圆形内轨和外轨内的滑块连接，小车由装于其上的伺服电机驱动，沿圆形轨道运行。每个小车上安装一台摄像机，小车和摄像机 间通过云台连接，云台有两个转动副构成，两个转动副的转动轴设定在圆
轨的半径方向和切线方向上。视觉监测机构通过驱动小车使两个摄像机在 圆轨上滑动，通过驱动云台的两个转动副调整摄像机的视角，并且与并联 机器人的活动平台联动，实现对并联机器人工作空间多角度大范围观察， 实现并联机床工作精确定位、认知环境信息以及视觉伺服。本实用新型的有益效果是(1)本发明的视觉监测机构是动态双目主 动视觉监测机构。两摄像机位姿一方面跟随并联机器人活动平台运动而变 化，另一方面视觉系统的基线、光轴夹角、视角在视觉监测机构的主动驱 动下可灵活调整，既具有双目主动的特征，又具有动态特征。(2)本发明 的视觉监测机构固定安装在并联机器人活动平台上，能够始终跟踪活动平 台上的操作部件。(3)本发明的视觉监测机构中摄像机的圆形运动轨道设 计，能够保证视觉系统大范围调整视角，调整基线位置、长度和光轴，达 到观测对象的最佳观测模式，有助于对并联机器人的精确定位和视觉避让的规划和实现。(3)视觉机构主动运动副轴向具有规则的几何关系。摄像机沿圆形导轨滑动的轴向为圆轨平面的法线方向，调整摄像机姿态的两个 转动轴向为圆轨的半径和切线方向，三者直线成相互正交的的关系，容易 描述和表达，可降低系统模型的复杂性。
图1是双目主动视觉监测机构与并联机器人的装配关系示意图； 图2是双目主动视觉监测机构仰视图； 图3是双目主动视觉监测机构侧视图I ; 图4是双目主动视觉监测机构侧视图II ; 图5是各运动副轴间关系示意图。在图l、图2、图3、图4和图5中，1、 18、 19.立柱，2、 17.丝杠，3、 16.螺母，4、 15、 ll.虎克铰，5、 6、 7、 12、 13、 14.连杆，8.并联机器人活 动平台，9.视觉平台，IO.底座，25.圆形内轨，21.圆形外轨，20、 23.小车， 22、 24、 26.螺栓，27.伺服电机，28.小车平台，29.蜗杆，30.蜗轮，31.固定 架，32.外轨滑块，33.外齿圈，34、 37.内轨滑块，39.传动轴，40.齿轮，35. 车架，36.云台，38.摄像机，41.内、外轨的转动中心，42、 43.为小车20上 云台的两个转动副的转动中心轴线，44、 45.小车23上云台的两个转动副的转动中心轴线，46.滑块沿上下滑轨的滑动轴线，也为圆形导轨的转动中心 轴线。
具体实施方式
图1为本实用新型公开的一个实施例(见图1)，并联机器人是由底座10，三个立柱l、 18、 19，活动平台8，六个连杆5、 6、 7、 12、 13、 14和 活动平台8组成的。三个立柱l、 18、 19均匀分布并固定在底座10上，每 根立柱内均装有丝杠2、 17，丝杠2、 17上装有可上下移动的螺母3、 16， 各支链通过与螺母3、 16相同的螺母与立柱的丝杠2、 17连接，从而实现 上下移动。6个连杆5、 6、 7、 12、 13、 14均为定长杆， 一端通过与11相 同的虎克铰连接活动平台8，另一端通过与4、 15相同的虎克铰连接各对应 螺母3、 16。丝杠2、 17的运动由电机提供，螺母3、 16在丝杠2、 17上的 运动作为并联机器人的主运动输入，通过各支链带动活动平台8在工作空 间内运动。并联机器人活动平台8—般为圆形或正多边形，具有中心对成性。并联 机器人操作部件安装在活动平台8的中心。本发明的双目主动视觉监测机构 设计成一个圆环形状的视觉平台9，与并联机器人活动平台8具有相同中心 对称性，视觉平台9通过在圆环上均匀布置的螺栓22、 24、 26固定在并联机 器人活动平台8上，并随着并联机器人活动平台8—起运动。本实施例由视觉平台9、圆形内轨25、圆形外轨21、小车20、 23和摄 像机38组成。圆形内轨25、圆形外轨21是安装在视觉平台9上的两个同 心圆部件，圆形外轨21外侧加工齿圈33。两个小车20、 23结构相同，均 由车架35、小车平台28、外轨滑块32、内轨滑块34、 37和齿轮40构成。 外轨滑块32内嵌在圆形外轨21内，内轨滑块34、 37内嵌在圆形内轨25 内，两个内轨滑块34、 37和外轨滑块32通过车架35与小车平台28连接 成一体，构成小车框架。 一方面保证小车平稳，另一方面限定小车在圆形 轨道上运动。伺服电机27通过固定架31安装在小车平台28上，蜗杆29 与伺服电机27的输出轴相连，蜗轮30通过传动轴39与齿轮40相连，伺 服电机驱动蜗杆带动蜗轮，通过传动轴39带动齿轮40转动，齿轮40与外 齿圈33啮合带动小车20、 23沿圆形轨道运动。云台36安装在小车平台28 上，云台36的主要运动部件由在圆轨半径和切线两正交方向设置的两个转 动副构成。摄像机38固连在云台36上。摄像机38受云台36的两个转动 副的运动控制来调整位姿。圆形轨道上的两个小车和其上安装部件一致。并联机器人双目主动视觉监测机构以两小车20、 23在圆形轨道上的运 动及云台36的转动作为视觉平台机构的主动输入，构成基线位置和长度可 调、光轴可调、视角可调的动态双目主动视觉系统，并随并联机器人活动 平台联动，实现对并联机器人操作部件和工作空间的视觉监测。圆形轨道的转动中心轴线46为圆形内轨25、圆形外轨21的中心法线， 云台36的两个转动副的转动中心轴线42、 45在圆形轨道的切线方向，另 两个转动副的转动中心轴线43、 44在圆形轨道的半径方向(图5)。可见， 轴线46、 42、 43相互正交，轴线46、 44、 45相互正交，并且在视觉平台 的运动中这种正交关系始终保持。
权利要求1.一种并联机器人双目主动视觉监测机构，并联机器人的三个立柱(1，18，19)匀布并固定在底座(10)上，每根立柱内均装有丝杠(2，17)，其上装有可上下移动的螺母(3，16)，各连杆(5，6，7，12，13，14)的一端通过与虎克铰(11)相同的虎克铰连接活动平台(8)，另一端通过与虎克铰(4，15)相同的虎克铰连接各对应的螺母(3，16)，其特征是视觉平台(9)与并联机器人的活动平台(8)固连，视觉平台(9)上安装同心的圆形内轨(25)和圆形外轨(21)，小车(20，23)吊装在圆形内轨(25)和圆形外轨(21)上，每个小车平台(28)上安装云台(36)，每个云台(36)上安装摄像机(38)。
2. 根据权利要求l所述的并联机器人双目主动视觉监测机构，其特征 是圆形内轨(25)、圆形外轨(21)形成小车(20， 23)的圆形运行轨道， 圆形外轨(21)的外侧加工有外齿圈(33)。
3. 根据权利要求1或2所述的并联机器人双目主动视觉监测机构，其特 征是车架(35)上部安装小车平台(28)，车架(35)的下部安装内轨 滑块(34， 37)和外轨滑块(32)，内轨滑块(34， 37)嵌入圆形内轨(25)， 外轨滑块(32)嵌入圆形外轨(21)，齿轮(40)与圆形外轨(21)的外 齿圈(33)啮合。
4. 根据权利要求3所述的并联机器人双目主动视觉监测机构，其特征 是伺服电机(27)通过固定架(31)安装在小车平台(28)上，伺服电 机(27)的输出轴连接蜗杆(29)，与蜗杆(29)啮合的蜗轮(30)安装 在传动轴(39)的上端，传动轴(39)的下端安装齿轮(40)。
5. 根据权利要求l所述的并联机器人双目主动视觉监测机构，其特征 是云台(36)有两个转动副，两个转动副的轴线分别与圆形内轨(25)、 圆形外轨(21)的半径和切线方向相同。
专利摘要本实用新型公开一种并联机器人双目主动视觉平台机构，其特征是视觉平台(9)与并联机器人活动平台(8)固连，视觉平台(9)上安装同心的圆形内轨(25)和圆形外轨(21)，两个小车(20，23)吊装在圆形内轨(25)和圆形外轨(21)上，每个小车平台(27)上安装云台(36)和摄像机(38)。该机构的两摄像机具有在圆形导轨上的滑动和两个正交方向的转动作为系统的主动输入，并随并联机器人的活动平台(8)联动，实现对并联机器人操作部件和工作空间的监测。同时，由于视觉平台机构各运动轴间均具有规则的正交几何关系、运动模型和视觉计算模型简单等优点，适合用作高精度并联机器人的视觉监测机构。
文档编号B25J19/00GK201012496SQ200620127470
公开日2008年1月30日 申请日期2006年8月22日 优先权日2006年8月22日
发明者孔令富, 燕 窦, 赵立强 申请人:燕山大学