本發(fā)明涉及隧道掘進(jìn)設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種盾構(gòu)管片拼裝機(jī)用視覺平臺自動抓取方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

如今盾構(gòu)管片拼裝機(jī)在抓取管片的時候，需要依靠2個工人師傅利用人眼對管片螺栓和抓取平臺進(jìn)行定位，這種定位方式不但精度低，而且還嚴(yán)重影響施工速度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的旨在提供一種盾構(gòu)管片拼裝機(jī)用視覺平臺自動抓取方法及系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對管片螺栓的自動化抓取和調(diào)整，提高工程效率。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種盾構(gòu)管片拼裝機(jī)用視覺平臺自動抓取系統(tǒng)，包括：

管片抓取機(jī)構(gòu)；

視覺平臺，該視覺平臺包括第一電機(jī)、安裝座、第二電機(jī)、旋轉(zhuǎn)平臺、攝像頭和激光測距儀，該第一電機(jī)設(shè)置于管片抓取機(jī)構(gòu)上，第一電機(jī)的轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動方向垂直于豎直方向，安裝座設(shè)置于第一電機(jī)的上方，安裝座的底端連接于第一電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，第二電機(jī)設(shè)置于安裝座上，第二電機(jī)的轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動方向垂直于水平方向，旋轉(zhuǎn)平臺連接于第二電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，攝像頭與激光測距儀并列設(shè)置于旋轉(zhuǎn)平臺上，其中，攝像頭用于采集管片螺栓圖像并識別管片螺栓的特征點(diǎn)信息，激光測距儀用于測量旋轉(zhuǎn)平臺與管片螺栓的直線距離；

中心對準(zhǔn)模塊，該中心對準(zhǔn)模塊用于接收并分析來自攝像頭的管片螺栓圖像和特征點(diǎn)信息：當(dāng)管片螺栓的特征點(diǎn)偏離攝像頭的中心位點(diǎn)時，中心對準(zhǔn)模塊分析特征點(diǎn)位于攝像頭的位點(diǎn)位置，并形成面向第一電機(jī)和第二電機(jī)的控制命令，通過第一電機(jī)和第二電機(jī)的運(yùn)動使管片螺栓的特征點(diǎn)位于攝像頭的中心位點(diǎn)上；當(dāng)管片螺栓的特征點(diǎn)位于攝像頭的中心位點(diǎn)上時，中心對準(zhǔn)模塊向激光測距儀發(fā)布測距命令；中心對準(zhǔn)模塊還用于接收來自激光測距儀的測距數(shù)據(jù)；

位置計(jì)算模塊，該位置計(jì)算模塊用于接收來自中心對準(zhǔn)模塊的對準(zhǔn)數(shù)據(jù)，該對準(zhǔn)數(shù)據(jù)包括第一電機(jī)和第二電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、以及激光測距儀的測距數(shù)據(jù)，位置計(jì)算模塊根據(jù)對準(zhǔn)數(shù)據(jù)計(jì)算出管片螺栓相對于管片抓取機(jī)構(gòu)的位置，位置計(jì)算模塊還用于向管片抓取機(jī)構(gòu)發(fā)布抓取管片的控制命令。

進(jìn)一步地，視覺平臺包括相對地設(shè)置于管片螺栓兩側(cè)的第一視覺平臺和第二視覺平臺，視覺平臺包括分別對應(yīng)于第一視覺平臺和第二視覺平臺的兩組第一電機(jī)、安裝座、第二電機(jī)和旋轉(zhuǎn)平臺，視覺平臺還包括并列設(shè)置于第一視覺平臺上的第一攝像頭和第一激光測距儀、并列設(shè)置于第二視覺平臺上的第二攝像頭和第二激光測距儀，該第一攝像頭和第二攝像頭相對設(shè)置，該第一激光測距儀和第二激光測距儀相對設(shè)置；該中心對準(zhǔn)模塊用于接收并分析來自第一攝像頭和第二攝像頭的管片螺栓圖像和特征點(diǎn)信息：當(dāng)管片螺栓的特征點(diǎn)偏離第一攝像頭或第二攝像頭的中心位點(diǎn)時，中心對準(zhǔn)模塊并形成分別面向兩組第一電機(jī)和第二電機(jī)的控制命令，通過兩組第一電機(jī)和第二電機(jī)的運(yùn)動使管片螺栓的特征點(diǎn)同時位于第一攝像頭和第二攝像頭的中心位點(diǎn)上；當(dāng)管片螺栓的特征點(diǎn)同時位于第一攝像頭和第二攝像頭的中心位點(diǎn)上時，中心對準(zhǔn)模塊向第一激光測距儀和第二激光測距儀發(fā)布測距命令；中心對準(zhǔn)模塊還用于接收來自第一激光測距儀和第二激光測距儀的測距數(shù)據(jù)；該對準(zhǔn)數(shù)據(jù)包括兩組第一電機(jī)和第二電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、以及第一激光測距儀和第二激光測距儀的測距數(shù)據(jù)。

更進(jìn)一步地，自動抓取系統(tǒng)還包括人工干預(yù)模塊；該中心對準(zhǔn)模塊還用于錄入并存儲第一電機(jī)和第二電機(jī)的行程范圍，并在發(fā)布面向第一電機(jī)和第二電機(jī)的控制命令前將該控制命令與設(shè)定的行程范圍相比較：當(dāng)控制命令在行程范圍內(nèi)時，中心對準(zhǔn)模塊向第一電機(jī)和第二電機(jī)發(fā)布控制命令，并通過第一電機(jī)和第二電機(jī)的運(yùn)動使管片螺栓的特征點(diǎn)位于攝像頭的中心位點(diǎn)上；當(dāng)控制命令存在超出行程范圍的情況時，中心對準(zhǔn)模塊中止發(fā)布該控制命令、并將控制命令超出行程范圍的信息傳送至計(jì)算機(jī)中的人工干預(yù)模塊，人工干預(yù)模塊發(fā)出需要人工干預(yù)的通知。

進(jìn)一步地，人工干預(yù)模塊以聲光警示的形式發(fā)出需要人工干預(yù)的通知。

進(jìn)一步地，管片抓取機(jī)構(gòu)包括徑向油缸、軸向油缸和抓取頭。

一種盾構(gòu)管片拼裝機(jī)用視覺平臺自動抓取方法，包含有以下步驟：

s1、設(shè)置于視覺平臺上的攝像機(jī)采集管片螺栓圖像并識別管片螺栓的特征點(diǎn)信息，攝像機(jī)將采集到的管片螺栓圖像和特征點(diǎn)信息傳送至中心對準(zhǔn)模塊；

s21、中心對準(zhǔn)模塊接收并分析管片螺栓圖像和特征點(diǎn)信息，當(dāng)管片螺栓的特征點(diǎn)偏離攝像頭的中心位點(diǎn)時，中心對準(zhǔn)模塊分析管片螺栓的特征點(diǎn)位于攝像頭上的位點(diǎn)位置，并分別向第一電機(jī)和第二電機(jī)發(fā)布控制命令、通過第一電機(jī)和第二電機(jī)的運(yùn)動使管片螺栓的特征點(diǎn)位于攝像頭的中心位點(diǎn)上，當(dāng)管片螺栓的特征點(diǎn)位于攝像頭的中心位點(diǎn)上時，中心對準(zhǔn)模塊向激光測距儀發(fā)布測距命令；

s22、激光測距儀測量旋轉(zhuǎn)平臺與管片螺栓的直線距離，并向中心對準(zhǔn)模塊返回測距數(shù)據(jù)，中心對準(zhǔn)模塊將對準(zhǔn)數(shù)據(jù)發(fā)送至位置計(jì)算模塊，該對準(zhǔn)數(shù)據(jù)包括第一電機(jī)和第二電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、以及激光測距儀的測距數(shù)據(jù)；

s3、位置計(jì)算模塊根據(jù)對準(zhǔn)數(shù)據(jù)計(jì)算得管片螺栓的位置，并向管片抓取機(jī)構(gòu)發(fā)布抓取管片的控制命令，管片抓取機(jī)構(gòu)抓取管片。

進(jìn)一步地，視覺平臺包括相對地設(shè)置于管片螺栓兩側(cè)的第一視覺平臺和第二視覺平臺，視覺平臺包括分別對應(yīng)于第一視覺平臺和第二視覺平臺的兩組第一電機(jī)、安裝座、第二電機(jī)和旋轉(zhuǎn)平臺，視覺平臺還包括并列設(shè)置于第一視覺平臺上的第一攝像頭和第一激光測距儀、并列設(shè)置于第二視覺平臺上的第二攝像頭和第二激光測距儀，該第一攝像頭和第二攝像頭相對設(shè)置，該第一激光測距儀和第二激光測距儀相對設(shè)置；

s1中，該第一攝像機(jī)和第二攝像機(jī)同時采集管片螺栓圖像并識別管片螺栓的特征點(diǎn)信息，第一攝像機(jī)和第二攝像機(jī)將采集到的管片螺栓圖像和特征點(diǎn)信息傳送至中心對準(zhǔn)模塊；

s21中，中心對準(zhǔn)模塊接收并分析來自第一攝像頭和第二攝像頭的管片螺栓圖像和特征點(diǎn)信息：當(dāng)管片螺栓的特征點(diǎn)偏離第一攝像頭或第二攝像頭的中心位點(diǎn)時，中心對準(zhǔn)模塊形成分別面向兩組第一電機(jī)和第二電機(jī)的控制命令，通過兩組第一電機(jī)和第二電機(jī)的運(yùn)動使管片螺栓的特征點(diǎn)同時位于第一攝像頭和第二攝像頭的中心位點(diǎn)上；當(dāng)管片螺栓的特征點(diǎn)同時位于第一攝像頭和第二攝像頭的中心位點(diǎn)上時，中心對準(zhǔn)模塊向第一激光測距儀和第二激光測距儀發(fā)布測距命令；

s22中，第一激光測距儀和第二激光測距儀分別測量對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)平臺與管片螺栓的直線距離，并向中心對準(zhǔn)模塊返回測距數(shù)據(jù)，中心對準(zhǔn)模塊將對準(zhǔn)數(shù)據(jù)發(fā)送至位置計(jì)算模塊，該對準(zhǔn)數(shù)據(jù)包括第一電機(jī)和第二電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、以及第一激光測距儀和第二激光測距儀的測距數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，中心對準(zhǔn)模塊中存儲有第一電機(jī)和第二電機(jī)的行程范圍；s21中，中心對準(zhǔn)模塊在發(fā)布面向第一電機(jī)和第二電機(jī)的控制命令前將該控制命令與設(shè)定的行程范圍相比較：當(dāng)控制命令在行程范圍內(nèi)時，中心對準(zhǔn)模塊向第一電機(jī)和第二電機(jī)發(fā)布控制命令，并通過第一電機(jī)和第二電機(jī)的運(yùn)動使管片螺栓的特征點(diǎn)位于攝像頭的中心位點(diǎn)上；當(dāng)控制命令存在超出行程范圍的情況時，中心對準(zhǔn)模塊中止發(fā)布該控制命令、并將控制命令超出行程范圍的信息傳送至計(jì)算機(jī)中的人工干預(yù)模塊，人工干預(yù)模塊發(fā)出需要人工干預(yù)的通知。

進(jìn)一步地，人工干預(yù)模塊以聲光警示的形式發(fā)出需要人工干預(yù)的通知。

進(jìn)一步地，管片抓取機(jī)構(gòu)包括徑向油缸、軸向油缸和抓取頭。

本發(fā)明的有益效果在于：通過第一電機(jī)和第二電機(jī)的調(diào)整使管片螺栓的特征點(diǎn)位于攝像機(jī)的中心點(diǎn)上，再由激光測距儀進(jìn)行測距，從而提高激光測距儀所得測距數(shù)據(jù)的精確性，有利于提高管片抓取和拼裝的精確性；設(shè)置有兩組視覺平臺，同步進(jìn)行校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)獲取，進(jìn)一步提高管片抓取和拼裝的精確性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中一種盾構(gòu)管片拼裝機(jī)用視覺平臺自動抓取方法的流程框圖。

圖2是視覺平臺的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記：1、第一電機(jī)；2、安裝座；3、旋轉(zhuǎn)平臺；4、攝像頭；5、激光測距儀；6、第二電機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面，結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式，對本發(fā)明做進(jìn)一步描述：

實(shí)施例1

如圖1所示，一種盾構(gòu)管片拼裝機(jī)用視覺平臺自動抓取方法，包含有以下步驟：

s1、設(shè)置于第一視覺平臺上的第一攝像機(jī)和設(shè)置于第二視覺平臺上的第二攝像機(jī)采集管片螺栓圖像并識別其管片螺栓的特征點(diǎn)信息，該管片螺栓位于第一視覺平臺和第二視覺平臺之間，第一攝像機(jī)和第二攝像機(jī)將采集到的管片螺栓圖像和特征點(diǎn)信息經(jīng)無線傳輸技術(shù)傳送至計(jì)算機(jī)中的中心對準(zhǔn)模塊；

s21、中心對準(zhǔn)模塊接收并分析來自第一攝像頭和第二攝像頭的管片螺栓圖像和特征點(diǎn)信息，當(dāng)管片螺栓的特征點(diǎn)偏離第一攝像頭或第二攝像頭的中心位點(diǎn)時，中心對準(zhǔn)模塊分析管片螺栓的特征點(diǎn)位于第一攝像頭與第二攝像頭畫面上的位點(diǎn)位置，并分別向第一視覺平臺和第二視覺平臺上的第一電機(jī)和第二電機(jī)發(fā)布控制命令、通過兩組第一電機(jī)和第二電機(jī)的運(yùn)動使管片螺栓的特征點(diǎn)同時位于第一攝像頭和第二攝像頭的中心位點(diǎn)上，當(dāng)管片螺栓的特征點(diǎn)同時位于第一視覺平臺和第二視覺平臺上的攝像頭的中心位點(diǎn)上時，中心對準(zhǔn)模塊向第一激光測距儀和第二激光測距儀發(fā)布測距命令；中心對準(zhǔn)模塊中還存儲有兩組第一電機(jī)和第二電機(jī)的行程范圍，中心對準(zhǔn)模塊在發(fā)布控制命令之前將控制命令與存儲的行程范圍相比較，當(dāng)控制命令存在超出行程范圍的情況時，中心對準(zhǔn)模塊中止發(fā)布控制命令、并將控制命令超出行程范圍的信息傳送至計(jì)算機(jī)中的人工干預(yù)模塊，人工干預(yù)模塊以聲光警示的形式發(fā)出需要人工干預(yù)的通知，人工干預(yù)完成后，繼續(xù)進(jìn)行s1；

s22、當(dāng)?shù)谝患す鉁y距儀和第二激光測距儀返回第一測距數(shù)據(jù)和第二測距數(shù)據(jù)時，中心對準(zhǔn)模塊將包括兩組第一電機(jī)和第二電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、第一測距數(shù)據(jù)和第二測距數(shù)據(jù)在內(nèi)的對準(zhǔn)數(shù)據(jù)發(fā)送至位置計(jì)算模塊；

s3、位置計(jì)算模塊根據(jù)對準(zhǔn)數(shù)據(jù)計(jì)算得管片螺栓的位置，并向管片抓取機(jī)構(gòu)發(fā)布控制命令，管片抓取機(jī)構(gòu)抓取管片；位置計(jì)算模塊計(jì)算第一攝像頭和第二攝像頭相對于管片抓取機(jī)構(gòu)的位置的方法具體為：

以豎直方向?yàn)閦軸，第一電機(jī)運(yùn)行時旋轉(zhuǎn)平臺隨安裝座繞z軸旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)矩陣為：

從連桿i到連桿i-1的坐標(biāo)變換矩陣為：

根據(jù)上式可求出：

變換矩陣t如下所示：

其中d1、d2、d3、a2和a3為旋轉(zhuǎn)平臺的自身特征量，而θ1、θ2、θ3、θ4分別為兩組第一電機(jī)、第二電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，利用變換矩陣t，在已知旋轉(zhuǎn)平臺的特征參數(shù)和各電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度下，可以求出兩組旋轉(zhuǎn)平臺上攝像頭和激光測距儀相對于管片抓取機(jī)構(gòu)的位置信息；管片螺栓位置的計(jì)算公式如下：

除了滿足上式，還滿足fsinθ1cosθ1+esinθ3cosθ3＝d，其中，f為第一激光測距儀的測量數(shù)據(jù)，e為第二激光測距儀的測量數(shù)據(jù)，d為兩旋轉(zhuǎn)平臺的直線距離；

管片抓取機(jī)構(gòu)包括徑向抓取組件和軸向抓取組件徑向抓取組件包括徑向油缸，軸向抓取組件包括軸向油缸。

實(shí)施例2

如圖2所示，一種盾構(gòu)管片拼裝機(jī)用視覺平臺自動抓取系統(tǒng)，包括相對設(shè)置的第一視覺平臺、第二視覺平臺、計(jì)算機(jī)和管片抓取機(jī)構(gòu)，第一視覺平臺與第二視覺平臺分別對應(yīng)于兩組第一電機(jī)1、安裝座2、第二電機(jī)6和旋轉(zhuǎn)平臺3，第一視覺平臺與第二視覺平臺還分別包括有第一攝像頭4和第二攝像頭4，第一視覺平臺與第二視覺平臺還分別包括有第一激光測距儀5和第二激光測距儀5，在第一視覺平臺和第二視覺平臺中：第一電機(jī)1設(shè)置于管片抓取機(jī)構(gòu)上，第一電機(jī)1的轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動方向垂直于豎直方向，安裝座2設(shè)置于第一電機(jī)1的上方，安裝座2的底端連接于第一電機(jī)1的轉(zhuǎn)軸，第二電機(jī)6設(shè)置于安裝座2上，第二電機(jī)6的轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動方向垂直于水平方向，旋轉(zhuǎn)平臺3連接于第二電機(jī)6的轉(zhuǎn)軸，第一攝像頭4與第一激光測距儀5并列設(shè)置于第一視覺平臺的旋轉(zhuǎn)平臺3上，第二攝像頭4與第二激光測距儀5并列設(shè)置于第二視覺平臺的旋轉(zhuǎn)平臺3上；第一視覺平臺和第二視覺平臺分別設(shè)置于待安裝管片螺栓的兩側(cè)，第一攝像頭4和第二攝像頭4相對設(shè)置，第一攝像頭4和第二攝像頭4均用于采集管片螺栓圖像并識別管片螺栓的特征點(diǎn)信息，第一激光測距儀5和第二激光測距儀5相對設(shè)置，第一激光測距儀5和第二激光測距儀5均用于測量對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)平臺3與管片螺栓的直線距離；第一視覺平臺和第二視覺平臺均與計(jì)算機(jī)信號連接，其中第一攝像頭4和第二攝像頭4經(jīng)無線傳輸技術(shù)與計(jì)算機(jī)信號連接，計(jì)算機(jī)與管片抓取機(jī)構(gòu)信號連接；

計(jì)算機(jī)中設(shè)置有中心對準(zhǔn)模塊、位置計(jì)算模塊和人工干預(yù)模塊，其中，中心對準(zhǔn)模塊用于存儲兩組第一電機(jī)1和第二電機(jī)6的行程范圍，還用于接收并分析來自第一攝像頭4和第二攝像頭4的管片螺栓圖像和特征點(diǎn)信息：當(dāng)管片螺栓的特征點(diǎn)偏離第一攝像頭4或第二攝像頭4的中心位點(diǎn)時，中心對準(zhǔn)模塊分析特征點(diǎn)位于第一攝像頭4與第二攝像頭4畫面上的位點(diǎn)位置，并形成需要向第一視覺平臺和第二視覺平臺上的第一電機(jī)1和第二電機(jī)6發(fā)布控制命令，在發(fā)布控制命令之前中心對準(zhǔn)模塊將該控制命令與存儲的行程范圍相比較，當(dāng)控制命令在行程范圍內(nèi)時，中心對準(zhǔn)模塊分別向兩組第一電機(jī)1和第二電機(jī)6發(fā)布控制命令，并通過兩組第一電機(jī)1和第二電機(jī)6的運(yùn)動使管片螺栓的特征點(diǎn)同時位于第一攝像頭4和第二攝像頭4的中心位點(diǎn)上；當(dāng)控制命令存在超出行程范圍的情況時，中心對準(zhǔn)模塊中止發(fā)布該控制命令、并將控制命令超出行程范圍的信息傳送至計(jì)算機(jī)中的人工干預(yù)模塊，人工干預(yù)模塊以聲光警示的形式發(fā)出需要人工干預(yù)的通知；

當(dāng)特征點(diǎn)同時位于第一攝像頭4和第二攝像頭4的中心位點(diǎn)上時，中心對準(zhǔn)模塊用于向第一激光測距儀5和第二激光測距儀5發(fā)布測距命令，當(dāng)?shù)谝患す鉁y距儀5和第二激光測距儀5返回第一測距數(shù)據(jù)和第二測距數(shù)據(jù)時，中心對準(zhǔn)模塊將包括兩組第一電機(jī)1和第二電機(jī)6的運(yùn)行數(shù)據(jù)、第一測距數(shù)據(jù)和第二測距數(shù)據(jù)的對準(zhǔn)數(shù)據(jù)發(fā)送至位置計(jì)算模塊；位置計(jì)算模塊用于根據(jù)對準(zhǔn)數(shù)據(jù)計(jì)算得管片螺栓的位置，并向管片抓取機(jī)構(gòu)發(fā)布控制命令，管片抓取機(jī)構(gòu)抓取管片；位置計(jì)算模塊計(jì)算第一攝像頭4和第二攝像頭4相對于管片抓取機(jī)構(gòu)的位置的方法具體為：

以豎直方向?yàn)閦軸，第一電機(jī)1運(yùn)行時旋轉(zhuǎn)平臺3隨安裝座2繞z軸旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)矩陣為：

從連桿i到連桿i-1的坐標(biāo)變換矩陣為：

根據(jù)上式可求出：

變換矩陣t如下所示：

其中d1、d2、d3、a2和a3為旋轉(zhuǎn)平臺3的自身特征量，而θ1、θ2、θ3、θ4分別為兩組第一電機(jī)1、第二電機(jī)6的旋轉(zhuǎn)角度，利用變換矩陣t，在已知旋轉(zhuǎn)平臺3的特征參數(shù)和各電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度下，可以求出兩組旋轉(zhuǎn)平臺3上攝像頭4和激光測距儀5相對于管片抓取機(jī)構(gòu)的位置信息；管片螺栓位置的計(jì)算公式如下：

除了滿足上式，還滿足fsinθ1cosθ1+esinθ3cosθ3＝d，其中，f為第一激光測距儀5的測量數(shù)據(jù)，e為第二激光測距儀5的測量數(shù)據(jù)，d為兩旋轉(zhuǎn)平臺3的直線距離；

管片抓取機(jī)構(gòu)包括徑向油缸、軸向油缸和抓取頭。

對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可根據(jù)以上描述的技術(shù)方案以及構(gòu)思，做出其它各種相應(yīng)的改變以及形變，而所有的這些改變以及形變都應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。