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專利名稱：密封放射源泄漏自動檢測平臺的視覺伺服裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及密封放射源泄漏檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種密封放射源泄漏自動檢測平臺的視覺伺服裝置。
背景技術(shù)：
在目前國內(nèi)放射源的各種典型應(yīng)用中，為了保證放射源的使用效果和檢測結(jié)果的可靠性，必須定期對密封放射源進(jìn)行檢測，以確認(rèn)其是否出現(xiàn)放射性物質(zhì)泄漏。目前，國內(nèi)對密封放射源進(jìn)行檢測的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是采用人工擦拭檢測方式。人工擦拭檢測方式的主要缺點(diǎn)是(1)人體可能直接暴露在放射源面前，遭受核輻射，對人體健康構(gòu)成了損害；(2)受人為因素影響大，具有許多不確定性，不能保證檢測結(jié)果的一致性和可靠性；(3)需要人工打開密封鉛罐罐蓋，操作繁瑣，勞動強(qiáng)度大。因此，研制開發(fā)密封放射源自動檢測平臺，對減少檢測過程中放射源對操作人員的健康危害，保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，提高我國的核技術(shù)應(yīng)用水平，具有重要意義。
在研制放射源自動檢測平臺時，需要將放射源工件從密封容器中取出，因而需要安裝機(jī)械手。由于放射源工件位置和姿態(tài)的不確定性，為指導(dǎo)機(jī)械手的運(yùn)動，需要給機(jī)械手安裝眼睛——視覺傳感器。這樣，我們將視覺伺服裝置引入自動檢測平臺。視覺伺服裝置由視覺傳感器向控制器提供外部信息，調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對于被操作對象的位置和姿態(tài)。根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，視覺伺服裝置可以被劃分為不同的類型。根據(jù)攝像機(jī)數(shù)目的不同可以分為單目及多目裝置。按照控制結(jié)構(gòu)是否分級，且視覺裝置提供的信息是作為機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器的設(shè)定值還是視覺控制器直接計(jì)算執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入值，可以分為“動態(tài)look-and-move”裝置和“直接視覺伺服”裝置。區(qū)分誤差信號是定義于三維空間坐標(biāo)系還是直接定義于圖像特征空間，可以分為“基于位置”和“基于圖像”的視覺伺服控制方式。

發(fā)明內(nèi)容
本裝置解決的問題是用自動化技術(shù)代替人工進(jìn)行放射源泄漏檢測時，用單目攝像頭觀測放射源工件的位置和姿態(tài)，將觀測結(jié)果傳送給機(jī)械手控制器以調(diào)節(jié)機(jī)械手的位置和姿態(tài)到達(dá)期望位姿，然后將放射源抓起取出進(jìn)行下一步操作或?qū)⒎派湓捶呕厝萜鳌?br> 本放射源檢測平臺視覺伺服裝置采用的技術(shù)方案是固定于地面的支撐框架上部安裝三自由度直角坐標(biāo)機(jī)械臂，機(jī)械臂的末端執(zhí)行器可以進(jìn)行X、Y、Z三個正交方向的運(yùn)動，并可以進(jìn)行自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；單目攝像頭固定在機(jī)械臂的末端執(zhí)行器上，攝像頭的光軸垂直地面向下，其視頻輸出信號接入工控計(jì)算機(jī)；支撐框架的底部安裝有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上運(yùn)行的移動小車將裝有放射源的密封容器帶入或帶出攝像頭的視野以配合不同的操作；當(dāng)攝像頭視野內(nèi)有目標(biāo)即放射源工件時，攝像頭采集到的圖像輸入工控計(jì)算機(jī)，使用特定的視覺算法獲得放射源相對于機(jī)械臂末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，控制器控制機(jī)械臂運(yùn)動使末端執(zhí)行器與放射源位姿一致，然后抓起放射源。為了從實(shí)時圖像中計(jì)算獲得工件的實(shí)際位置和姿態(tài)，開發(fā)了特定的位姿估計(jì)圖像處理算法。本視覺伺服裝置使用的是基于位置的動態(tài)look-and-move結(jié)構(gòu)。
本實(shí)用新型的有益效果是實(shí)現(xiàn)了放射源工件的定位和自動抓取，完成了放射源自動檢測平臺研制過程中的一項(xiàng)重要功能。
技術(shù)方案一種用于密封放射源泄漏自動檢測平臺的視覺伺服裝置，至少包括工控計(jì)算機(jī)(2)、攝像頭(3)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器和特定的位姿估計(jì)視覺算法；所述的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)由支架(401)、三自由度直角坐標(biāo)機(jī)械臂、末端執(zhí)行器(408)、移動導(dǎo)軌(404)和移動小車(402)組成；移動導(dǎo)軌(404)安裝在支架(401)的底部，移動小車(402)可以移動到不同位置配合不同操作，裝有放射源工件的密封容器(407)放置于可拆除支架(405)上，支架(405)的高度可調(diào)，其上的滑動卡榫B(406)可根據(jù)密封容器(407)的尺寸調(diào)節(jié)位置以固定容器(407)，當(dāng)支架(405)拆除時，可在小車(402)上放置體積更大的密封容器，滑動卡榫A(403)根據(jù)更大密封容器的尺寸調(diào)節(jié)位置以固定容器，三自由度直角坐標(biāo)機(jī)械臂安裝于支架(401)的上部，機(jī)械臂由三組線性模組組成，其中X方向運(yùn)動線性模組(414)固定于支架(401)上，Y方向運(yùn)動線性模組(410)固定于X方向運(yùn)動線性模組(414)的運(yùn)動子上，Z方向運(yùn)動線性模組(411)固定于Y方向運(yùn)動線性模組(410)的運(yùn)動子上，X、Y、Z三個運(yùn)動方向正交，步進(jìn)電機(jī)X(415)、步進(jìn)電機(jī)Y(413)、步進(jìn)電機(jī)Z(412)作為運(yùn)動驅(qū)動源分別安裝于三個線性模組的末端通過連軸器進(jìn)行連接，末端執(zhí)行器(408)通過延長板(409)與Z方向運(yùn)動線性模組(411)的運(yùn)動子連接，攝像頭(3)鏡頭朝下固定于末端執(zhí)行器(408)的基座(408a)上，而且光軸垂直于放射源工件的上平面。
組成機(jī)械臂的線性模組具有線性度良好的導(dǎo)軌(或絲杠)和運(yùn)動子，運(yùn)動子有唯一的平移自由度，線性運(yùn)動子的運(yùn)動步長已知且精度高于O.00125mm，以滿足運(yùn)動要求。
所述的末端執(zhí)行器(408)，通過其前端的螺柱與放射源工件上的螺孔相配合以抓起放射源；其中，帶導(dǎo)角的螺紋柱(408h)安裝于末端執(zhí)行器(408)的最前端，導(dǎo)角便利于進(jìn)行螺旋配合；步進(jìn)電機(jī)R(408d)作為驅(qū)動源通過連軸器(408e)連接前端螺紋柱(408h)，通過支撐圓盤(408b)和對稱分布的四條連接柱(408f)進(jìn)行連接和固定以組成轉(zhuǎn)動組件，轉(zhuǎn)動組件通過三根對稱分布的橡膠棒(408g)固定在基座(408a)上，橡膠棒(408g)的柔性便利進(jìn)行螺旋配合；末端執(zhí)行器(408)通過架板(408c)固定于延長板(409)上，延長板(409)可以根據(jù)需要改變長度；根據(jù)放射源種類的不同可以更換其他類型的末端執(zhí)行器。
在攝像頭抓取圖像時，攝像頭(3)的成像平面與放射源工件的上平面是平行的且距離固定，將三維視覺問題簡化為二維問題。
所使用的攝像頭(3)的焦距可調(diào)，拍攝的圖像以合適比例放大了放射源工件的上表面特征，既使得圖像特征更容易分辨，又不至于將噪聲放大太多，使得到的放射源工件位姿更加精確。
使用可編程邏輯控制器(PLC)控制機(jī)械臂等所有運(yùn)動模塊的運(yùn)動。
使用步進(jìn)電機(jī)作為所有運(yùn)動模塊的驅(qū)動源。


圖1是本裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是控制裝置方框圖；圖3是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的裝配結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是末端執(zhí)行器的裝配結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1.控制柜 2.工控計(jì)算機(jī) 3.攝像頭 4.執(zhí)行機(jī)構(gòu) 401.支架 402.移動小車 403.滑動卡榫A 404.移動導(dǎo)軌 405.可拆卸支架 406.滑動卡榫B407.密封容器 408.末端執(zhí)行器408a.基座 408b.支撐圓盤 408c.架板 408d.步進(jìn)電機(jī)R408e.連軸器 408f.連接柱 408g.橡膠棒 408h.螺紋柱409.延長板 410.Y向線性模組 411Z向線性模組 412.步進(jìn)電機(jī)Z413.步進(jìn)電機(jī)Y 414.X向線性模組 415.步進(jìn)電機(jī)X具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做詳細(xì)說明。
在圖1中，整個裝置至少由控制柜(1)、工控計(jì)算機(jī)(2)、攝像頭(3)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)組成。攝像頭(3)取得放射源工件的圖像并將圖像數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)(2)，計(jì)算機(jī)(2)中特定的位姿估計(jì)程序處理圖像獲得放射源工件的位姿信息估計(jì)，將之與期望位姿比較產(chǎn)生差值作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器的設(shè)定值輸入控制柜(1)中的控制器，控制器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)運(yùn)動使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的末端執(zhí)行器到達(dá)期望位姿。
圖2是視覺伺服控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖，如圖所示為負(fù)反饋閉合回路，控制器分為兩級。第一級為視覺控制器，工作于笛卡兒空間，末端執(zhí)行器應(yīng)該到達(dá)的位姿作為視覺控制器的設(shè)定值，通過位姿估計(jì)得到的估計(jì)值與設(shè)定值進(jìn)行比較，產(chǎn)生的差值作為視覺控制器的輸入值，通過視覺控制器的控制律產(chǎn)生輸出。第二級控制器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器，上一級控制器的輸出作為輸入，通過內(nèi)部的控制律產(chǎn)生輸出控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動。
圖3是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的裝配關(guān)系示意圖。支架(401)的底部裝有移動導(dǎo)軌(404)，移動小車(402)可以移動到不同位置配合不同操作。裝有放射源工件的密封容器(407)放置于可拆除支架(405)上，滑動卡榫B(406)用于固定密封容器(407)的位置當(dāng)支架(405)拆除時，可在小車(402)上放置體積更大的密封容器，滑動卡榫A(403)用于固定更大密封容器的位置。支架(401)的上部安裝有三自由度直角坐標(biāo)機(jī)械臂。機(jī)械臂由三組線性模組和末端執(zhí)行器(408)組成。其中X方向運(yùn)動線性模組(414)固定于支架(401)上實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂X方向的移動并承擔(dān)整個機(jī)械臂模塊的重量。Y方向運(yùn)動線性模組(410)和Z方向運(yùn)動線性模組(411)分別實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂Y方向和Z方向的運(yùn)動。X、Y、Z三個方向正交且各運(yùn)動之間是解耦的。步進(jìn)電機(jī)X(415)、Y(413)、Z(412)作為運(yùn)動驅(qū)動源。末端執(zhí)行器(408)通過延長板(409)與Z方向運(yùn)動線性模組(411)的運(yùn)動子連接，攝像頭(3)固定于末端執(zhí)行器(408)的基座(408a)上，鏡頭向下并使其光軸垂直于工作平面——放射源工件的上平面。三組線性模塊配合實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個正交方向的運(yùn)動使末端執(zhí)行器到達(dá)合適的位置以便抓取放射源。
如圖4所示是當(dāng)前末端執(zhí)行器(408)的裝配結(jié)構(gòu)示意圖，根據(jù)放射源種類的不同可以設(shè)計(jì)更換不同的末端執(zhí)行器。當(dāng)前末端執(zhí)行器(408)最前端是帶導(dǎo)角的螺紋柱(408h)，可以與放射源工件上的螺孔相配合以抓起放射源。步進(jìn)電機(jī)R(408d)作為驅(qū)動源通過連軸器(408e)與前端螺紋柱(408h)相連接，產(chǎn)生螺紋柱(408h)繞自身中軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。電機(jī)R(408d)、連軸器(408e)和螺紋柱(408h)組成的轉(zhuǎn)動組件通過三根對稱分布的橡膠棒(408g)固定在基座(408a)上，橡膠棒(408g)有一定的柔性，因而前端螺紋柱可以適應(yīng)放射源工件發(fā)生輕微傾斜時的螺紋配合。末端執(zhí)行器(408)通過架板(408c)固定于延長板(409)上，延長板(409)可以根據(jù)需要改變長度。
權(quán)利要求1.一種密封放射源泄漏自動檢測平臺的視覺伺服裝置，其特征是至少包括工控計(jì)算機(jī)(2)、攝像頭(3)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器；所述的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)由支架(401)、三自由度直角坐標(biāo)機(jī)械臂、末端執(zhí)行器(408)、移動導(dǎo)軌(404)和移動小車(402)組成；移動導(dǎo)軌(404)安裝在支架(401)的底部，移動小車(402)可以移動到不同位置配合不同操作，裝有放射源工件的密封容器(407)放置于可拆除支架(405)上，支架(405)的高度可調(diào)，其上的滑動卡榫B(406)可根據(jù)密封容器(407)的尺寸調(diào)節(jié)位置以固定容器(407)，當(dāng)支架(405)拆除時，可在小車(402)上放置體積更大的密封容器，滑動卡榫A(403)根據(jù)更大密封容器的尺寸調(diào)節(jié)位置以固定容器，三自由度直角坐標(biāo)機(jī)械臂安裝于支架(401)的上部，機(jī)械臂由三組線性模組組成，其中X方向運(yùn)動線性模組(414)固定于支架(401)上，Y方向運(yùn)動線性模組(410)固定于X方向運(yùn)動線性模組(414)的運(yùn)動子上，Z方向運(yùn)動線性模組(411)固定于Y方向運(yùn)動線性模組(410)的運(yùn)動子上，X、Y、Z三個運(yùn)動方向正交，步進(jìn)電機(jī)X(415)、步進(jìn)電機(jī)Y(413)、步進(jìn)電機(jī)Z(412)作為運(yùn)動驅(qū)動源分別安裝于三個線性模組的末端通過連軸器進(jìn)行連接，末端執(zhí)行器(408)通過延長板(409)與Z方向運(yùn)動線性模組(411)的運(yùn)動子連接，攝像頭(3)鏡頭朝下固定于末端執(zhí)行器(408)的基座(408a)上，而且光軸垂直于放射源工件的上平面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視覺伺服裝置，其特征是組成機(jī)械臂的線性模組包括導(dǎo)軌和運(yùn)動子或絲杠和運(yùn)動子，運(yùn)動子有唯一的平移自由度，線性運(yùn)動子的運(yùn)動步長已知且精度高于0.00125mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視覺伺服裝置，其特征是所述的末端執(zhí)行器(408)，其前端的螺柱與放射源工件上的螺孔相配合；其中，帶導(dǎo)角的螺紋柱(408h)安裝于末端執(zhí)行器(408)的最前端；步進(jìn)電機(jī)R(408d)作為驅(qū)動源通過連軸器(408e)連接前端螺紋柱(408h)，通過支撐圓盤(408b)和對稱分布的四條連接柱(408f)進(jìn)行連接和固定以組成轉(zhuǎn)動組件，轉(zhuǎn)動組件通過三根對稱分布的橡膠棒(408g)固定在基座(408a)上；末端執(zhí)行器(408)通過架板(408c)固定于延長板(409)上，延長板(409)根據(jù)需要改變長度；根據(jù)放射源種類的不同更換其他類型的末端執(zhí)行器(408)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視覺伺服裝置，其特征是攝像頭(3)的成像平面與放射源工件的上平面是平行的且距離固定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視覺伺服裝置，其特征是所使用的攝像頭(3)的焦距可調(diào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視覺伺服裝置，其特征是可編程邏輯控制器(PLC)的控制端與機(jī)械臂及所有運(yùn)動模塊控制端連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視覺伺服裝置，其特征是步進(jìn)電機(jī)作驅(qū)動源與所有運(yùn)動模塊連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及密封放射源泄漏檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種密封放射源泄漏自動檢測平臺的視覺伺服裝置，包括包括工控計(jì)算機(jī)(2)、攝像頭(3)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)。支架(401)、移動小車(402)、滑動卡榫A(403)、移動導(dǎo)軌(404)，支架(405)、滑動卡榫B(406)、密封容器(407)。本裝置解決的問題是用自動化技術(shù)代替人工進(jìn)行放射源泄漏檢測時，應(yīng)用于放射源工件的定位和自動抓取，減少檢測過程中放射源對操作人員的健康危害，保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。
文檔編號G01T1/00GK2869887SQ20052002304
公開日2007年2月14日 申請日期2005年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月23日
發(fā)明者原魁, 梅樹起, 王偉, 房立新 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所