狭小空间装配系统及装配方法与流程

本发明属于测量装置技术领域，具体提供一种狭小空间装配系统及装配方法。

背景技术：

在现代化生产中，工件间的装配是必不可少的生产环节。目前大多数装配，例如精密设备或精密零件的装配，在装配空间足够的情况下，可以采用传统的位姿测量装置辅助自动化装配机器人的方式进行装配作业。在这种装配方式中，位姿测量装置首先对待装配件与目标装配件的位姿进行测量，然后将测量结果传输给执行机构(即自动化装配机器人)，执行机构进行精密的装配作业，保证装配精度。

然而，在某些狭窄空间环境下的装配工作，尤其是在狭窄空间进行精密装配工作时，由于传统的位姿测量装置体积过大，没有足够的空间进行固定，所以仍然采用人工对接的方法进行。在此种情况下，工人们将待装配件固定在支架上，用吊车或机械臂将其吊起，通过人工目测的方式调节待装配件的位置和角度，并逐步靠近目标装配件，完成最终装配。此种方法在实施过程中不仅需要多人配合安装，并且在装配过程中依靠人眼进行反馈，配合精度无法保证，而且整个装配过程进行缓慢，效率低下。

相应地，本领域需要一种新的适用于狭小空间的装配系统及装配方法来解决上述问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决狭窄空间下采用人工装配，装配精度差、效率低的问题，本发明提供了一种狭小空间装配系统，用于将待装配件匹配安装至对接件，该系统包括采集部，其用于采集所述待装配件的第一位姿信息以及所述对接件的第二位姿信息；数据处理单元，其用于基于所述第一位姿信息和第二位姿信息，计算出所述待装配件与所述对接件之间的结果位姿信息；执行机构，其用于基于所述结果位姿信息，将所述待装配件安装至所述对接件。

在上述狭小空间装配系统的优选技术方案中，所述采集部包括壳体以及设置于所述壳体内的第一采集单元与第二采集单元，其中，所述第一采集单元用于采集所述待装配件的第一位姿信息；其中，所述第二采集单元用于采集所述对接件的第二位姿信息。

在上述狭小空间装配系统的优选技术方案中，所述壳体上设置有安装结构，所述安装结构能够使所述采集部处于与所述待装配件的位置相对固定的状态。

在上述狭小空间装配系统的优选技术方案中，所述待装配件上具有第一装配特征，所述对接件上设置有与所述第一装配特征对应的第二装配特征。

在上述狭小空间装配系统的优选技术方案中，所述采集部通过所述安装结构固定于所述第一装配特征。

在上述狭小空间装配系统的优选技术方案中，所述第一采集单元为惯性陀螺仪，所述第一位姿信息中至少包含角度信息。

在上述狭小空间装配系统的优选技术方案中，所述第二采集单元为双目相机，所述第二位姿信息中至少包含所述第二装配特征的图像信息。

在上述狭小空间装配系统的优选技术方案中，所述壳体包括第一壳体和第二壳体，所述惯性陀螺仪和所述双目相机设置于所述第一壳体和所述第二壳体形成的腔体中，并且所述第一壳体上开设有镜头孔，在连接好的状态下，所述双目相机的镜头能够容纳于所述镜头孔中。

本发明还提供了一种狭小空间装配方法，用于将待装配件匹配安装至对接件，所述狭小空间装配方法包括：

采集所述待装配件的第一位姿信息以及所述对接件的第二位姿信息；

基于所述第一位姿信息和第二位姿信息，计算出所述待装配件与所述对接件之间的结果位姿信息；

基于所述结果位姿信息，将所述待装配件安装至所述对接件。

在上述狭小空间装配方法的优选技术方案中，所述的“采集所述待装配件的第一位姿信息以及所述对接件的第二位姿信息”进一步包括：

在所述采集部由零点位置移动至所述待装配件的过程中，采集部的惯性陀螺仪采集至少包含所述待装配件的第一装配特征的所述角度信息；

在所述采集部与所述待装配件连接好的状态下，采集部的双目相机采集至少包含所述对接件的第二装配特征的图像信息。

本领域技术人员能够理解的是，在本发明的优选技术方案中，狭小空间装配系统主要包括采集部、数据处理单元以及执行机构。其中，采集部包括壳体以及设置于壳体内的惯性陀螺仪与双目相机，其中惯性陀螺仪可采集待装配件的第一位姿信息，双目相机可采集对接件的第二位姿信息。此外，狭小空间装配方法，通过采集部采集待装配件的第一位姿信息和对接件的第二位姿信息，并计算出结果位姿信息的方式，可以辅助执行机构快速准确的将待装配件匹配安装至对接件。通过狭小空间装配系统及装配方法，不仅可以大幅提高狭窄空间装配的装配效率和装配精度，而且采集部结构小巧，使用简单，稳定性高。

附图说明

图1是本发明的狭小空间装配系统的装配过程示意图；

图2是本发明的狭小空间装配系统的采集部的结构示意图；

图3是本发明的狭小空间装配方法的流程示意图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。例如，虽然附图中的安装结构以可拆卸的方式与第二壳体连接，但是这种连接方式非一成不变，本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的主要目的在于，克服在狭窄空间下的人工装配方式存在的装配精度差、装配效率低等问题。

如图1所示，为解决上述问题，本发明在一种可能的实施方式中，提供了一种狭小空间装配系统。该系统主要包括采集部1、数据处理单元以及执行机构2，该系统可以通过数据处理单元对采集部1获得的信息进行分析和处理，执行机构2基于分析和处理的结果即可将待装配件3匹配安装至对接件4。其中，采集部1主要用于采集待装配件3的第一位姿信息以及对接件4的第二位姿信息；数据处理单元主要用于基于第一位姿信息和第二位姿信息，计算出待装配件3与对接件4之间的结果位姿信息；执行机构2则主要用于基于结果位姿信息，如数据处理单元根据结果位姿信息向执行机构2发送相应的指令，将待装配件3安装至对接件4。

如图2所示，采集部1主要包括壳体以及设置于壳体内部的第一采集单元与第二采集单元。其中，第一采集单元主要用于采集待装配件3的第一位姿信息，第二采集单元主要用于采集对接件4的第二位姿信息。优选地，壳体可以包括第一壳体11和第二壳体12，第一采集单元与第二采集单元均设置于第二壳体12，并且在连接好的状态下，第一采集单元与第二采集单元分别与第二壳体12无相对运动。优选地，第一采集单元为惯性陀螺仪13，第二采集单元为双目相机14。优选地，惯性陀螺仪13可以是能够测量三个方向上的角度、角速度以及加速度变化的三维定位陀螺仪，即含有陀螺仪与加速度计。其中，陀螺仪可以采集角度和角速度等参数，加速度计可以采集加速度等参数。双目相机14可以由两个同型号的CCD相机模组构成。本领域技术人员可以想到的是，惯性陀螺仪13与双目相机14的型号并非一成不变，也可以采用其他型号或形式的陀螺仪与视觉相机，只要该陀螺仪与视觉相机能够准确获得待装配件3和对接件4的位姿信息即可。

继续参照图1，待装配件3上设置有第一装配特征31(如轮廓大致为矩形的凸起)；对接件4上设置有可以与第一装配特征31配合连接的第二装配特征41(如与前述的凸起对应的凹槽)，待装配件3与对接件4可以通过第一装配特征31与第二装配特征41的配合连接(如插合连接)实现装配。在上述情况下采集位姿信息时，惯性陀螺仪13主要用于获取采集部1移动至第一装配特征31的过程中的加速度或角速度等参数，双目相机14则主要用于获取含有第二装配特征41的特征点的图像信息。需要说明的是，特征点是双目相机14从获取的图像中提取出来的若干个特殊点，如特征点可以是装配特征的外缘交点，举例而言，特征点可以是第一装配特征31的矩形凸起的各边所形成的交点，也可以是第二装配特征41的矩形凹槽的槽底各边所形成的交点等。优选地，在本实施方式中，特征点的个数为四个，即矩形凸起的各边或矩形凹槽的槽底各边所形成的四个交点。当然，特征点的个数可以随装配特征的形状的改变而变化，如当第一装配特征31为截面为三角形的凸起时，特征点的个数可以为三个。

需要说明的是，在本优选的实施方式中，第一位姿信息可以是惯性陀螺仪13采集的加速度或角速度等参数，第二位姿信息可以是双目相机14所拍摄的至少包含对接件4的第二装配特征41的图像信息等。结果位姿信息可以是基于对上述第一位姿信息和第二位姿信息进行分析处理后得到的待装配件3的任一点和对接件4对应的点在同一个坐标系的坐标信息等。如可以是特征点，也可以是装配特征上的任一点等。

继续参照图2，第一壳体11上设置有镜头孔111，并且在连接好的状态下，双目相机14的镜头能够容纳于该镜头孔111中。此外，在第二壳体12外侧还开设有与第一装配特征31对应的安装结构121，该安装结构121可以通过与第一装配特征31紧密连接的方式，使采集部1与待装配件3之间处于位置相对固定的状态。优选地，安装结构121可以为与第二壳体12以可拆卸方式连接的、并且与第一装配特征31(如前所述的矩形凸起)形状对应的结构(如矩形结构)，该结构可以通过与第一装配特征31紧密插合的方式将采集部1与待装配件3相对固定(如矩形接口与矩形凸起的套接)。当然，本领域技术人员可以想到的是，安装结构121也可以设置为其他形式，只要该形式可以使采集部1与待装配件3的位置相对固定即可。

此外，采集部1还可以包括电源(图中未标出)和连接线(图中未标出)。其中，电源可以用来给采集部1供电，连接线可以用来将惯性陀螺仪13采集的第一位姿信息与双目相机14采集的第二位姿信息及时地输入数据处理单元。

如前所述，本发明的狭小空间装配系统主要包括采集部1、数据处理单元以及执行机构2。其中，采集部1主要包括第一壳体11与第二壳体12，在第二壳体12上设置有惯性陀螺仪13与双目相机14，惯性陀螺仪13与双目相机14各自相对于第二壳体12无相对运动，保证了采集部1在使用时的稳定性。第二壳体12上还设置有安装结构121，在安装结构121与待装配件3上的第一装配特征31紧密连接后，惯性陀螺仪13可以采集第一装配特征31的第一位姿信息，双目相机14可以采集第二装配特征41的第二位姿信息。此外，由于采集部1的结构巧妙、集成度较高，因此采集部1的整体外形小巧轻便，便于携带，便于狭小空间的操作。并且，可以根基实际的应用场景，灵活地设置采集部1的安装结构121，从而提高了采集部1相对待安装件3的适用性。

如图3所示，本发明还提供了一种狭小空间装配系统的装配方法，主要是基于前述的惯性陀螺仪13和双目相机14，通过执行机构2完成待装配件3与对接件4的装配过程。该方法主要包括以下步骤：

S100、将采集部1置于设定的零点位置21，并对采集部1的惯性陀螺仪13和双目相机14进行初始化。如零点位置21为执行机构2的设定点，初始化可以包括对惯性陀螺仪13和双目相机14进行数据的清零等操作。

S200、在采集部1从零点位置21移动至待装配件3的过程中，惯性陀螺仪13采集待装配件3的第一位姿信息。之后，在采集部1与待装配件3的位置相对固定的情形下，通过双目相机14直接获取对接件4的第二位姿信息。

S300、基于该第一位姿信息和第二位姿信息，数据处理单元计算待装配件3与对接件4之间的结果位姿信息。如在同一基准的基础上，计算出待装配件3与对接件4之间的位置关系。

S400、基于该结果位姿信息，将待装配件3安装至对接件4。也就是说，在待装配件3与对接件4之间的位置关系可以确定的情形下，数据处理单元通过向执行机构2发送相应的指令，进而使待装配件3的第一装配特征31可靠地匹配至对接件4的第二装配特征41。

需要说明的是，在本优选的实施方式中，为方便说明，可以定义如下坐标系：

基于惯性陀螺仪13的坐标系为惯性坐标系H_P，按照设定的方向，依次定义惯性坐标系H_P的坐标轴为X_H轴、Y_H轴、Z_H轴。基于双目相机14的坐标系为相机坐标系C_P，按照设定的方向，依次定义相机坐标系C_P的坐标轴依次为X_C轴、Y_C轴、Z_C轴。基于对接件4的坐标系为对接坐标系E_P，按照设定的方向，依次定义对接坐标系E_P的坐标轴依次为X_E轴、Y_E轴、Z_E轴。基于执行机构2的坐标系为世界坐标系W_P，按照设定的方向，依次定义世界坐标系W_P的坐标轴依次为X_W轴、Y_W轴、Z_W轴。

需要说明的是，相对位姿关系可以是空间中任一点在此空间的坐标系的位置与此点另一个空间坐标系的位置的转换关系，如空间中任一点N在世界坐标系W_P中的坐标为：N_W＝(x_W,y_W,z_W)^T，而点N在惯性坐标系H_P的坐标为：N_H＝(x_H,y_H,z_H)^T，那么点N在惯性坐标系H_P和世界坐标系W_P中所处的坐标变换可以表示为公式(1)。

在公式(1)中，[R t]为世界坐标系W_P到惯性坐标系H_P的变换矩阵，即相对位姿关系。R为旋转矩阵，表示N_W＝(x_W,y_W,z_W)^T在欧式空间的姿态变换，为3×3正交矩阵。t为一个三维向量，表示N_W＝(x_W,y_W,z_W)^T在欧式空间内沿(X_W轴、Y_W轴、Z_W轴)的平移量，称为平移向量。

为了实现相机坐标系C_P和惯性坐标系H_P以及惯性坐标系H_P和世界坐标系W_P之间的对接，在步骤S100之前，需要对双目相机14中的镜头以及双目相机14和惯性陀螺仪13之间的相对位姿关系进行标定。

其中，双目相机14的标定方法可以为：采用标定板，如圆形标定板对双目相机14进行标定，标定板上有若干个大小一致的圆点，开启双目相机14，采集若干对靶标图像，如利用张氏标定法进行标定，得到双目相机14的内参数和外参数。如双目相机14的内参数主要包括焦距f、尺度因子(S_x,S_y)、图像的中心点坐标(u₀,v₀)以及畸变参数K等，而双目相机14的外参数则主要包括旋转矩阵R₁和平移向量t₁组成的变换矩阵[R₁ t₁]。

其中，双目相机14和惯性陀螺仪13之间的相对位姿关系的标定方法可以为：采用LOBO两步法分别标定旋转矩阵和平移向量。如可以是，将标定板垂直放置(与重力加速度方向一致)，运行双目相机14获取垂直方向向量，同时惯性陀螺仪13测量静止状态下的重力加速度方向，进而计算出两者之间的相对姿态关系R₂。然后将采集部1固定在旋转平台上，使旋转平台中心与惯性陀螺仪13中心重合，根据手眼标定算法(如马颂德手眼标定的基本方程)，得到双目相机14与惯性陀螺仪13之间的相对位置关系，即相机坐标系C_P与惯性坐标系H_P的相对位姿关系[R₂ t₂]。

如图1和图3所示，在对双目相机14以及双目相机14和惯性陀螺仪13之间的相对位姿关系进行标定后，在步骤S100中，将采集部1置于执行机构2的零点位置21，对采集部1执行初始化。初始化完毕后，默认惯性陀螺仪13与执行机构2的零点位置21在世界坐标系中的位置一致，均为(x_W0,y_W0,z_W0)^T。

步骤S200进一步可包括为如下步骤：

S210、采集待装配件3的第一装配特征31的第一位姿信息。

启动采集部1，开始采集数据，移动采集部1使安装结构121与待装配件3的第一装配特征31(如前面所述的矩形凸起)紧密连接。此过程中惯性陀螺仪13实时记录待装配件3的第一位姿信息并将采集到的第一位姿信息输出给数据处理单元。如惯性陀螺仪13获取采集部1在惯性坐标系H_P下，从零点位置21开始移动到紧密连接至第一装配特征31的过程中的加速度和角速度等参数，并实时传输给数据处理单元。优选地，移动方式可以为人工移动，当然也可以借助于其他方式实现采集部1的移动。需要说明的是，数据处理单元可以是任何可以基于位姿信息计算出结果位姿信息的处理设备，如上位机或者计算机等。

S220、采集对接件4的第二装配特征41的第二位姿信息。

在采集部1与第一装配特征31实现紧密连接(即相对位置不会发生改变)之后，双目相机14开始采集对接件4上的第二装配特征41(如前面所述的与矩形凸起对应的矩形凹槽)的第二位姿信息并将采集到的第二位姿信息实时传输给数据处理单元。如双目相机14对第二装配特征41进行拍照，并将拍照获得的图像数据输出至数据处理单元，对图像数据进行特征点提取等处理。

步骤S300进一步可包括如下步骤：

S310、基于第一位姿信息，计算惯性坐标系H_P与世界坐标系W_P的相对位姿关系[R₃t₃]。

在一种可能的实施方式中，计算惯性坐标系H_P与世界坐标系W_P的相对位姿关系的方法可以如下：将惯性陀螺仪13输出的第一位姿信息，即采集部1从零点位置21移动至待装配件3的过程中的加速度和角速度参数，经过卡尔曼滤波、误差处理和积分等步骤后获得[R₃ t₃]。

S320、基于第二位姿信息，计算相机坐标系C_P与对接坐标系E_P的相对位姿关系[R₄t₄]。

计算相机坐标系C_P与对接坐标系E_P的相对位姿关系可以包括如下步骤：

首先对双目相机14输出的对接件4的第二位姿信息，即对含有第二装配特征41的图像信息进行滤波、直方图均衡化等预处理，得到清晰的图像后，然后采用亚像素阈值分割方法确定待匹配物体所在区域，经特征提取、霍夫直线检测后确定出最优的四条直线，并将四条直线间的四个交点作为特征点。(X_A,Y_A)，(X_B,Y_B)可以分别为某一特征点P在左右两幅图像中对应的像素点坐标，再根据上述已获得的双目相机14的内、外参数，采用最小二乘法，即公式(2)计算出该特征点P在相机坐标系C_P下的坐标(X_C,Y_C,Z_C)，由于该特征点P在对接坐标系E_P中的坐标已知(如在建立对接坐标系E_P时设定的坐标等)，因此可以采用PNP算法，计算相机坐标系C_P与对接坐标系E_P之间的相对位姿关系[R₄t₄]。

在公式(2)中，(S_x,S_y)为尺度因子，(u₀,v₀)为双目相机14的图像中心点坐标，[R₁t₁]为双目相机14的外参数。

S330、基于待装配件3与对接件4之间的相对位姿关系，计算结果位姿信息。

需要说明的是，在本发明的实施方式中，结果位姿信息可以是基于上述各个坐标系之间的相对位姿关系，计算得出的第一装配特征31的特征点与第二装配特征41对应的特征点在世界坐标系W_P下的坐标。当然结果位姿信息也可以为装配特征上任意点的坐标，如第一装配特征31的中心点与第二装配特征41的中心点在世界坐标系W_P下的坐标。其中，中心点可以是四个特征点对角线的交点。

在数据处理单元计算出上述各参数之后，根据所得的相对位姿关系，计算第一装配特征31与第二装配特征41在世界坐标系下的坐标。如在结果位姿信息是上述中心点在世界坐标系W_P下的坐标时，假设第一装配特征31的中心点在世界坐标系W_P下的坐标为(X_W,Y_W,Z_W)^T，第二装配特征41的中心点在世界坐标系W_P下的坐标为(X'_W,Y'_W,Z'_W)^T，则可以按照公式(3)和公式(4)分别计算出上述两点在同样的世界坐标系W_P下的坐标值。

步骤S400进一步可包括如下步骤：

S410、判断结果位姿信息的准确性。

如可以通过计算双目相机14采集的图像中，第二装配特征31的特征点之间的距离，也就是第二装配特征41每条边的边长a，与每条边的标准边长a'进行比较，判断结果位姿信息的准确性。需要说明的是，标准边长a'可以为本方法开始前通过人工测量或设定等方式得出并录入到数据处理单元中的实际长度值。

1)若|a-a'|≤α，则输出结果位姿信息至执行机构2。其中α为设定的长度阈值。

2)否则，返回步骤S100，重新测量。

S420、执行机构2将待装配件3安装至对接件4.

数据处理单元将准确的结果位姿信息，也就是第一装配特征31和第二装配特征41在世界坐标系W_P下的坐标输出至执行机构2，执行机构2可以根据该坐标完成最终装配。如执行机构2根据第一装配特征31的坐标信息，移动末端执行器(如机械臂)与待装配件3连接，连接好后，末端执行器移动至对接件4处，根据第二装配特征41的坐标，使第一装配特征31与第二装配特征41配合连接(如矩形凸起与矩形凹槽的插合连接)，从而实现待装配件3与对接件4的装配。

上述优选的实施方式，狭小空间装配系统主要包括采集部1、数据处理单元以及执行机构2。其中，采集部1包括第一壳体11、第二壳体12以及设置于第二壳体12内的惯性陀螺仪13与双目相机14，其中惯性陀螺仪13可采集待装配件3的第一位姿信息，双目相机14可采集对接件4的第二位姿信息。此外，利用此狭小空间装配系统的狭小空间装配方法，通过采集部1采集待装配件3的第一位姿信息和对接件4的第二位姿信息，并计算出它们在同一世界坐标系W_P下的坐标的方式，可以辅助执行机构2快速准确的完成待装配件3和对接件4的装配。通过狭小空间装配系统及方法，不仅可以大幅提高狭窄空间装配的装配效率和装配精度，而且采集部1结构小巧，使用简单，稳定性高。进一步地，安装结构121以可更换的方式设置，适用性更广。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。