狹小空間裝配系統及裝配方法與流程

2023-08-22 11:52:01

本發明屬於測量裝置技術領域，具體提供一種狹小空間裝配系統及裝配方法。

背景技術：

在現代化生產中，工件間的裝配是必不可少的生產環節。目前大多數裝配，例如精密設備或精密零件的裝配，在裝配空間足夠的情況下，可以採用傳統的位姿測量裝置輔助自動化裝配機器人的方式進行裝配作業。在這種裝配方式中，位姿測量裝置首先對待裝配件與目標裝配件的位姿進行測量，然後將測量結果傳輸給執行機構(即自動化裝配機器人)，執行機構進行精密的裝配作業，保證裝配精度。

然而，在某些狹窄空間環境下的裝配工作，尤其是在狹窄空間進行精密裝配工作時，由於傳統的位姿測量裝置體積過大，沒有足夠的空間進行固定，所以仍然採用人工對接的方法進行。在此種情況下，工人們將待裝配件固定在支架上，用吊車或機械臂將其吊起，通過人工目測的方式調節待裝配件的位置和角度，並逐步靠近目標裝配件，完成最終裝配。此種方法在實施過程中不僅需要多人配合安裝，並且在裝配過程中依靠人眼進行反饋，配合精度無法保證，而且整個裝配過程進行緩慢，效率低下。

相應地，本領域需要一種新的適用於狹小空間的裝配系統及裝配方法來解決上述問題。

技術實現要素：

為了解決現有技術中的上述問題，即為了解決狹窄空間下採用人工裝配，裝配精度差、效率低的問題，本發明提供了一種狹小空間裝配系統，用於將待裝配件匹配安裝至對接件，該系統包括採集部，其用於採集所述待裝配件的第一位姿信息以及所述對接件的第二位姿信息；數據處理單元，其用於基於所述第一位姿信息和第二位姿信息，計算出所述待裝配件與所述對接件之間的結果位姿信息；執行機構，其用於基於所述結果位姿信息，將所述待裝配件安裝至所述對接件。

在上述狹小空間裝配系統的優選技術方案中，所述採集部包括殼體以及設置於所述殼體內的第一採集單元與第二採集單元，其中，所述第一採集單元用於採集所述待裝配件的第一位姿信息；其中，所述第二採集單元用於採集所述對接件的第二位姿信息。

在上述狹小空間裝配系統的優選技術方案中，所述殼體上設置有安裝結構，所述安裝結構能夠使所述採集部處於與所述待裝配件的位置相對固定的狀態。

在上述狹小空間裝配系統的優選技術方案中，所述待裝配件上具有第一裝配特徵，所述對接件上設置有與所述第一裝配特徵對應的第二裝配特徵。

在上述狹小空間裝配系統的優選技術方案中，所述採集部通過所述安裝結構固定於所述第一裝配特徵。

在上述狹小空間裝配系統的優選技術方案中，所述第一採集單元為慣性陀螺儀，所述第一位姿信息中至少包含角度信息。

在上述狹小空間裝配系統的優選技術方案中，所述第二採集單元為雙目相機，所述第二位姿信息中至少包含所述第二裝配特徵的圖像信息。

在上述狹小空間裝配系統的優選技術方案中，所述殼體包括第一殼體和第二殼體，所述慣性陀螺儀和所述雙目相機設置於所述第一殼體和所述第二殼體形成的腔體中，並且所述第一殼體上開設有鏡頭孔，在連接好的狀態下，所述雙目相機的鏡頭能夠容納於所述鏡頭孔中。

本發明還提供了一種狹小空間裝配方法，用於將待裝配件匹配安裝至對接件，所述狹小空間裝配方法包括：

採集所述待裝配件的第一位姿信息以及所述對接件的第二位姿信息；

基於所述第一位姿信息和第二位姿信息，計算出所述待裝配件與所述對接件之間的結果位姿信息；

基於所述結果位姿信息，將所述待裝配件安裝至所述對接件。

在上述狹小空間裝配方法的優選技術方案中，所述的「採集所述待裝配件的第一位姿信息以及所述對接件的第二位姿信息」進一步包括：

在所述採集部由零點位置移動至所述待裝配件的過程中，採集部的慣性陀螺儀採集至少包含所述待裝配件的第一裝配特徵的所述角度信息；

在所述採集部與所述待裝配件連接好的狀態下，採集部的雙目相機採集至少包含所述對接件的第二裝配特徵的圖像信息。

本領域技術人員能夠理解的是，在本發明的優選技術方案中，狹小空間裝配系統主要包括採集部、數據處理單元以及執行機構。其中，採集部包括殼體以及設置於殼體內的慣性陀螺儀與雙目相機，其中慣性陀螺儀可採集待裝配件的第一位姿信息，雙目相機可採集對接件的第二位姿信息。此外，狹小空間裝配方法，通過採集部採集待裝配件的第一位姿信息和對接件的第二位姿信息，並計算出結果位姿信息的方式，可以輔助執行機構快速準確的將待裝配件匹配安裝至對接件。通過狹小空間裝配系統及裝配方法，不僅可以大幅提高狹窄空間裝配的裝配效率和裝配精度，而且採集部結構小巧，使用簡單，穩定性高。

附圖說明

圖1是本發明的狹小空間裝配系統的裝配過程示意圖；

圖2是本發明的狹小空間裝配系統的採集部的結構示意圖；

圖3是本發明的狹小空間裝配方法的流程示意圖。

具體實施方式

下面參照附圖來描述本發明的優選實施方式。本領域技術人員應當理解的是，這些實施方式僅僅用於解釋本發明的技術原理，並非旨在限制本發明的保護範圍。例如，雖然附圖中的安裝結構以可拆卸的方式與第二殼體連接，但是這種連接方式非一成不變，本領域技術人員可以根據需要對其作出調整，以便適應具體的應用場合。

需要說明的是，在本發明的描述中，術語「中心」、「上」、「下」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「內」、「外」等指示的方向或位置關係的術語是基於附圖所示的方向或位置關係，這僅僅是為了便於描述，而不是指示或暗示所述裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」、「第三」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

此外，還需要說明的是，在本發明的描述中，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域技術人員而言，可根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

本發明的主要目的在於，克服在狹窄空間下的人工裝配方式存在的裝配精度差、裝配效率低等問題。

如圖1所示，為解決上述問題，本發明在一種可能的實施方式中，提供了一種狹小空間裝配系統。該系統主要包括採集部1、數據處理單元以及執行機構2，該系統可以通過數據處理單元對採集部1獲得的信息進行分析和處理，執行機構2基於分析和處理的結果即可將待裝配件3匹配安裝至對接件4。其中，採集部1主要用於採集待裝配件3的第一位姿信息以及對接件4的第二位姿信息；數據處理單元主要用於基於第一位姿信息和第二位姿信息，計算出待裝配件3與對接件4之間的結果位姿信息；執行機構2則主要用於基於結果位姿信息，如數據處理單元根據結果位姿信息向執行機構2發送相應的指令，將待裝配件3安裝至對接件4。

如圖2所示，採集部1主要包括殼體以及設置於殼體內部的第一採集單元與第二採集單元。其中，第一採集單元主要用於採集待裝配件3的第一位姿信息，第二採集單元主要用於採集對接件4的第二位姿信息。優選地，殼體可以包括第一殼體11和第二殼體12，第一採集單元與第二採集單元均設置於第二殼體12，並且在連接好的狀態下，第一採集單元與第二採集單元分別與第二殼體12無相對運動。優選地，第一採集單元為慣性陀螺儀13，第二採集單元為雙目相機14。優選地，慣性陀螺儀13可以是能夠測量三個方向上的角度、角速度以及加速度變化的三維定位陀螺儀，即含有陀螺儀與加速度計。其中，陀螺儀可以採集角度和角速度等參數，加速度計可以採集加速度等參數。雙目相機14可以由兩個同型號的CCD相機模組構成。本領域技術人員可以想到的是，慣性陀螺儀13與雙目相機14的型號並非一成不變，也可以採用其他型號或形式的陀螺儀與視覺相機，只要該陀螺儀與視覺相機能夠準確獲得待裝配件3和對接件4的位姿信息即可。

繼續參照圖1，待裝配件3上設置有第一裝配特徵31(如輪廓大致為矩形的凸起)；對接件4上設置有可以與第一裝配特徵31配合連接的第二裝配特徵41(如與前述的凸起對應的凹槽)，待裝配件3與對接件4可以通過第一裝配特徵31與第二裝配特徵41的配合連接(如插合連接)實現裝配。在上述情況下採集位姿信息時，慣性陀螺儀13主要用於獲取採集部1移動至第一裝配特徵31的過程中的加速度或角速度等參數，雙目相機14則主要用於獲取含有第二裝配特徵41的特徵點的圖像信息。需要說明的是，特徵點是雙目相機14從獲取的圖像中提取出來的若干個特殊點，如特徵點可以是裝配特徵的外緣交點，舉例而言，特徵點可以是第一裝配特徵31的矩形凸起的各邊所形成的交點，也可以是第二裝配特徵41的矩形凹槽的槽底各邊所形成的交點等。優選地，在本實施方式中，特徵點的個數為四個，即矩形凸起的各邊或矩形凹槽的槽底各邊所形成的四個交點。當然，特徵點的個數可以隨裝配特徵的形狀的改變而變化，如當第一裝配特徵31為截面為三角形的凸起時，特徵點的個數可以為三個。

需要說明的是，在本優選的實施方式中，第一位姿信息可以是慣性陀螺儀13採集的加速度或角速度等參數，第二位姿信息可以是雙目相機14所拍攝的至少包含對接件4的第二裝配特徵41的圖像信息等。結果位姿信息可以是基於對上述第一位姿信息和第二位姿信息進行分析處理後得到的待裝配件3的任一點和對接件4對應的點在同一個坐標系的坐標信息等。如可以是特徵點，也可以是裝配特徵上的任一點等。

繼續參照圖2，第一殼體11上設置有鏡頭孔111，並且在連接好的狀態下，雙目相機14的鏡頭能夠容納於該鏡頭孔111中。此外，在第二殼體12外側還開設有與第一裝配特徵31對應的安裝結構121，該安裝結構121可以通過與第一裝配特徵31緊密連接的方式，使採集部1與待裝配件3之間處於位置相對固定的狀態。優選地，安裝結構121可以為與第二殼體12以可拆卸方式連接的、並且與第一裝配特徵31(如前所述的矩形凸起)形狀對應的結構(如矩形結構)，該結構可以通過與第一裝配特徵31緊密插合的方式將採集部1與待裝配件3相對固定(如矩形接口與矩形凸起的套接)。當然，本領域技術人員可以想到的是，安裝結構121也可以設置為其他形式，只要該形式可以使採集部1與待裝配件3的位置相對固定即可。

此外，採集部1還可以包括電源(圖中未標出)和連接線(圖中未標出)。其中，電源可以用來給採集部1供電，連接線可以用來將慣性陀螺儀13採集的第一位姿信息與雙目相機14採集的第二位姿信息及時地輸入數據處理單元。

如前所述，本發明的狹小空間裝配系統主要包括採集部1、數據處理單元以及執行機構2。其中，採集部1主要包括第一殼體11與第二殼體12，在第二殼體12上設置有慣性陀螺儀13與雙目相機14，慣性陀螺儀13與雙目相機14各自相對於第二殼體12無相對運動，保證了採集部1在使用時的穩定性。第二殼體12上還設置有安裝結構121，在安裝結構121與待裝配件3上的第一裝配特徵31緊密連接後，慣性陀螺儀13可以採集第一裝配特徵31的第一位姿信息，雙目相機14可以採集第二裝配特徵41的第二位姿信息。此外，由於採集部1的結構巧妙、集成度較高，因此採集部1的整體外形小巧輕便，便於攜帶，便於狹小空間的操作。並且，可以根基實際的應用場景，靈活地設置採集部1的安裝結構121，從而提高了採集部1相對待安裝件3的適用性。

如圖3所示，本發明還提供了一種狹小空間裝配系統的裝配方法，主要是基於前述的慣性陀螺儀13和雙目相機14，通過執行機構2完成待裝配件3與對接件4的裝配過程。該方法主要包括以下步驟：

S100、將採集部1置於設定的零點位置21，並對採集部1的慣性陀螺儀13和雙目相機14進行初始化。如零點位置21為執行機構2的設定點，初始化可以包括對慣性陀螺儀13和雙目相機14進行數據的清零等操作。

S200、在採集部1從零點位置21移動至待裝配件3的過程中，慣性陀螺儀13採集待裝配件3的第一位姿信息。之後，在採集部1與待裝配件3的位置相對固定的情形下，通過雙目相機14直接獲取對接件4的第二位姿信息。

S300、基於該第一位姿信息和第二位姿信息，數據處理單元計算待裝配件3與對接件4之間的結果位姿信息。如在同一基準的基礎上，計算出待裝配件3與對接件4之間的位置關係。

S400、基於該結果位姿信息，將待裝配件3安裝至對接件4。也就是說，在待裝配件3與對接件4之間的位置關係可以確定的情形下，數據處理單元通過向執行機構2發送相應的指令，進而使待裝配件3的第一裝配特徵31可靠地匹配至對接件4的第二裝配特徵41。

需要說明的是，在本優選的實施方式中，為方便說明，可以定義如下坐標系：

基於慣性陀螺儀13的坐標係為慣性坐標系HP，按照設定的方向，依次定義慣性坐標系HP的坐標軸為XH軸、YH軸、ZH軸。基於雙目相機14的坐標係為相機坐標系CP，按照設定的方向，依次定義相機坐標系CP的坐標軸依次為XC軸、YC軸、ZC軸。基於對接件4的坐標係為對接坐標系EP，按照設定的方向，依次定義對接坐標系EP的坐標軸依次為XE軸、YE軸、ZE軸。基於執行機構2的坐標係為世界坐標系WP，按照設定的方向，依次定義世界坐標系WP的坐標軸依次為XW軸、YW軸、ZW軸。

需要說明的是，相對位姿關係可以是空間中任一點在此空間的坐標系的位置與此點另一個空間坐標系的位置的轉換關係，如空間中任一點N在世界坐標系WP中的坐標為：NW＝(xW,yW,zW)T，而點N在慣性坐標系HP的坐標為：NH＝(xH,yH,zH)T，那麼點N在慣性坐標系HP和世界坐標系WP中所處的坐標變換可以表示為公式(1)。

在公式(1)中，[R t]為世界坐標系WP到慣性坐標系HP的變換矩陣，即相對位姿關係。R為旋轉矩陣，表示NW＝(xW,yW,zW)T在歐式空間的姿態變換，為3×3正交矩陣。t為一個三維向量，表示NW＝(xW,yW,zW)T在歐式空間內沿(XW軸、YW軸、ZW軸)的平移量，稱為平移向量。

為了實現相機坐標系CP和慣性坐標系HP以及慣性坐標系HP和世界坐標系WP之間的對接，在步驟S100之前，需要對雙目相機14中的鏡頭以及雙目相機14和慣性陀螺儀13之間的相對位姿關係進行標定。

其中，雙目相機14的標定方法可以為：採用標定板，如圓形標定板對雙目相機14進行標定，標定板上有若干個大小一致的圓點，開啟雙目相機14，採集若干對靶標圖像，如利用張氏標定法進行標定，得到雙目相機14的內參數和外參數。如雙目相機14的內參數主要包括焦距f、尺度因子(Sx,Sy)、圖像的中心點坐標(u0,v0)以及畸變參數K等，而雙目相機14的外參數則主要包括旋轉矩陣R1和平移向量t1組成的變換矩陣[R1 t1]。

其中，雙目相機14和慣性陀螺儀13之間的相對位姿關係的標定方法可以為：採用LOBO兩步法分別標定旋轉矩陣和平移向量。如可以是，將標定板垂直放置(與重力加速度方向一致)，運行雙目相機14獲取垂直方向向量，同時慣性陀螺儀13測量靜止狀態下的重力加速度方向，進而計算出兩者之間的相對姿態關係R2。然後將採集部1固定在旋轉平臺上，使旋轉平臺中心與慣性陀螺儀13中心重合，根據手眼標定算法(如馬頌德手眼標定的基本方程)，得到雙目相機14與慣性陀螺儀13之間的相對位置關係，即相機坐標系CP與慣性坐標系HP的相對位姿關係[R2 t2]。

如圖1和圖3所示，在對雙目相機14以及雙目相機14和慣性陀螺儀13之間的相對位姿關係進行標定後，在步驟S100中，將採集部1置於執行機構2的零點位置21，對採集部1執行初始化。初始化完畢後，默認慣性陀螺儀13與執行機構2的零點位置21在世界坐標系中的位置一致，均為(xW0,yW0,zW0)T。

步驟S200進一步可包括為如下步驟：

S210、採集待裝配件3的第一裝配特徵31的第一位姿信息。

啟動採集部1，開始採集數據，移動採集部1使安裝結構121與待裝配件3的第一裝配特徵31(如前面所述的矩形凸起)緊密連接。此過程中慣性陀螺儀13實時記錄待裝配件3的第一位姿信息並將採集到的第一位姿信息輸出給數據處理單元。如慣性陀螺儀13獲取採集部1在慣性坐標系HP下，從零點位置21開始移動到緊密連接至第一裝配特徵31的過程中的加速度和角速度等參數，並實時傳輸給數據處理單元。優選地，移動方式可以為人工移動，當然也可以藉助於其他方式實現採集部1的移動。需要說明的是，數據處理單元可以是任何可以基於位姿信息計算出結果位姿信息的處理設備，如上位機或者計算機等。

S220、採集對接件4的第二裝配特徵41的第二位姿信息。

在採集部1與第一裝配特徵31實現緊密連接(即相對位置不會發生改變)之後，雙目相機14開始採集對接件4上的第二裝配特徵41(如前面所述的與矩形凸起對應的矩形凹槽)的第二位姿信息並將採集到的第二位姿信息實時傳輸給數據處理單元。如雙目相機14對第二裝配特徵41進行拍照，並將拍照獲得的圖像數據輸出至數據處理單元，對圖像數據進行特徵點提取等處理。

步驟S300進一步可包括如下步驟：

S310、基於第一位姿信息，計算慣性坐標系HP與世界坐標系WP的相對位姿關係[R3t3]。

在一種可能的實施方式中，計算慣性坐標系HP與世界坐標系WP的相對位姿關係的方法可以如下：將慣性陀螺儀13輸出的第一位姿信息，即採集部1從零點位置21移動至待裝配件3的過程中的加速度和角速度參數，經過卡爾曼濾波、誤差處理和積分等步驟後獲得[R3 t3]。

S320、基於第二位姿信息，計算相機坐標系CP與對接坐標系EP的相對位姿關係[R4t4]。

計算相機坐標系CP與對接坐標系EP的相對位姿關係可以包括如下步驟：

首先對雙目相機14輸出的對接件4的第二位姿信息，即對含有第二裝配特徵41的圖像信息進行濾波、直方圖均衡化等預處理，得到清晰的圖像後，然後採用亞像素閾值分割方法確定待匹配物體所在區域，經特徵提取、霍夫直線檢測後確定出最優的四條直線，並將四條直線間的四個交點作為特徵點。(XA,YA)，(XB,YB)可以分別為某一特徵點P在左右兩幅圖像中對應的像素點坐標，再根據上述已獲得的雙目相機14的內、外參數，採用最小二乘法，即公式(2)計算出該特徵點P在相機坐標系CP下的坐標(XC,YC,ZC)，由於該特徵點P在對接坐標系EP中的坐標已知(如在建立對接坐標系EP時設定的坐標等)，因此可以採用PNP算法，計算相機坐標系CP與對接坐標系EP之間的相對位姿關係[R4t4]。

在公式(2)中，(Sx,Sy)為尺度因子，(u0,v0)為雙目相機14的圖像中心點坐標，[R1t1]為雙目相機14的外參數。

S330、基於待裝配件3與對接件4之間的相對位姿關係，計算結果位姿信息。

需要說明的是，在本發明的實施方式中，結果位姿信息可以是基於上述各個坐標系之間的相對位姿關係，計算得出的第一裝配特徵31的特徵點與第二裝配特徵41對應的特徵點在世界坐標系WP下的坐標。當然結果位姿信息也可以為裝配特徵上任意點的坐標，如第一裝配特徵31的中心點與第二裝配特徵41的中心點在世界坐標系WP下的坐標。其中，中心點可以是四個特徵點對角線的交點。

在數據處理單元計算出上述各參數之後，根據所得的相對位姿關係，計算第一裝配特徵31與第二裝配特徵41在世界坐標系下的坐標。如在結果位姿信息是上述中心點在世界坐標系WP下的坐標時，假設第一裝配特徵31的中心點在世界坐標系WP下的坐標為(XW,YW,ZW)T，第二裝配特徵41的中心點在世界坐標系WP下的坐標為(X'W,Y'W,Z'W)T，則可以按照公式(3)和公式(4)分別計算出上述兩點在同樣的世界坐標系WP下的坐標值。

步驟S400進一步可包括如下步驟：

S410、判斷結果位姿信息的準確性。

如可以通過計算雙目相機14採集的圖像中，第二裝配特徵31的特徵點之間的距離，也就是第二裝配特徵41每條邊的邊長a，與每條邊的標準邊長a'進行比較，判斷結果位姿信息的準確性。需要說明的是，標準邊長a'可以為本方法開始前通過人工測量或設定等方式得出並錄入到數據處理單元中的實際長度值。

1)若|a-a'|≤α，則輸出結果位姿信息至執行機構2。其中α為設定的長度閾值。

2)否則，返回步驟S100，重新測量。

S420、執行機構2將待裝配件3安裝至對接件4.

數據處理單元將準確的結果位姿信息，也就是第一裝配特徵31和第二裝配特徵41在世界坐標系WP下的坐標輸出至執行機構2，執行機構2可以根據該坐標完成最終裝配。如執行機構2根據第一裝配特徵31的坐標信息，移動末端執行器(如機械臂)與待裝配件3連接，連接好後，末端執行器移動至對接件4處，根據第二裝配特徵41的坐標，使第一裝配特徵31與第二裝配特徵41配合連接(如矩形凸起與矩形凹槽的插合連接)，從而實現待裝配件3與對接件4的裝配。

上述優選的實施方式，狹小空間裝配系統主要包括採集部1、數據處理單元以及執行機構2。其中，採集部1包括第一殼體11、第二殼體12以及設置於第二殼體12內的慣性陀螺儀13與雙目相機14，其中慣性陀螺儀13可採集待裝配件3的第一位姿信息，雙目相機14可採集對接件4的第二位姿信息。此外，利用此狹小空間裝配系統的狹小空間裝配方法，通過採集部1採集待裝配件3的第一位姿信息和對接件4的第二位姿信息，並計算出它們在同一世界坐標系WP下的坐標的方式，可以輔助執行機構2快速準確的完成待裝配件3和對接件4的裝配。通過狹小空間裝配系統及方法，不僅可以大幅提高狹窄空間裝配的裝配效率和裝配精度，而且採集部1結構小巧，使用簡單，穩定性高。進一步地，安裝結構121以可更換的方式設置，適用性更廣。

至此，已經結合附圖所示的優選實施方式描述了本發明的技術方案，但是，本領域技術人員容易理解的是，本發明的保護範圍顯然不局限於這些具體實施方式。在不偏離本發明的原理的前提下，本領域技術人員可以對相關技術特徵作出等同的更改或替換，這些更改或替換之後的技術方案都將落入本發明的保護範圍之內。