1.本发明涉及自动化控制系统领域，尤其涉及一种基于三维视觉感知的机械手精密控制系统。
背景技术：
2.视觉伺服控制是现代机器人技术的重要研究内容之一，在工业自动化加工、国防军事及航空航天等方面具有广阔的应用前景。
3.视觉伺服控制是指使用闭环控制环节中的计算机视觉数据来控制机器人运动。这种控制方法广泛应用于机器人自动避障、无人驾驶、无人机、以及各类机械手臂自动抓取或其他动作，在各类工厂的自动化和智能化进程中具有很大应用潜力。
4.目前的视觉伺服控制系统多采用传统pid控制方法，由视觉检测系统检测到目标位置后，向控制系统发出运动指令，控制执行机构运动到目标位置，该方法响应时间长，系统存在一定时滞，且控制系统存在超调，无法精确控制机械手臂运动，尤其是在高精度的操作工序以及高危险性的加工操作工序中，机械手会与目标工件发生碰撞，其带来的后果轻则使工件报废，重则可能会带来严重的安全事故。
技术实现要素：
5.本发明意在提供一种基于三维视觉感知的机械手精密控制系统，以提高机械手臂的响应速度，提高机械手操作的精确度以及安全性。
6.为达到上述目的，本发明的基本方案如下：一种基于三维视觉感知的机械手精密控制系统，包括：机械手臂，所述机械手臂的末端配置有执行机构，所述执行机构用于加工目标工件；视觉感知端，所述视觉感知端配置有双目视觉成像单元以及图像处理模块，所述双目视觉成像单元用于从两个不同视点分别采集机械手臂末端执行机构与目标工件之间的位姿图像，所述图像处理模块能够根据两个不同视点的位姿图像的视差计算机械手臂末端执行机构与目标工件的3d深度信息；解析处理器，所述解析处理器连接于视觉感知端，所述解析处理器能够将3d深度信息转为三维点云数据，并根据三维点云数据计算得到机械手臂末端执行机构的空间位置矩阵以及目标工件的空间位置矩阵，利用机械手臂末端执行机构的空间位置矩阵以及目标工件的空间位置矩阵对机械手臂末端执行机构和目标工件的位姿关系进行标定，生成位姿关系数据；控制端，所述控制端连接于机械手臂以及解析处理器，所述控制端为滑模控制器，所述滑模控制器以位姿关系数据作为输入量，并根据预设的计算策略计算得到连续的控制量并生成控制指令，机械手臂能够根据控制指令实时变换位姿。
7.进一步地，所述目标工件为涂覆有火药药浆的金属壳体，所述执行机构为用于平整火药药浆的刀具，所述刀具包括一体成型的刀刃以及刀柄部，所述刀刃能够与火药药浆接触并对火药药浆进行切削，所述刀柄部安装在机械手臂的末端，所述刀具能够与机械手臂的末端同步变换位姿。
8.进一步地，所述视觉感知端还配置有三维扫描单元，所述三维扫描单元用于对涂覆有火药药浆的金属壳体进行扫描生成实时三维模型并发送至解析处理器；所述解析处理器配置有模型存储模块以及模型解析模块，所述模型存储模块中预存储有金属壳体初始三维模型以及初始三维模型对应的初始三维数据信息；所述模型解析模块用于对实时三维模型进行分析处理得到对应的实时三维数据信息，所述模型解析模块配置有模型解析策略以及模型比对策略，当解析处理器接收到实时三维模型时，所述模型解析策略解析实时三维模型并计算得到实时三维数据信息，所述模型比对策略用于比对实时三维数据信息与初始三维数据信息的差值并生成修正参数；所述解析处理器根据修正参数对目标工件的空间位置矩阵进行修正得到目标工件的空间位置修正矩阵，并生成位姿关系修正数据；滑模控制器以位姿关系修正数据作为输入量，并根据预设的计算策略计算得到连续的修正控制量并生成修正控制指令，机械手臂能够根据控制控制指令实时变换位姿。
9.进一步地，所述初始三维数据信息包括金属壳体的初始三维坐标数据信息、初始几何形状信息以及初始纹理信息；所述实时三维数据信息包括涂覆有火药药浆的金属壳体的实时三维坐标数据信息、实时几何形状信息以及实时纹理信息；所述模型比对策略配置有修正参数算法，所述修正参数算法的计算公式为：β=θ{∑（x
i-xj）+∑（y
i-yj）+∑（z
i-zj）}；其中，β为修正参数，θ为随机参数，xi为初始三维数据信息中x方向的坐标数据，xj为实时三维数据信息中x方向的坐标数据，yi为初始三维数据信息中y方向的坐标数据，yj为实时三维数据信息中y方向的坐标数据，zi为初始三维数据信息中z方向的坐标数据，zj为实时三维数据信息中z方向的坐标数据。
10.进一步地，所述随机参数θ设置有多个影响因子，所述影响因子包括金属壳体的初始几何形状信息对应的初始几何形状、初始纹理信息对应的初始纹理、涂覆有火药药浆的金属壳体的实时几何形状信息对应的实时几何形状、实时纹理信息对应的实时纹理。
11.进一步地，所述初始几何形状信息包括若干连续拼接的图块，各个图块内分别包含有几何结构特征；所述解析处理器配置图块分析模块以及特征数据库，所述特征数据库内包括若干几何结构特征以及几何结构特征对应的图块等级，所述图块分析模块根据各个图块对应的图块等级，将连续拼接的多个相同图块等级的图块组成的区域分别定义为特征区域，且赋予每个特征区域特征等级；所述图块分析模块根据实时几何形状信息与初始几何形状信息的相似度在实时三维模型上模拟生成与特征区域对应的特征模拟区域，且特征模拟区域的特征等级与特征区域的特征等级一致。
12.进一步地，所述刀刃配置有两个切削部，所述两个切削部分别为尖刺部以及平刃部，所述尖刺部与平刃部分别用于处理各个特征等级对应的特征模拟区域内的火药药浆，
所述控制指令包含特征模拟区域对应的切削部；所述控制端能够调取并识别机械手臂末端执行机构与目标工件之间的位姿图像，比对特征模拟区域内的切削部是否与预设的切削部一致，若特征模拟区与切削部不对应，则控制机械手臂变换位姿以切换切削部。
13.进一步地，所述解析处理器配置有数据比对模块，所述数据比对模块用于比对在连续的相邻的预设时间间隔内的实时三维数据信息的变化，并根据实时三维数据信息的变化量以及时间间隔点分别生成x数据变化曲线、y数据变化曲线以及z数据变化曲线；所述x数据变化曲线表征为在连续的相邻的预设时间间隔内的x方向的坐标数据的变化；所述y数据变化曲线表征为在连续的相邻的预设时间间隔内的y方向的坐标数据的变化，所述z数据变化曲线表征为在连续的相邻的预设时间间隔内的z方向的坐标数据的变化。
14.进一步地，所述解析处理器配置有数据监测模块，所述数据监测模块配置有x数据变化阈值、y数据变化阈值以及z数据变化阈值，所述数据监测模块分别监测x数据变化曲线、y数据变化曲线以及z数据变化曲线在预设的时间间隔的数据变化，在预设的时间间隔内，当x方向的坐标数据的变化大于x数据变化阈值和/或y方向的坐标数据的变化大于y数据变化阈值和/或z方向的坐标数据的变化大于z数据变化阈值时，解析处理器生成预警信号并发送至控制端，控制端控制机械手臂停止变换位姿。
15.进一步地，所述控制指令包括机械手末端的x方向、y方向以及z方向的移动距离和移动速度。
16.与现有技术相比本方案的有益效果是：1、本系统通过双目视觉成像单元采集机械手臂末端执行机构与目标工件之间的位姿图像，根据两个不同视点的位姿图像的视差计算机械手臂末端执行机构与目标工件的3d深度信息，通过解析处理器计算得到刀具的空间位置矩阵以及目标工件的空间位置矩阵，最终生成位姿关系数据；将位姿关系数据作为输入量，在计算实际控制量的时候进行积分，从而将不连续的控制量变为连续的控制量，并生成控制指令机械手臂能够根据控制指令实时变换位姿，从而提高机械手臂末端执行机构操作过程的精准度以及安全性。
17.2、本系统所要实现的技术效果是提高刀具对火药药浆处理的精准度以及安全性，而提高安全性的本质是避免刀具与金属壳体发生碰撞而引起爆炸，因此，在系统操作的过程中，还需要了解刀具与金属壳体之间的相对关系，从而能够更有效地提高安全性；通过比对实时三维数据信息与初始三维数据信息的差值并生成修正参数，根据修正参数对目标工件的空间位置矩阵进行修正得到目标工件的空间位置修正矩阵，并生成位姿关系修正数据，滑模控制器生成修正控制指令，机械手臂能够根据控制控制指令实时变换位姿，从而能够更有效地控制刀具，避免其与金属壳体发生碰撞而引起爆炸，提高操作的安全性。
18.3、在实际操作的过程中，刀具对火炸药的药浆平整化工艺的操作过程中，需要进一步考虑金属壳体表面的几何结构特征对刀具在金属壳体表面做平整处理时的影响，通过对金属壳体的初始几何形状信息中的图块分析，并将连续拼接的多个相同图块等级的图块组成的区域分别定义为特征区域，在实时三维模型上模拟生成与特征区域对应的特征模拟区域，从而可以调节刀具的切削部对不同的特征模拟区域内的火药药浆进行平整，从而可
以更有效地提高刀具对火药药浆处理的精准度以及安全性。
19.4、解析处理器配置的数据比对模块，能够比对在连续的相邻的预设时间间隔内的实时三维数据信息的变化，当x数据变化曲线、y数据变化曲线以及z数据变化曲线的任意一曲线在预设的时间的变化大于预设的变化阈值时，则表明出现加工的异常，为避免后续操作引起刀具与金属壳体的碰撞，须及时控制机械手臂停止变换位姿，确保操作的安全性。
附图说明
20.图1为本发明的整体结构示意图；图2为本发明的视觉感知端的主体结构示意图；图3为本发明的解析处理器的内部模块分布示意图。
21.说明书附图中的附图标记包括：机械手臂1、执行机构2、目标工件3、视觉感知端4、双目视觉成像单元5、图像处理模块6、三维扫描单元7、解析处理器8、模型存储模块9、数据比对模块10、图块分析模块11、模型解析模块12、数据监测模块13、特征数据库14、控制端15、控制指令16。
具体实施方式
22.下面结合说明书附图，并通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：实施例：一种基于三维视觉感知的机械手精密控制系统，如图1至2所示，包括：机械手臂1，机械手臂1的末端配置有执行机构2，执行机构2用于加工目标工件3；在本实施例中，目标工件3为涂覆有火药药浆的金属壳体，执行机构2为用于平整火药药浆的刀具，刀具包括一体成型的刀刃以及刀柄部，刀刃能够与火药药浆接触并对火药药浆进行切削，刀柄部安装在机械手臂1的末端，刀具能够与机械手臂1的末端同步变换位姿；视觉感知端4，视觉感知端4配置有双目视觉成像单元5以及图像处理模块6，双目视觉成像单元5用于从两个不同视点分别采集机械手臂1末端执行机构2与目标工件3之间的位姿图像，图像处理模块6能够根据两个不同视点的位姿图像的视差计算机械手臂1末端执行机构2与目标工件3的3d深度信息；解析处理器8，解析处理器8连接于视觉感知端4，解析处理器8能够将3d深度信息转为三维点云数据，并根据三维点云数据计算得到机械手臂1末端执行机构2的空间位置矩阵以及目标工件3的空间位置矩阵，利用机械手臂1末端执行机构2的空间位置矩阵以及目标工件3的空间位置矩阵对机械手臂1末端执行机构2和目标工件3的位姿关系进行标定，生成位姿关系数据；控制端15，控制端15连接于机械手臂1以及解析处理器8，控制端15为滑模控制器，滑模控制器以位姿关系数据作为输入量，并根据预设的计算策略计算得到连续的控制量并生成控制指令16，机械手臂1能够根据控制指令16实时变换位姿，控制指令16包括机械手末端的x方向、y方向以及z方向的移动距离和移动速度。
23.视觉感知端4还配置有三维扫描单元7，三维扫描单元7用于对涂覆有火药药浆的金属壳体进行扫描生成实时三维模型并发送至解析处理器8；
解析处理器8配置有模型存储模块9以及模型解析模块12，模型存储模块9中预存储有金属壳体初始三维模型以及初始三维模型对应的初始三维数据信息；模型解析模块12用于对实时三维模型进行分析处理得到对应的实时三维数据信息，模型解析模块12配置有模型解析策略以及模型比对策略，当解析处理器8接收到实时三维模型时，模型解析策略解析实时三维模型并计算得到实时三维数据信息，模型比对策略用于比对实时三维数据信息与初始三维数据信息的差值并生成修正参数；解析处理器8根据修正参数对目标工件3的空间位置矩阵进行修正得到目标工件3的空间位置修正矩阵，并生成位姿关系修正数据；滑模控制器以位姿关系修正数据作为输入量，并根据预设的计算策略计算得到连续的修正控制量并生成修正控制指令16，机械手臂1能够根据控制控制指令16实时变换位姿。
24.初始三维数据信息包括金属壳体的初始三维坐标数据信息、初始几何形状信息以及初始纹理信息；实时三维数据信息包括涂覆有火药药浆的金属壳体的实时三维坐标数据信息、实时几何形状信息以及实时纹理信息；模型比对策略配置有修正参数算法，修正参数算法的计算公式为：β=θ{∑（x
i-xj）+∑（y
i-yj）+∑（z
i-zj）}；其中，β为修正参数，θ为随机参数，xi为初始三维数据信息中x方向的坐标数据，xj为实时三维数据信息中x方向的坐标数据，yi为初始三维数据信息中y方向的坐标数据，yj为实时三维数据信息中y方向的坐标数据，zi为初始三维数据信息中z方向的坐标数据，zj为实时三维数据信息中z方向的坐标数据。
25.随机参数θ设置有多个影响因子，影响因子包括金属壳体的初始几何形状信息对应的初始几何形状、初始纹理信息对应的初始纹理、涂覆有火药药浆的金属壳体的实时几何形状信息对应的实时几何形状、实时纹理信息对应的实时纹理。
26.初始几何形状信息包括若干连续拼接的图块，各个图块内分别包含有几何结构特征；解析处理器8配置图块分析模块11以及特征数据库14，特征数据库14内包括若干几何结构特征以及几何结构特征对应的图块等级，图块分析模块11根据各个图块对应的图块等级，将连续拼接的多个相同图块等级的图块组成的区域分别定义为特征区域，且赋予每个特征区域特征等级；图块分析模块11根据实时几何形状信息与初始几何形状信息的相似度在实时三维模型上模拟生成与特征区域对应的特征模拟区域，且特征模拟区域的特征等级与特征区域的特征等级一致。
27.刀刃配置有两个切削部，两个切削部分别为尖刺部以及平刃部，尖刺部与平刃部分别用于处理各个特征等级对应的特征模拟区域内的火药药浆，控制指令16包含特征模拟区域对应的切削部；控制端15能够调取并识别机械手臂1末端执行机构2与目标工件3之间的位姿图像，比对特征模拟区域内的切削部是否与预设的切削部一致，若特征模拟区与切削部不对应，则控制机械手臂1变换位姿以切换切削部。
28.解析处理器8配置有数据比对模块10，数据比对模块10用于比对在连续的相邻的预设时间间隔内的实时三维数据信息的变化，并根据实时三维数据信息的变化量以及时间
间隔点分别生成x数据变化曲线、y数据变化曲线以及z数据变化曲线；x数据变化曲线表征为在连续的相邻的预设时间间隔内的x方向的坐标数据的变化；y数据变化曲线表征为在连续的相邻的预设时间间隔内的y方向的坐标数据的变化，z数据变化曲线表征为在连续的相邻的预设时间间隔内的z方向的坐标数据的变化。
29.解析处理器8配置有数据监测模块13，数据监测模块13配置有x数据变化阈值、y数据变化阈值以及z数据变化阈值，数据监测模块13分别监测x数据变化曲线、y数据变化曲线以及z数据变化曲线在预设的时间间隔的数据变化，在预设的时间间隔内，当x方向的坐标数据的变化大于x数据变化阈值和/或y方向的坐标数据的变化大于y数据变化阈值和/或z方向的坐标数据的变化大于z数据变化阈值时，解析处理器8生成预警信号并发送至控制端15，控制端15控制机械手臂1停止变换位姿。
30.本方案具体实施方式如下：在火炸药的药浆平整化工艺中，刀具需要频繁进行复杂的曲线运动，使得刀具与涂覆有火药药浆的金属壳体之间的位姿关系复杂多样，但是刀具不能碰撞金属壳体，否则会产生火花，引起爆炸，造成严重后果。
31.本系统通过视觉感知端4的双目视觉成像单元5能够从两个不同视点分别采集机械手臂1末端执行机构2与目标工件3之间的位姿图像，通过图像处理模块6根据两个不同视点的位姿图像的视差计算机械手臂1末端执行机构2与目标工件3的3d深度信息；通过解析处理器8将3d深度信息转为三维点云数据，并根据三维点云数据计算得到刀具的空间位置矩阵以及目标工件3的空间位置矩阵，利用刀具的空间位置矩阵以及目标工件3的空间位置矩阵对刀具和目标工件3的位姿关系进行标定，生成位姿关系数据；将位姿关系数据的高阶导数作为输入量，在计算实际控制量的时候进行积分，从而将不连续的控制量变为连续的控制量，并生成控制指令16机械手臂1能够根据控制指令16实时变换位姿，从而变换刀具的位姿状态以提高刀具对火药药浆处理的精准度以及安全性，避免刀具透过火药药浆而碰撞到金属壳体引起爆炸。
32.本系统所要实现的技术效果是提高刀具对火药药浆处理的精准度以及安全性，而提高安全性的本质是避免刀具与金属壳体发生碰撞而引起爆炸，因此，在系统操作的过程中，还需要了解刀具与金属壳体之间的相对关系，从而能够更有效地提高安全性。
33.在本系统中，解析处理器8内预存储有金属壳体初始三维模型以及初始三维模型对应的初始三维数据信息；同时，视觉感知端4的三维扫描单元7对涂覆有火药药浆的金属壳体进行扫描，生成实时三维模型，并根据解析处理器8的模型解析模块12分析处理得到对应的实时三维数据信息，通过比对实时三维数据信息与初始三维数据信息的差值并生成修正参数，根据修正参数对目标工件3的空间位置矩阵进行修正得到目标工件3的空间位置修正矩阵，并生成位姿关系修正数据，滑模控制器生成修正控制指令16，机械手臂1能够根据控制控制指令16实时变换位姿，从而能够更有效地控制刀具，避免其与金属壳体发生碰撞而引起爆炸，提高操作的安全性。
34.在实际操作的过程中，刀具对火炸药的药浆平整化工艺的操作过程中，需要进一步考虑金属壳体表面的几何结构特征对刀具在金属壳体表面做平整处理时的影响，通过对金属壳体的初始几何形状信息中的图块分析，得到各个图块中的几何结构特征，从而定义图块等级，并将连续拼接的多个相同图块等级的图块组成的区域分别定义为特征区域，赋
予每个特征区域特征等级，根据特征等级可以判断金属壳体对应区域的几何结构的复杂程度，在实时三维模型上模拟生成与特征区域对应的特征模拟区域，从而可以调节刀具的切削部对不同的特征模拟区域内的火药药浆进行平整，对于几何结构相对复杂的部分优先选用尖刺部进行平整处理，对于几何结构相对简单的部分优先选用平刃部进行平整处理，从而可以更有效地提高刀具对火药药浆处理的精准度以及安全性。
35.解析处理器8配置的数据比对模块10，能够比对在连续的相邻的预设时间间隔内的实时三维数据信息的变化，根据实时三维数据信息的变化量以及时间间隔点分别生成x数据变化曲线、y数据变化曲线以及z数据变化曲线，而x数据变化曲线、y数据变化曲线以及z数据变化曲线分别对应的是各个方向上金属壳体表面的火药药浆的平整度变化，当x数据变化曲线、y数据变化曲线以及z数据变化曲线的任意一曲线在预设的时间的变化大于预设的变化阈值时，则表明出现加工的异常，为避免后续操作引起刀具与金属壳体的碰撞，须及时控制机械手臂1停止变换位姿，确保操作的安全性。
36.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。