一种机械手定位方法、装置、机械手及存储介质与流程

1.本发明涉及机械手技术领域，具体而言，涉及一种机械手定位方法、装置、机械手及存储介质。


背景技术：

2.目前，在钻修井机中，采用二层台机械手排管和送管。排管时，机械手需从井口吊卡抓管，并送到二层台排管架。送管时，机械手从排管架抓管，并送给井口吊卡。然而，现有的机械手在抓取吊卡中管柱和送管柱给吊卡时，主要依赖人眼，即一边观看监控视频一边手动操控二层台机械手，从而控制机械手抓取吊卡中管柱和送管柱到吊卡中，效率低下，且精准度不高。


技术实现要素：

3.本发明解决的问题是如何提高机械手在抓取吊卡中管柱和送管柱给吊卡时的效率和精准度。
4.为解决上述问题，本发明提供一种机械手定位方法，用于对带有摄像功能的机械手进行定位，所述机械手适于设置于钻修井机二层台上，当通过所述机械手进行排管作业或送管作业时，包括：
5.获取目标物及其周围的图像信息，所述目标物包括吊卡和/或管柱；
6.根据所述目标物及其周围的图像信息，得到所述机械手与所述目标物的相对位置关系；
7.根据所述相对位置关系，控制所述机械手运动以使所述机械手和所述目标物对准。
8.这样，当需要机械手抓取管柱或者抓取管柱进入吊卡时，首先获取管柱和/或吊卡及其周围的图像信息，在对该图像信息进行分析后，能够得到机械手与管柱和/或吊卡的相对位置关系，最后通过该位置关系，能够控制机械手运动以使机械手和管柱和/或吊卡对准。采用本发明的机械手定位方法相比于传统的人工一边观看监控视频一边手动操控二层台机械手，不再需要人工目视监控画面操纵机械手作业，避免手动频繁调节二层台机械手抓管姿态，不仅抓管柱和送管柱一次成功率高，精准度更高，而且提高了二层台机械手排管和送管作业效率。
9.可选地，所述目标物及其周围的图像信息包括所述目标物在视觉范围内的姿态信息，所述根据所述目标物及其周围的图像信息，得到所述机械手与所述目标物的相对位置关系包括：
10.根据所述目标物在视觉范围内的姿态信息，得到所述目标物的标定线；
11.根据所述标定线和所述视觉范围，得到所述机械手与所述目标物的相对位置关系。
12.这样，识别管柱和/或吊卡在视觉范围内的姿态信息后，能够得到管柱和/或吊卡
标定线，同时，机械手与管柱和/或吊卡的相对位置关系是通过标定线和视觉范围确定，不需要复杂的运算，识别速度快。
13.可选地，所述根据所述目标物在视觉范围内的姿态信息，得到所述目标物的标定线包括：
14.获取所述目标物在视觉范围内的轮廓信息；
15.根据所述轮廓信息，定位所述目标物的中心位置；
16.根据所述中心位置，得到所述标定线。
17.这样，先识别管柱和/或吊卡在视觉范围内的轮廓信息，再根据轮廓信息，定位目标物的中心位置，最后通过该中心位置得到标定线，不需要复杂的运算，识别速度快。
18.可选地，所述根据所述标定线和所述视觉范围，得到所述机械手本体与所述目标物的相对位置关系包括：
19.获取所述标定线到所述视觉范围相对两边的第一距离和第二距离；
20.若所述第一距离和所述第二距离满足第一预设条件，所述机械手和所述目标物对准；
21.若所述第一距离和所述第二距离未满足第一预设条件，根据所述第一距离和所述第二距离得到所述机械手与所述目标物的偏移量。
22.这样，先通过标定线和视觉范围得到第一距离和第二距离，再通过第一距离和第二距离是否满足第一预设条件来得到机械手与管柱和/或吊卡之间的相对位置关系，不需要复杂的运算，识别速度快。
23.可选地，所述第一预设条件包括所述第一距离等于所述第二距离；或者，所述第一距离和所述第二距离之差的绝对值等于常数c，c不等于0。
24.这样，第一预设条件的运算逻辑简单，便于系统运行，能够降低运算负荷。
25.可选地，所述根据所述相对位置关系，控制所述机械手运动以使所述机械手和所述目标物对准包括：
26.根据所述偏移量，得到所述机械手的运动范围以及运动速度；
27.根据所述机械手的运动范围以及运动速度，控制所述机械手运动直至所述机械手与所述目标物对准。
28.这样，先根据偏移量得到机械手的运动范围以及运动速度，最后通过机械手的运动范围以及运动速度控制机械手运动，由此能够实现机械手与管柱和/或吊卡对准。
29.本发明的另一目的在于提供一种机械手定位装置，包括：
30.图像获取单元，其用于获取目标物及其周围的图像信息；
31.控制单元，其与所述图像获取单元电连接，用于：
32.根据所述目标物及其周围的图像信息，得到机械手与所述目标物的相对位置关系；
33.根据所述相对位置关系，控制所述机械手运动以使所述机械手和所述目标物对准。
34.这样，图像获取单元获取管柱和/或吊卡及其周围的图像信息，控制单元在对该图像信息进行分析后，能够得到机械手与管柱和/或吊卡的相对位置关系，最后通过该位置关系，控制单元能够控制机械手运动以使机械手和管柱和/或吊卡对准。采用本发明的机械手
定位方法相比于传统的人工一边观看监控视频一边手动操控二层台机械手，不再需要人工目视监控画面操纵机械手作业，避免手动频繁调节二层台机械手抓管姿态，不仅抓管柱和送管柱一次成功率高，精准度更高，而且提高了二层台机械手排管和送管作业效率。
35.本发明的又一目的在于提供一种机械手，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，当所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如上所述的机械手定位方法。
36.本发明的机械手与上述的机械手定位方法相对于现有技术所具有的有益效果相同，在此不再赘述。
37.可选地，所述机械手还包括：
38.机械手本体，
39.工业相机，其设置于所述机械手本体上，所述工业相机用于获取目标物及其周围的图像信息；
40.第一驱动件，所述第一驱动件与所述机械手本体驱动连接，所述第一驱动件用于驱动所述机械手本体运动；
41.所述处理器与所述工业相机和所述第一驱动件电连接。
42.本发明的再一目的在于提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器读取并运行时，实现如上所述的机械手定位方法。
43.本发明的计算机可读存储介质与上述的机械手定位方法相对于现有技术所具有的有益效果相同，在此不再赘述。
附图说明
44.图1为本发明的机械手定位方法的一种实施方式的流程示意图；
45.图2为本发明的机械手定位装置的一种实施方式的工作原理图；
46.图3为本发明的机械手、管柱以及成像范围的分布示意图；
47.图4为本发明的机械手的一种实施方式的使用状态图。
48.附图标记说明：
49.1-图像获取单元；2-控制单元；3-机械手、31-机械臂组件、311-第一机械臂、312-第二机械臂、313-第三机械臂、32-安装座、33-抓手、4-管柱、5-吊卡。
具体实施方式
50.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
51.在本发明的描述中，需要理解的是，附图中“x”的正向代表前方，相应地，“x”的反向代表后方；“y”的正向代表左方，相应地，“y”的反向代表右方；“z”的正向代表上方，相应地，“z”的反向代表下方，术语“x”、“y”、“z”等指示的方位或位置关系为基于说明书附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的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。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以
合适的方式结合。
52.在本发明的描述中，应当说明的是，各实施例中的术语名词例如“上”、“下”、“前”、“后”等指示方位的词语，只是为了简化描述基于说明书附图的位置关系，并不代表所指的元件和装置等必须按照说明书中特定的方位和限定的操作及方法、构造进行操作，该类方位名词不构成对本发明的限制。
53.如图1所示，本发明的实施例提供一种机械手定位方法，用于对带有摄像功能的机械手3进行定位，所述机械手3适于设置于钻修井机二层台上，当通过所述机械手3进行排管作业或送管作业时，包括：
54.s100、获取目标物及其周围的图像信息，所述目标物包括吊卡5和/或管柱4；
55.s200、根据所述目标物及其周围的图像信息，得到所述机械手3与所述目标物的相对位置关系；
56.s300、根据所述相对位置关系，控制所述机械手3运动以使所述机械手3和所述目标物对准。
57.本实施例中，机械手3包括抓手33，抓手33通过两个夹持臂夹持管柱4，故两个夹持臂之间形成夹持空间。吊卡5设有带入口的卡槽，用于放置管柱4。由此，机械手3和目标物对准是指：当目标物为管柱4时，在前后方向上，管柱4对准两个夹持臂之间的夹持空间；当目标物为吊卡5时，在前后方向上，机械手3抓取的管柱4对准吊卡5的入口。
58.本实施例中，吊卡5和/或管柱4及其周围的图像信息是指二维平面内的图像信息。
59.采用本实施例的机械手定位方法，当需要机械手3抓取管柱4或者抓取管柱4进入吊卡5时，首先获取管柱4和/或吊卡5及其周围的图像信息，在对该图像信息进行分析后，能够得到机械手3与管柱4和/或吊卡5的相对位置关系，最后通过该位置关系，能够控制机械手3运动以使机械手3和管柱4和/或吊卡5对准。采用本发明的机械手定位方法相比于传统的人工一边观看监控视频一边手动操控二层台机械手3，不再需要人工目视监控画面操纵机械手3作业，避免手动频繁调节二层台机械手3抓管姿态，不仅抓管柱4和送管柱4一次成功率高，精准度更高，而且提高了二层台机械手3排管和送管作业效率。
60.可选地，所述目标物及其周围的图像信息包括所述目标物在视觉范围内的姿态信息。其中，目标物为管柱4和/或吊卡5，即获取管柱4在视觉范围内的姿态信息和/或吊卡5在视觉范围内的姿态信息。
61.在步骤s200中，包括：
62.根据所述目标物在视觉范围内的姿态信息，得到所述目标物的标定线；
63.根据所述标定线和所述视觉范围，得到所述机械手3与所述目标物的相对位置关系。
64.这样，识别管柱4和/或吊卡5在视觉范围内的姿态信息后，能够得到管柱4和/或吊卡5标定线，同时，机械手3与管柱4和/或吊卡5的相对位置关系是通过标定线和视觉范围确定，不需要复杂的运算，识别速度快。
65.可选地，所述根据所述目标物在视觉范围内的姿态信息，得到所述目标物的标定线包括：
66.获取所述目标物在视觉范围内的轮廓信息；
67.根据所述轮廓信息，定位所述目标物的中心位置；
68.根据所述中心位置，得到所述标定线。
69.这样，先识别管柱4和/或吊卡5在视觉范围内的轮廓信息，再根据轮廓信息，定位目标物的中心位置，最后通过该中心位置得到标定线，不需要复杂的运算，识别速度快。
70.本实施例中，吊卡5和管柱4的形状轮廓信息预存在服务器中，在获取吊卡5和管柱4及其周围的图像信息后，识别该图像信息中是否存在预设的吊卡5和管柱4的形状轮廓信息，若存在，在视觉范围内标记吊卡5和管柱4的形状轮廓，然后通过吊卡5和管柱4的形状轮廓定位吊卡5和管柱4的中心位置，则经过该中心位置的垂直线即为标定线。其中，目标物及其周围的图像信息是通过图像获取单元1获取，例如工业相机，由于工业相机的镜头会获取一定范围内的图像信息，为便于理解，当通过显示器观看工业相机的成像时，视觉范围可以理解为显示器上显示的画面范围。
71.这样，在标定线的作用下，通过对该标定线与视觉范围进行分析，能够得到机械手3和目标物的相对位置关系，例如，当目标物为标准的管柱4时，该标定线即为管柱4的轴线。当目标物为不规则的管柱4时，该标定线为在上下方向上垂直于管柱4最左端和最右端连线中点的直线。
72.可选地，所述根据所述轮廓信息，定位所述目标物的中心位置；包括：
73.获取所述标定线到所述视觉范围相对两边的第一距离和第二距离；
74.若所述第一距离和所述第二距离满足第一预设条件，所述机械手3和所述目标物对准；
75.若所述第一距离和所述第二距离未满足第一预设条件，根据所述第一距离和所述第二距离得到所述机械手3与所述目标物的偏移量。
76.这样，先通过标定线和视觉范围得到第一距离和第二距离，再通过第一距离和第二距离是否满足第一预设条件来得到机械手3与管柱4和/或吊卡5之间的相对位置关系，不需要复杂的运算，识别速度快。
77.本实施例中，当第一距离和第二距离满足第一预设条件，机械手3和目标物对准，则不需要控制机械手3再进行移动。只有当第一距离和第二距离未满足第一预设条件时，才需要控制机械手3进行移动以使机械手3与吊卡5和/或管柱4对准。
78.可选地，所述第一预设条件包括所述第一距离等于所述第二距离；或者，所述第一距离和所述第二距离之差的绝对值等于常数c，c不等于0。
79.这样，第一预设条件的运算逻辑简单，便于系统运行，能够降低运算负荷。
80.一种实施方式中，当工业相机的镜头中心与两个夹持臂的夹持空间的中心在左右方向不存在偏移距离d3时，第一预设条件包括第一距离l1等于第二距离l2，即l1-l2＝d3＝0。
81.另一种实施方式中，当工业相机的镜头中心与两个夹持臂的夹持空间的中心在左右方向存在偏移距离d3时，第一预设条件包括第一距离和第二距离之差的绝对值等于常数c，且c不等于0，即|l1-l2|＝c＝d3。
82.可选地，所述根据所述相对位置关系，控制所述机械手3运动以使所述机械手3和所述目标物对准包括：
83.根据所述偏移量，得到所述机械手3的运动范围以及运动速度；
84.根据所述机械手3的运动范围以及运动速度，控制所述机械手3运动直至所述机械
手3与所述目标物对准。
85.这样，先根据偏移量得到机械手3的运动范围以及运动速度，最后通过机械手3的运动范围以及运动速度控制机械手3运动，由此能够实现机械手3与管柱4和/或吊卡5对准。
86.一种实施方式中，当机械手3是通过转动来实现位置的改变时，根据机械手3与管柱4和/或吊卡5的相对位置关系(偏移量)，得到机械手3与管柱4和/或吊卡5的相对角度值(即机械手3的偏转角度)以及转动速度；机械手3在转动速度下进行转动直至其与管柱4和/或吊卡5对准。例如，如图3所示，根据图像信息实时计算管柱4相对于视觉范围最左和最右边距离分别为l1和l2，两个数值的差距为d(d＝l1-l2，以像素计算)；当d>0时，向机械手3伺服控制系统周期性发送向右偏转角度；当d<0时，向机械手3伺服控制系统发送向左偏转角度,伺服控制系统根据偏转角度大小值实时调节机械手3旋转位置和速度，最终使得d
→
0(即机械手3与管柱4对准，也就是管柱4相对于视觉范围最左和最右边距离l1和l2相等)，从而实现精确定位。机械手3送管柱4进入吊卡5时，识别吊卡5入口位置，控制原理与上述一致。
87.另一种实施方式中，当机械手3是通过平移来实现位置的改变时，根据机械手3与管柱4和/或吊卡5的相对位置关系(偏移量)，得到机械手3与管柱4和/或吊卡5的相对距离以及移动速度；机械手3在移动速度下进行平移直至其与管柱4和/或吊卡5对准。
88.如图2所示，本发明的另一目的在于提供一种机械手定位装置，包括：
89.图像获取单元1，其用于获取目标物及其周围的图像信息；
90.控制单元2，其与所述图像获取单元1电连接，用于：
91.根据所述目标物及其周围的图像信息，得到机械手3与所述目标物的相对位置关系；
92.根据所述相对位置关系，控制所述机械手3运动以使所述机械手3和所述目标物对准。
93.这样，图像获取单元1获取管柱4和/或吊卡5及其周围的图像信息，控制单元2在对该图像信息进行分析后，能够得到机械手3与管柱4和/或吊卡5的相对位置关系，最后通过该位置关系，控制单元2能够控制机械手3运动以使机械手3和管柱4和/或吊卡5对准。采用本发明的机械手定位方法相比于传统的人工一边观看监控视频一边手动操控二层台机械手3，不再需要人工目视监控画面操纵机械手3作业，避免手动频繁调节二层台机械手3抓管姿态，不仅抓管柱4和送管柱4一次成功率高，精准度更高，而且提高了二层台机械手3排管和送管作业效率。
94.可选地，所述图像获取单元1包括工业相机，所述工业相机设置在所述机械手3上，且所述工业相机与所述控制单元2电连接。
95.这样，采用工业相机，识别图像更加清晰、可靠，便于后续控制单元2进行识别处理。即工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变成有序的电信号，从而供工业计算机进行分析处理。
96.可选地，所述控制单元2包括工业计算机，所述工业计算机包括信号收发模块、储存模块和分析模块等，从而起到控制的目的。
97.本发明的又一目的在于提供一种机械手3，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，当所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如上所述的机械
手定位方法。
98.采用本发明的机械手3后，工业相机设置在机械手3上，其能够跟随机械手3同步运动，以便实时获取目标物的图像信息，工业计算机与工业相机电连接，工业计算机用于接收目标物的图像信息以控制机械手3运动，直至机械手3和目标物对准。
99.本实施例中，机械手3可以运用于各种抓取工况，本实施例主要用于二层台机械手3排管和送管。当需要机械手3抓取管柱4时，工业相机获取管柱4的图像信息，并将其发送给工业计算机，工业计算机接收管柱4的图像信息后进行分析，并根据分析结果控制机械手3运动直至其和管柱4对准，以便机械手3进行抓取操作。当需要机械手3抓取管柱4进入吊卡5时，工业相机获取吊卡5的图像信息，并将其发送给工业计算机，工业计算机接收吊卡5的图像信息后进行分析，并根据分析结果控制机械手3运动直至其和吊卡5对准，以便机械手3将管柱4放入吊卡5中。本发明的机械手定位装置相比于传统的人工一边观看监控视频一边手动操控二层台机械手3，不再需要人工目视监控画面操纵机械手3作业，避免手动频繁调节二层台机械手3抓管姿态，不仅抓管柱4和送管柱4一次成功率高，精准度更高，而且提高了二层台机械手3排管和送管作业效率。
100.如图4所示，机械手3包括机械手本体、工业相机、工业计算机和第一驱动件，所述工业相机设置于所述机械手本体上，所述工业相机用于获取目标物及其周围的图像信息；所述机械手本体与所述第一驱动件驱动连接，所述机械手本体通过第一驱动件进行驱动以使所述机械手本体和所述工业相机共同运动；所述工业计算机中的所述处理器与所述工业相机和所述第一驱动件电连接，所述处理器用于接收所述目标物及其周围的图像信息以控制第一驱动件驱动机械手本体运动，促使所述机械手本体和所述目标物对准。
101.采用本实施例的机械手3后，工业相机设置在机械手本体上，其能够跟随机械手本体同步运动，以便实时获取目标物的图像信息，工业计算机的处理器与工业相机和第一驱动件电连接，工业计算机用于接收目标物及其周围的图像信息以控制第一驱动件驱动机械手本体运动直至其和目标物对准。
102.本实施例中，第一驱动件为驱动电机，驱动电机与机械臂本体驱动连接，从而实现机械臂本体的运动，一种实施方式中，驱动电机驱动机械臂本体转动。另一种实施方式中，驱动电机为直线电机，其驱动机械臂本体直线运动，本实施例中，驱动电机驱动机械臂本体转动。
103.可选地，所述机械手本体上设有第一安装结构，所述工业相机上设有第二安装结构，所述机械手本体通过所述第一安装结构和所述第二安装结构与所述工业相机连接。
104.这样，机械手本体和工业相机为拆卸式的构造，便于工业相机在机械手本体上的安装。
105.可选地，还包括连接件，所述第一安装结构为第一孔结构，所述第二安装结构为第二孔结构，所述第一孔结构和所述孔结构通过所述连接件连接。
106.本实施例中，第一孔结构为螺纹孔或者通孔，优选为通孔，第二孔结构为螺纹孔，连接件为螺纹件，优选为螺栓，一种实施方式中，第一孔结构和第二孔结构均为螺纹孔，螺栓穿设于第一孔结构和第二孔结构中形成螺纹连接，另一种实施方式中，第一孔结构为通孔，第二孔结构为螺纹孔，螺栓穿设于第一孔结构和第二孔结构，螺栓的螺帽抵接在第一孔结构处，螺栓的螺杆与第二孔结构螺纹连接。
107.这样，第一孔结构和第二孔结构的结构简单，便于生产制造，且两者通过连接件进行连接，拆装方便。
108.可选地，所述机械手本体包括安装座32、机械臂组件31和抓手33，所述机械臂组件31的一端与所述安装座32活动连接，所述机械臂组件31的另一端与所述抓手33活动连接，所述工业相机设置于所述安装座32上，所述第一驱动件与所述安装座32驱动连接。
109.本实施例中，安装座32与安装平台连接，例如二层台，两者可以为滑动连接，也可以为固定连接，出于多自由度的考虑，安装座32与安装平台滑动连接。机械臂组件31包括第一机械臂311、第二机械臂312和第三机械臂313，第二机械臂312的两端分别与第一机械臂311和第三机械臂313转动连接，由此，能够实现机械臂组件31的伸长和缩短，其中，第一机械臂311与安装座32转动连接，所述第三机械臂313与抓手33转动连接，且机械臂组件31的转动位的转动方向一致，例如，第一机械臂311与安装座32沿上下方向转动连接，第三机械臂313与抓手33沿上下方向转动连接，第二机械臂312的两端分别与第一机械臂311和第三机械臂313沿上下方向转动连接。
110.这样，工业相机设置在安装座32上，机械臂组件31带动抓手33运动时，不会妨碍工业相机采集图像信息。
111.机械手3还包括均与工业计算机电连接的第二驱动件、第三驱动件和第四驱动件，三者分别设置在第一机械臂311与安装座32的连接处，第二机械臂312与第一机械臂311的连接处、第二机与第三机械臂313的连接处，由此，实现机械臂组件31的运动。
112.本发明的再一目的在于提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器读取并运行时，实现如上所述的机械手定位方法。
113.本发明的计算机可读存储介质与上述的机械手定位方法相对于现有技术所具有的有益效果相同，在此不再赘述。
114.虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。