专利名称：一种基于双目视觉的气浮遥操作平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及 一种基于双目视觉的气浮遥操作平台，属于空间机器人技术领域。
背景技术：
人类进入21世纪，科技高速发展，已经开始积极地向地球外的领域开拓。开发太 空和利用空间的能力已成为衡量一个国家综合实力和大国地位的重要象征。而空间机器人 正逐渐成为未来开发太空的一种重要手段。遥操作是空间机器人的一种重要控制方式，用 遥操作空间机器人代替宇航员进行空间作业不但能够避免宇航员舱外作业的风险，还能提 高空间探索的经济性和安全性。由于空间机器人工作在微重力的环境中，且基座不固定，机器人本体和机械手臂 之间存在严重的运动耦合，其运动学、动力学模型非常复杂，故十分有必要在地面建立实验 验证系统进行预先研究。由于视觉信息占人类获取外界信息的80%左右，所以目前几乎所 有的遥操作平台都具有视觉系统，视觉系统也是实际遥操作过程中本地操作员获取遥操作 远端环境信息的重要途径。现有遥操作平台末端仅具有单目视觉，其视野有限，在遥操作过 程中容易被遮挡且不能测量深度信息，从而也限制了视觉系统的作用，不利于遥操作任务 的顺利完成。现有空间机器人的遥操作装置存在以下缺点现有遥操作平台末端仅具有单目视 觉，视野受限，容易被遮挡且不能测量深度信息。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于双目视觉的气浮遥操作平台，改变已有遥操作装置 的结构，在气浮遥操作平台顶部安装双目摄像机，克服现有遥操作单目视觉装置存在的不 足，以用于空间机械臂遥操作实验验证，及高等学校和科研院所做教学和科研之用。本发明提出的基于双目视觉的气浮遥操作平台，包括气浮平台、高压气瓶、机械臂 安装基座、电源模块、电机驱动器、控制器、双目视觉装置和两个机械臂；所述的高压气瓶通 过软垫支撑在气浮平台内，气浮平台的底部设有气足和喷嘴；所述的机械臂安装基座、电源 模块、电机驱动器和控制器分别置于气浮平台上，所述的控制器通过连接电缆与气浮平台 底部的电磁阀相连，所述的高压气瓶的阀门通过气管、三通接头和电磁阀与气浮平台底部 的喷嘴相连，同时通过气管和三通接头与气浮平台底部的气足相连；所述的双目视觉装置 和两个机械臂分别安装在机械臂安装基座上，机械臂安装基座固定在气浮平台上；所述的 双目视觉装置由两个摄像头和平台组成，两个摄像头安装在平台上；每个机械臂由肩关节、 大臂、肘关节、小臂和手爪组成，所述的肩关节固定在机械臂安装基座上，所述的大臂、肘关 节、小臂依次与肩关节相连接，手爪通过安装支架安装在小臂端部。上述气浮遥操作平台中的肩关节，由肩关节电机、连接件和肩关节外壳组成，所述 的肩关节电机置于肩关节中心，并通过连接件固定在所述的机械臂安装基座上，肩关节电 机的输出轴通过法兰固定在肩关节外壳上，肩关节外壳的一侧设有肩关节接头，大臂的一端通过肩关节接头固定在肩关节外壳上。 上述气浮遥操作平台中的肘关节，由肘关节电机、连接件、上肘关节外壳和下肘关 节外壳组成，所述的肘关节电机置于肘关节中心，并通过连接件与下肘关节外壳相对固定； 肘关节电机的输出轴通过法兰固定在上肘关节外壳上；大臂的另一端通过上肘关节一侧的 上肘关节接头固定在上肘节外壳上，小臂的一端通过下肘关节另一侧的下肘关节接头固定 在下肘关节外壳上。本发明提出的基于双目视觉的气浮遥操作平台，其优点是现有遥操作平台末端 仅具有单目视觉，视野受限，容易被遮挡且不能测量深度信息，本发明的气浮遥操作采用了 双目视觉装置，既能够多方位的观察目标物，也克服了单目视觉在操作过程中容易被遮挡 的弊端，同时利用双目视觉还能给出到目标物的深度信息，利于遥操作人员在操作过程中 对远端环境的了解，避免了碰撞等意外的发生，为遥操作任务的顺利完成提供保障。
图1为本发明提出的气浮遥操作平台装置的结构示意图。图2为本发明的肘关节结构示意图。图3为本发明的肩关节结构示意图。图1中，1是手爪，2是安装支架，3是小臂，4是肘关节，5是大臂，6是肩关节，7是 双目视觉装置，8是机械臂安装基座，9是电源模块，10是电机驱动器，11是控制器，12是气 浮平台，13是高压气瓶阀门，14是高压气瓶，15是气管，16是三通接头，17是喷嘴，18是电 磁阀，19是支撑柱，20是气足，21是连接电缆，22是软垫。图2中，401是连接法兰，402是 肘关节电机输出轴，403是肘关节电机，404是连接件，405是上肘关节外壳，406是肘下关节 外壳，407是下肘关节接头，408是上肘关节接头。图3中，601是连接法兰，602是肩关节电 机输出轴，603是肩关节电机，604是连接件，605是肩关节外壳，606是肩关节接头。
具体实施例方式本发明提出的基于双目视觉的气浮遥操作平台，其结构如图1所示，包括气浮平 台12、高压气瓶14、机械臂安装基座8、电源模块9、电机驱动器10、控制器11、双目视觉装 置7和两个机械臂。高压气瓶14通过软垫22支撑在气浮平台12内，气浮平台12的底部 设有气足20和喷嘴17。机械臂安装基座8、电源模块9、电机驱动器10和控制器11分别置 于气浮平台12上。控制器11通过连接电缆21与气浮平台12底部的电磁阀18相连，高压 气瓶14的阀门13通过气管15、三通接头16和电磁阀18与气浮平台12底部的喷嘴17相 连，同时通过气管15和三通接头16与气浮平台12底部的气足20相连。双目视觉装置7和 两个机械臂分别安装在机械臂安装基座8上，机械臂安装基座8固定在气浮平台12上。双 目视觉装置7由两个摄像头和平台组成，两个摄像头安装在平台上。每个机械臂由肩关节 6、大臂5、肘关节4、小臂3和手爪1组成，肩关节6固定在机械臂安装基座8上，大臂5、肘 关节4、小臂3依次与肩关节6相连接，手爪1通过安装支架2安装在小臂3的端部。其中 的双目视觉装置中的摄像头为购置于日本Watec公司的WAT-250D型彩色摄像机，两个摄像 头可以在平台上左右移动，以调节两摄像头之间的距离。平台固定在机械臂安装基座8上， 平台上带有刻度，以标记摄像头之间的距离。
上述气浮遥操作平台中的肩关节，其结构如图3所示，由肩关节电机603、连接件 604和肩关节外壳605组成。肩关节电机603置于肩关节中心，并通过连接件604固定在机 械臂安装基座8上，肩关节电机603的输出轴602通过法兰601固定在肩关节外壳605上， 肩关节外壳605的一侧设有肩关节接头606，大臂5的一端通过肩关节接头606固定在肩关 节外壳605上。上述气浮遥操作平台中的肘关节，其结构如图2所示，由肘关节电机403、连接件 404、上肘关节外壳405和下肘关节外壳406组成，肘关节电机403置于肘关节中心，并通过 连接件404与下肘关节外壳相对固定。肘关节电机403的输出轴402通过法兰401固定在 上肘关节外壳405上。大臂5的另一端通过上肘关节外壳405 —侧的上肘关节接头408固 定在上肘节外壳405上，小臂3的一端通过下肘关节外壳406另一侧的下肘关节接头407 固定在下肘节外壳406上。当电机接到指令转动时，电机输出轴402相对电机本体403转 动，从而带动上关节外壳405相对下关节外壳406转动，最终使机械臂小臂3相对机械臂大 臂5运动。
本发明提出的基于双目视觉的气浮遥操作平台的一个实施例中，所用的电源模 块由北京泓韵博公司生产，型号为HN-20000。电机驱动器由瑞士 maxon公司生产，型号为 ADS50/5。控制器由北京盛博协同科技有限公司生产，型号为PC104。电磁阀由日本SMC公 司生产，型号为VQ20型2通先导式电磁阀。以下结合附图，详细介绍本发明的气浮遥操作平台的操作过程及气浮原理打开控制气流的气阀13，高压空气从高压气瓶14中释放出来，经过气管15和三通 接头16流向安装在气浮平台底部的气足20，由气足底部的小孔中喷出，并在气足底面与下 面的大理石平台之间形成很薄的气垫层。这样整个遥操作平台就能浮在气垫层上，与下面 的大理石平台面脱离接触。气浮平台作平面运动操作过程及原理为当打开控制气流的气阀13，高压空气从 高压气瓶14中释放出来后，气浮平台即与大理石平台面脱离接触，同时，高压空气亦送至 电磁阀18处。然后通过PC104控制器11打开所需的电磁阀18，则高压空气经电磁阀18流 向喷嘴17并喷出，则由高压空气喷出而产生的反作用力使气浮平台向反方向运动。控制不 同的电磁阀打开，即可使平台在大理石平台面上作二维平面运动。本发明提出的基于双目视觉的气浮遥操作平台，其主要功能是在遥操作过程中为 操作员提供多视角的观察目标物，克服遥操作过程中容易被遮挡的弊端，同时根据双目视 觉摄像装置7中两个摄像头的相对位置关系和目标物体在两个摄像头图像界面中的位置 坐标，计算出目标物体到双目视觉装置7的深度信息，提供给遥操作人员进行辅助决策。
权利要求
一种基于双目视觉的气浮遥操作平台，其特征在于该气浮遥操作平台包括气浮平台、高压气瓶、机械臂安装基座、电源模块、电机驱动器、控制器、双目视觉装置和两个机械臂；所述的高压气瓶通过软垫支撑在气浮平台内，气浮平台的底部设有气足和喷嘴；所述的机械臂安装基座、电源模块、电机驱动器和控制器分别置于气浮平台上，所述的控制器通过连接电缆与气浮平台底部的电磁阀相连，所述的高压气瓶的阀门通过气管、三通接头和电磁阀与气浮平台底部的喷嘴相连，同时通过气管和三通接头与气浮平台底部的气足相连；所述的双目视觉装置和两个机械臂分别安装在机械臂安装基座上，机械臂安装基座固定在气浮平台上；所述的双目视觉装置由两个摄像头和平台组成，两个摄像头安装在平台上；每个机械臂由肩关节、大臂、肘关节、小臂和手爪组成，所述的肩关节固定在机械臂安装基座上，所述的大臂、肘关节、小臂依次与肩关节相连接，手爪通过安装支架安装在小臂端部。
2.如权利要求1所述的气浮遥操作平台，其特征在于其中所述的肩关节由肩关节电 机、连接件和肩关节外壳组成，所述的肩关节电机置于肩关节中心，并通过连接件固定在所 述的机械臂安装基座上，肩关节电机的输出轴通过法兰固定在肩关节外壳上，肩关节外壳 的一侧设有肩关节接头，大臂的一端通过肩关节接头固定在肩关节外壳上。
3.如权利要求1所述的气浮遥操作平台，其特征在于其中所述的肘关节由肘关节电 机、连接件、上肘关节外壳和下肘关节外壳组成，所述的肘关节电机置于肘关节中心，并通 过连接件与下肘关节外壳相对固定；肘关节电机的输出轴通过法兰固定在上肘关节外壳 上；大臂的另一端通过上肘关节一侧的上肘关节接头固定在上肘节外壳上，小臂的一端通 过下肘关节另一侧的下肘关节接头固定在下肘关节外壳上。
全文摘要
本发明涉及一种基于双目视觉的气浮遥操作平台，属于空间机器人技术领域。其中，高压气瓶置于气浮平台内，气浮平台的底部设有气足和喷嘴。机械臂安装基座、电源模块、电机驱动器和控制器。置于气浮平台上。控制器通过连接电缆与电磁阀相连。高压气瓶的阀门分别与喷嘴和气足相连。双目视觉装置和两个机械臂通过机械臂安装基座固定在气浮平台上。机械臂由肩关节、大臂、肘关节、小臂和手爪组成，肩关节固定在机械臂安装基座上，大臂、肘关节、小臂依次与肩关节相连接。本发明遥操作平台，既能够多方位的观察目标物，又利用双目视觉给出到目标物的深度信息，利于遥操作人员对远端环境的了解，避免了碰撞等意外的发生。
文档编号B25J9/08GK101863038SQ201010191290
公开日2010年10月20日 申请日期2010年5月28日 优先权日2010年5月28日
发明者刘华平, 孙富春, 李永明, 王裕基, 胡来红 申请人:清华大学