基于機(jī)器視覺(jué)定位的自動(dòng)鶴管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王殿君，高林林，陳亞，王子龍，楊佳衡，白佳俊

(北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,北京102600)

0 前言

目前，我國(guó)油品裝車過(guò)程中的鶴管與罐口對(duì)接普遍由人工操作完成，即由工作人員手動(dòng)引導(dǎo)鶴管完成定位對(duì)接。這種方式工作效率低且定位精度無(wú)法保證，一定程度制約了企業(yè)的生產(chǎn)效率[1]。同時(shí)，該作業(yè)在易燃易爆、有毒有害的危險(xiǎn)環(huán)境下進(jìn)行，工作人員需要在棧橋與車體之間往返，工作強(qiáng)度大且存在巨大的安全隱患[2-4]。因此亟需一套自動(dòng)鶴管定位對(duì)接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)油品裝車作業(yè)的自動(dòng)化。

流體裝卸設(shè)備，雖然經(jīng)過(guò)近40年的快速發(fā)展，相關(guān)技術(shù)已達(dá)國(guó)際水平，但對(duì)自動(dòng)化鶴管的設(shè)計(jì)與研究相對(duì)較少。柴雙[5]針對(duì)大鶴管定量裝車設(shè)計(jì)了一種MACS控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鶴管與罐口的自動(dòng)對(duì)接，但驅(qū)動(dòng)方式為液壓驅(qū)動(dòng)，存在傳動(dòng)效率較低、對(duì)環(huán)境要求較高等缺點(diǎn)；顧亞雄等[6]設(shè)計(jì)一款基于多傳感器定位的大鶴管，雖然保證了定位精度但自動(dòng)鶴管的靈活性較低，在與罐口對(duì)接路徑存在障礙時(shí)無(wú)法保證精度。將機(jī)器視覺(jué)引入自動(dòng)鶴管和罐口的對(duì)接過(guò)程，可以在保證定位精度的同時(shí)根據(jù)機(jī)器視覺(jué)實(shí)時(shí)規(guī)劃對(duì)接路徑保證靈活性。近些年來(lái)機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域發(fā)展較快，將機(jī)器視覺(jué)運(yùn)用到不同的領(lǐng)域上也成為熱門的研究話題[7-8]。饒期捷等[9]將機(jī)器視覺(jué)與Baxter機(jī)器人抓取配合，解決了機(jī)器人結(jié)構(gòu)化示教抓取無(wú)法滿足實(shí)際抓取需求的問(wèn)題；劉志立等[10]為了實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的兩自由度機(jī)械臂控制，基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)設(shè)計(jì)了智能控制器。故而將視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用于鶴管與罐口的對(duì)接，是完成鶴管自動(dòng)化的良好方案[11-12]。

本文作者在現(xiàn)有鶴管的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種實(shí)現(xiàn)輸油過(guò)程自動(dòng)化的鶴管系統(tǒng)機(jī)械本體，并進(jìn)行了靜力學(xué)特性分析；基于自動(dòng)鶴管運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，進(jìn)行其工作空間分析及軌跡規(guī)劃；最后通過(guò)機(jī)器視覺(jué)識(shí)別定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)鶴管自動(dòng)對(duì)接。

1 自動(dòng)鶴管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)鶴管系統(tǒng)包括兩大部分：自動(dòng)化機(jī)械本體以及機(jī)器視覺(jué)識(shí)別定位控制系統(tǒng)。其中機(jī)械本體部分在AL1402頂部裝卸鶴管的基礎(chǔ)上改造而來(lái)，有4個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，由防爆伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，整體成懸臂結(jié)構(gòu)，內(nèi)臂設(shè)計(jì)為三角形支撐結(jié)構(gòu)，上部安裝雙列角接觸球軸承，擁有良好的運(yùn)動(dòng)控制精度，轉(zhuǎn)運(yùn)靈活，并且能夠在易燃易爆環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間使用，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)鶴管機(jī)械本體Fig.1 Automatic crane tubemachine body

彈簧缸作為自動(dòng)鶴管的核心部件之一，用于平衡鶴管外臂和垂管的質(zhì)量，使外臂在工作范圍內(nèi)任意位置上平衡。平衡系統(tǒng)能夠大幅減少驅(qū)動(dòng)外臂時(shí)所需要的力矩，提升鶴管的靈活性和可操作性。彈簧缸平衡系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 彈簧缸平衡系統(tǒng)Fig.2 Spring cylinder balancing system

外臂在不同姿態(tài)下的受力簡(jiǎn)圖如圖3所示，平衡方程為

(1)

其中：ABCD表示平衡裝置；H是刀形支架和平衡缸的連接板接口；A是中彎管和外臂的接口；C是彈簧缸調(diào)節(jié)口；D是彈簧缸和外臂的接口；G為外臂和垂管部分的重力之和；θ為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角；K為彈簧的剛度系數(shù)；x為彈簧的壓縮量；F1為鶴管工作時(shí)向上展開(kāi)對(duì)彈簧平衡缸的力；F為鶴管與罐口對(duì)接時(shí)對(duì)彈簧平衡缸的力；F2為鶴管工作時(shí)下垂對(duì)彈簧平衡缸的力。

圖3 外臂受力簡(jiǎn)圖

彈簧缸平衡裝置的平衡設(shè)計(jì)條件為α+θ=90°和x=c。將兩條件代入到受力平衡方程公式(1)中，得到：

(2)

根據(jù)該公式選用不同規(guī)格的彈簧，調(diào)整K值，合理分配AB、AC的值，保證鶴管整體結(jié)構(gòu)的合理性以及運(yùn)動(dòng)的靈活性[13]。

2 自動(dòng)鶴管靜力學(xué)分析

當(dāng)鶴管完全展開(kāi)時(shí)其承受的應(yīng)力最大，整體發(fā)生的形變也最大。同時(shí)，工作時(shí)需考慮液體介質(zhì)及重力對(duì)鶴管的影響。

自動(dòng)鶴管的輸送介質(zhì)為原油，其密度為0.81 t/m3，鶴管管徑為80 mm，計(jì)算得原油對(duì)自動(dòng)鶴管的近似作用力，將該作用力添加到管壁上分別得到自動(dòng)鶴管工作時(shí)的等效應(yīng)力圖、總變形圖和安全系數(shù)圖，如圖4—圖6所示。

圖4 自動(dòng)鶴管工作時(shí)的等效應(yīng)力

圖5 自動(dòng)鶴管工作時(shí)的總形變Fig.5 Total deformation of automatic crane tube in operation

圖6 自動(dòng)鶴管工作時(shí)的安全系數(shù)Fig.6 Safety factor of automatic crane tube in operation

自動(dòng)鶴管的材料為2205不銹鋼，屈服極限在500 MPa以上，安全系數(shù)取1.5，許用應(yīng)力為333.3 MPa。自動(dòng)鶴管在工作狀態(tài)時(shí)的最大應(yīng)力為298.15 MPa，小于材料的許用應(yīng)力333.33 MPa，滿足強(qiáng)度要求。總形變量為1.69 mm，最小安全系數(shù)為1.6大于安全系數(shù)1.5。因此，鶴管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合靜力學(xué)設(shè)計(jì)要求。

3 自動(dòng)鶴管運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

3.1 定位系統(tǒng)

根據(jù)自動(dòng)鶴管的實(shí)際使用需要，基于D-H法建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖7所示，其關(guān)節(jié)連桿參數(shù)如表1所示。

圖7 自動(dòng)鶴管連桿坐標(biāo)系布局

表1 自動(dòng)鶴管連桿參數(shù)Tab.1 Parameters of automatic crane tube connecting rod

其中：d1=850 mm,a1=1 300 mm,a3=1 500 mm。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型得到自動(dòng)鶴管垂管出口相對(duì)于鶴管原點(diǎn)的變換矩陣：

(3)

式中：Ci=cosθi,Sj=sinθj,Cij=cos(θi+θj),Sij=sin(θi+θj),i、j=1，2，3，4；x、y、z分別表示末端關(guān)節(jié)相對(duì)于鶴管原點(diǎn)的位置，表達(dá)式如下：

(4)

3.2 自動(dòng)鶴管的工作空間分析及軌跡規(guī)劃

根據(jù)自動(dòng)鶴管在和罐口對(duì)接過(guò)程中各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍，得到自動(dòng)鶴管關(guān)節(jié)參數(shù)，如表2所示。

表2 自動(dòng)鶴管關(guān)節(jié)參數(shù)Tab.2 Parameters of automatic crane tube joint

使用MATLAB繪制自動(dòng)鶴管的工作空間，確認(rèn)自動(dòng)鶴管的理論工作范圍，如圖8所示。

圖8 自動(dòng)鶴管工作空間Fig.8 Working space of automatic crane tube

在XYZ3個(gè)方向的工作范圍分別為：(-1 500 mm，2 850 mm)、(-2 850 mm，2 850 mm)、(-1 850 mm，150 mm)，符合自動(dòng)鶴管實(shí)際應(yīng)用的工作范圍，為自動(dòng)鶴管實(shí)際使用提供了理論參考。

自動(dòng)鶴管工作過(guò)程中需要垂管和罐口的精準(zhǔn)對(duì)接，但中間軌跡只需在工作范圍內(nèi)避開(kāi)障礙即可，對(duì)接過(guò)程為點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，因此選擇基于關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃。在自動(dòng)鶴管垂管和罐口對(duì)接過(guò)程中可能存在如欄桿、安全防護(hù)等障礙物，選擇采用關(guān)節(jié)空間下的帶中間點(diǎn)的五次多項(xiàng)式的軌跡規(guī)劃方法，以保證設(shè)備作業(yè)安全。各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖9所示，其末端運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10所示。

圖9 各關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)軌跡

圖10 末端運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.10 Terminal motion path

由各關(guān)節(jié)的空間運(yùn)動(dòng)軌跡和末端運(yùn)動(dòng)軌跡可以看出：鶴管的運(yùn)動(dòng)軌跡平滑穩(wěn)定，滿足鶴管工作穩(wěn)定性要求，同時(shí)也驗(yàn)證了自動(dòng)鶴管運(yùn)動(dòng)學(xué)建模的合理性。

4 基于機(jī)器視覺(jué)的定位實(shí)驗(yàn)

機(jī)器視覺(jué)識(shí)別定位控制系統(tǒng)采用基于圖像的單目視覺(jué)控制方案，使用基于Halcon的相機(jī)對(duì)罐口進(jìn)行識(shí)別和定位，采用的相機(jī)標(biāo)定方法是eye-to-hand，即相機(jī)位置固定，不隨機(jī)械手移動(dòng)。自動(dòng)鶴管罐口識(shí)別的主要流程如圖11所示，其核心步驟為圖像采集、圖像預(yù)處理、特征提取和圖像識(shí)別。

圖11 罐口識(shí)別定位流程Fig.11 Flow of opening identification and positioning

首先使用基于Halcon的相機(jī)對(duì)罐口進(jìn)行圖像采集；其次進(jìn)行消除相機(jī)鏡頭造成的圖像畸變的圖像校正；然后進(jìn)行圖像預(yù)處理，其作用是消除圖像中的無(wú)關(guān)信息；再次進(jìn)行圖像特征提取和罐口輪廓擬合，將罐口區(qū)域從分離的連通域中提取出來(lái)，采用輪廓擬合的方式獲取罐口位置信息；從次利用相機(jī)標(biāo)定進(jìn)行坐標(biāo)系變換；最后將罐口信息輸出。

在確定基于eye-to-hand相機(jī)固定方式和完成罐口識(shí)別定位的整體流程后，在工作平面上設(shè)置一個(gè)與自動(dòng)鶴管基礎(chǔ)坐標(biāo)不重合的坐標(biāo)系，如圖12所示。

圖12 Eye-to-hand九點(diǎn)標(biāo)定Fig.12 Eye-to-hand nine-point calibration

實(shí)驗(yàn)首先選定標(biāo)定板，9個(gè)點(diǎn)按照從上到下、從左到右的原則進(jìn)行排序，如圖13所示。將標(biāo)定板拍照，把圖像導(dǎo)入Halcon進(jìn)行圖像處理和特征選取，獲取9個(gè)點(diǎn)的像素坐標(biāo)并記錄，如圖14所示。

圖13 九點(diǎn)標(biāo)定圖像Fig.13 Nine-point calibration image

圖14 提取九點(diǎn)特征圖像Fig.14 Extract nine-point feature image

將自動(dòng)鶴管基坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在距離5號(hào)點(diǎn)水平位置X軸正方的-2 400 mm處，控制自動(dòng)鶴管末端工具分別走這9個(gè)點(diǎn)。

此時(shí)已經(jīng)得到標(biāo)定板9個(gè)點(diǎn)在自動(dòng)鶴管基礎(chǔ)坐標(biāo)系下的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)，完成此標(biāo)定方法至少需要知道3個(gè)點(diǎn)的位置信息，使用九點(diǎn)標(biāo)定的目的是盡可能得到像素坐標(biāo)和實(shí)際坐標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算公式如式(5)(6)所示。

(5)

其中:R為旋轉(zhuǎn)矩陣，M為平移矩陣。

(6)

其中：(X′,Y′)為實(shí)際坐標(biāo)；(x,y)為像素坐標(biāo)；a、b、c、a′、b′、c′是轉(zhuǎn)換矩陣對(duì)應(yīng)的6個(gè)參數(shù)。如式(7)(8)所示，為像素坐標(biāo)值和實(shí)際坐標(biāo)值的轉(zhuǎn)化關(guān)系式。

(7)

(8)

得到9個(gè)點(diǎn)的像素坐標(biāo)值和實(shí)際坐標(biāo)值，如表3所示。

表3 9個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)值Tab.3 Nine-point coordinate values

獲得9個(gè)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)值和像素坐標(biāo)值后，利用Halcon得到6個(gè)參數(shù)，如表4所示。

表4 九點(diǎn)標(biāo)定得到的6個(gè)參數(shù)Tab.4 Six parameters obtained by nine-point calibration

求出轉(zhuǎn)換矩陣的6個(gè)參數(shù)后，即可利用像素坐標(biāo)和實(shí)際坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣求出實(shí)際坐標(biāo)值。

使用九點(diǎn)標(biāo)定法來(lái)完成自動(dòng)鶴管和罐口的對(duì)接實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)鶴管和罐口對(duì)接的位置信息在像素坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系之間的變換。此時(shí)罐口中心相對(duì)于自動(dòng)鶴管基坐標(biāo)系為(2 400 mm，0)，對(duì)罐口進(jìn)行拍攝，獲得實(shí)際情況下的罐口圖像。如圖15所示。

圖15 實(shí)際罐口圖像Fig.15 Image of the actual opening

測(cè)得罐口中心坐標(biāo)為(2 407.69 mm，3.298 39 mm)它在X方向上的誤差為7.69 mm，Y方向上的誤差為3.298 mm。為了更準(zhǔn)確地確定其定位精度，再對(duì)罐口識(shí)別定位程序進(jìn)行3次測(cè)試，結(jié)果如表5所示。

表5 罐口識(shí)別定位程序結(jié)果 單位：mm

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到:罐口識(shí)別定位程序的定位結(jié)果在X、Y方向上的誤差都在8 mm以內(nèi)，滿足自動(dòng)鶴管的定位精度要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)一種具有平衡裝置的自動(dòng)鶴管系統(tǒng)，機(jī)械本體通過(guò)靜力學(xué)分析滿足強(qiáng)度、剛度需求；通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，工作范圍滿足實(shí)際工況需求。

(2)圖像仿真定位實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)擁有良好的視覺(jué)識(shí)別定位精度，滿足鶴管的定位對(duì)接要求。

(3)基于機(jī)器視覺(jué)定位的自動(dòng)鶴管系統(tǒng)為鶴管的油品裝車提供了成熟的方案，為自動(dòng)鶴管的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。