专利名称：一种基于主动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主动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。但现有遥操作平台采用的视觉系统缺乏主动视觉功能，摄像机 不能主动跟踪目标物，从而在遥操作过程中容易出现目标物偏离出视场的情况，这时就需 要人为调整视觉系统，重新搜索目标物，使目标物回到摄像机的视场。但由于遥操作过程中 大时延的存在，这个搜索过程往往既费时，效果还不好，故不能最大限度的发挥视觉系统的 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无主动视觉功能， 在遥操作过程中容易出现目标物偏离出视场的情况。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于主动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主动视觉摄像机，克服现有遥操作视觉装置存在的不 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。本发明提出的基于主动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、主动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；所述的主动视觉装 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 的主动视觉装置由可旋转摄像机和基座组成，可旋转摄像机安装在基座上；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，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。上述气浮遥操作平台中，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。上述气浮遥操作平台中，所述的主动视觉装置由可旋转摄像机、输出轴、电机组 成，电机通过蜗轮蜗杆与安装基座相连，安装基座固定在所述的机械臂安装基座上，可旋转 摄像机通过输出轴与电机联动。本发明提出的基于主动视觉的气浮遥操作平台，其优点是现有遥操作平台都没 有采用主动视觉功能，故在操作过程中很容易出现目标物偏离出平台摄像头视场的情况， 严重影响遥操作的效率，本发明增加了主动视觉功能，能使平台上的摄像头自适应的跟踪 目标物，使目标物始终处于摄像头视场的中心部位，极大方便了遥操作人员的观察，提高了 遥操作的效率。
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4为本发明的主动视觉装置的结构示意图。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 主动视觉装置，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是下肘关节外壳， 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。图4中，701 是可旋转摄像机，702是输出轴，703是电机，704是安装基座。
具体实施例方式本发明提出的基于主动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、主动视觉装 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。主动视觉装置7和两个机械臂分别安装在机械臂安装基座8上，机械臂安装基座固定在气浮平台上。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。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。上述气浮遥操作平台中，所述的主动视觉装置的结构如图4所示，由可旋转摄像 机701、输出轴702和电机703组成，电机703通过安装基座704固定在机械臂安装基座8 上，电机703通过蜗轮蜗杆与安装基座704相连，因此电机703可以带动可旋转摄像机701 在安装基座704上移动。安装基座704固定在机械臂安装基座8上，可旋转摄像机701通 过输出轴702与电机703联动。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。可旋转摄像机由日本Sony公司生产，型号为 EVI-D70P型的彩色摄像机。以下结合附图介绍本发明气浮遥操作平台的气浮操作过程及气浮原理为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，可使气浮平台在大理石平台面作二维平面运动。本发明提出的基于主动视觉的气浮遥操作平台，其主要功能是使可旋转摄像机 701自适应的跟踪目标物体，使目标物体始终处于摄像头图像界面的中心位置。其工作过程如下当目标物体不在摄像头图像界面的中心位置时，计算出目标物体位置到摄像头图像 界面中心位置的偏移量，然后根据该偏移量以及可旋转摄像机的当前角度及位置解算出摄 像头应平移的距离及转动的角度，主动视觉装置电机根据解算出的距离和角度转动，带动 摄像头运动，从而使目标物体到达摄像头图像界面的中心位置。
权利要求
一种基于主动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、主动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；所述的主动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；所述的主动视觉装置由可旋转摄像机和基座组成，可旋转摄像机安装在基座上；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。
4.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主动视觉装置由可旋 转摄像机、输出轴、电机组成，电机通过蜗轮蜗杆与安装基座相连，安装基座固定在所述的 机械臂安装基座上，可旋转摄像机通过输出轴与电机联动。
全文摘要
本发明涉及一种基于主动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分别置于气浮平台上。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。主动视觉装置和两个机械臂通过机械臂安装基座上固定在气浮平台上。主动视觉装置由可旋转摄像机和基座组成。机械臂的肩关节固定在机械臂安装基座上，其大臂、肘关节、小臂依次与肩关节相连接。本发明遥操作平台，增加了主动视觉功能，使平台上的摄像头自适应的跟踪目标物，使目标物始终处于摄像头视场的中心部位，极大方便了遥操作人员的观察，提高了遥操作的效率。
文档编号B25J19/04GK101890713SQ201010191289
公开日2010年11月24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