專利名稱：密封放射源泄漏自動檢測平臺的視覺伺服系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明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系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
在目前國內(nèi)放射源的各種典型應用中，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行檢測，以確認其是否出現(xiàn)放射性物質(zhì)泄漏。目前，國內(nèi)對密封放射源進行檢測的行業(yè)標準是采用人工擦拭檢測方式。人工擦拭檢測方式的主要缺點是(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)果的準確性和可靠性，提高我國的核技術(shù)應用水平，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，因而需要安裝機械手。由于放射源工件位置和姿態(tài)的不確定性，為指導機械手的運動，需要給機械手安裝眼睛——視覺傳感器。這樣，我們將視覺伺服系統(tǒng)引入自動檢測平臺。視覺伺服系統(tǒng)由視覺傳感器向控制器提供外部信息，調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)相對于被操作對象的位置和姿態(tài)。根據(jù)不同的標準，視覺伺服系統(tǒng)可以被劃分為不同的類型。根據(jù)攝像機數(shù)目的不同可以分為單目及多目系統(tǒng)。按照控制結(jié)構(gòu)是否分級，且視覺系統(tǒng)提供的信息是作為機器人執(zhí)行機構(gòu)控制器的設(shè)定值還是視覺控制器直接計算執(zhí)行機構(gòu)的輸入值，可以分為“動態(tài)look-and-move”系統(tǒng)和“直接視覺伺服”系統(tǒng)。區(qū)分誤差信號是定義于三維空間坐標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
本系統(tǒng)解決的問題是用自動化技術(shù)代替人工進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)果傳送給機械手控制器以調(diào)節(jié)機械手的位置和姿態(tài)到達期望位姿，然后將放射源抓起取出進行下一步操作或?qū)⒎派湓捶呕厝萜鳌?br> 本放射源檢測平臺視覺伺服系統(tǒng)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機械臂，機械臂的末端執(zhí)行器可以進行X、Y、Z三個正交方向的運動，并可以進行自身的旋轉(zhuǎn)運動；單目攝像頭固定在機械臂的末端執(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算機；支撐框架的底部安裝有導軌，導軌上運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；當攝像頭視野內(nèi)有目標即放射源工件時，攝像頭采集到的圖像輸入工控計算機，使用特定的視覺算法獲得放射源相對于機械臂末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，控制器控制機械臂運動使末端執(zhí)行器與放射源位姿一致，然后抓起放射源。為了從實時圖像中計算獲得工件的實際位置和姿態(tài)，開發(fā)了特定的位姿估計圖像處理算法。本視覺伺服系統(tǒng)使用的是基于位置的動態(tài)look-and-move結(jié)構(gòu)。
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系統(tǒng)，至少包括工控計算機(2)、攝像頭(3)、執(zhí)行機構(gòu)(4)、執(zhí)行機構(gòu)控制器和特定的位姿估計視覺算法；所述的執(zhí)行機構(gòu)(4)由支架(401)、三自由度直角坐標機械臂、末端執(zhí)行器(408)、移動導軌(404)和移動小車(402)組成；移動導軌(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，三自由度直角坐標機械臂安裝于支架(401)的上部，機械臂由三組線性模組組成，其中X方向運動線性模組(414)固定于支架(401)上，Y方向運動線性模組(410)固定于X方向運動線性模組(414)的運動子上，Z方向運動線性模組(411)固定于Y方向運動線性模組(410)的運動子上，X、Y、Z三個運動方向正交，步進電機X(415)、步進電機Y(413)、步進電機Z(412)作為運動驅(qū)動源分別安裝于三個線性模組的末端通過連軸器進行連接，末端執(zhí)行器(408)通過延長板(409)與Z方向運動線性模組(411)的運動子連接，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。
所述的視覺伺服系統(tǒng)，組成機械臂的線性模組具有線性度良好的導軌(或絲杠)和運動子，運動子有唯一的平移自由度，線性運動子的運動步長已知且精度高于0.00125mm，以滿足運動要求。
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，帶導角的螺紋柱(408h)安裝于末端執(zhí)行器(408)的最前端，導角便利于進行螺旋配合；步進電機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)控制機械臂等所有運動模塊的運動。
使用步進電機作為所有運動模塊的驅(qū)動源。
本發(fā)明的有益效果是實現(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重要功能。


圖1是本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是控制系統(tǒng)方框圖；圖3是執(zhí)行機構(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5是位姿估計圖像處理算法的流程圖。
圖中1.控制柜2.工控計算機3.攝像頭4.執(zhí)行機構(gòu)401.支架402.移動小車403.滑動卡榫A404.移動導軌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.步進電機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412.步進電機Z413.步進電機Y414.X向線性模組415.步進電機X具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細說明。
在圖1中，整個系統(tǒng)至少由控制柜(1)、工控計算機(2)、攝像頭(3)和執(zhí)行機構(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)傳入計算機(2)，計算機(2)中特定的位姿估計程序處理圖像獲得放射源工件的位姿信息估計，將之與期望位姿比較產(chǎn)生差值作為執(zhí)行機構(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)行機構(gòu)(4)運動使執(zhí)行機構(gòu)的末端執(zhí)行器到達期望位姿。
圖2是視覺伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖所示為負反饋閉合回路，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)行器應該到達的位姿作為視覺控制器的設(shè)定值，通過位姿估計得到的估計值與設(shè)定值進行比較，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)行機構(gòu)的運動。
圖3是執(zhí)行機構(gòu)的裝配關(guān)系示意圖。支架(401)的底部裝有移動導軌(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機械臂。機械臂由三組線性模組和末端執(zhí)行器(408)組成。其中X方向運動線性模組(414)固定于支架(401)上實現(xiàn)機械臂X方向的移動并承擔整個機械臂模塊的重量。Y方向運動線性模組(410)和Z方向運動線性模組(411)分別實現(xiàn)機械臂Y方向和Z方向的運動。X、Y、Z三個方向正交且各運動之間是解耦的。步進電機X(415)、Y(413)、Z(412)作為運動驅(qū)動源。末端執(zhí)行器(408)通過延長板(409)與Z方向運動線性模組(411)的運動子連接，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現(xiàn)X、Y、Z三個正交方向的運動使末端執(zhí)行器到達合適的位置以便抓取放射源。
如圖4所示是當前末端執(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)計更換不同的末端執(zhí)行器。當前末端執(zhí)行器(408)最前端是帶導角的螺紋柱(408h)，可以與放射源工件上的螺孔相配合以抓起放射源。步進電機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)運動。電機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。
圖5說明密封放射源泄漏自動檢測平臺的視覺伺服方法的位姿估計視覺方法，其步驟如下S1、彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像或者直接采集灰度圖像；S2、使用Canny邊緣算子(也可使用其他邊緣算子)處理灰度圖像得到邊緣圖像；S3、使用邊緣細化技術(shù)將邊緣細化為“八鄰域意義上的單像素連接邊緣”；S4、按照一定標準除去大量短且不規(guī)則的邊緣片斷，降低處理成本，這一過程稱為“去噪”；S5、建立放射源工件上表面幾何特征的模型，在細化后的邊緣圖像中提取直線和二次曲線等基本幾何特征并加以組合成為候選目標，將候選目標與幾何模型相匹配后，滿足相關(guān)性的匹配最好的候選目標作為放射源工件的估計值，計算工件的位置和姿態(tài)；S6、建立成像平面與放射源工件上表面間的單應性矩陣，將圖像空間坐標系中的位姿估計信息轉(zhuǎn)換為世界坐標系中的距離和角度；S7、將計算結(jié)果傳送給機械臂控制器。
權(quán)利要求
1.一種用于密封放射源泄漏自動檢測平臺的視覺伺服系統(tǒng)，其特征是至少包括工控計算機(2)、攝像頭(3)、執(zhí)行機構(gòu)(4)、執(zhí)行機構(gòu)控制器和特定的位姿估計視覺算法；所述的執(zhí)行機構(gòu)(4)由支架(401)、三自由度直角坐標機械臂、末端執(zhí)行器(408)、移動導軌(404)和移動小車(402)組成；移動導軌(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，三自由度直角坐標機械臂安裝于支架(401)的上部，機械臂由三組線性模組組成，其中X方向運動線性模組(414)固定于支架(401)上，Y方向運動線性模組(410)固定于X方向運動線性模組(414)的運動子上，Z方向運動線性模組(411)固定于Y方向運動線性模組(410)的運動子上，X、Y、Z三個運動方向正交，步進電機X(415)、步進電機Y(413)、步進電機Z(412)作為運動驅(qū)動源分別安裝于三個線性模組的末端通過連軸器進行連接，末端執(zhí)行器(408)通過延長板(409)與Z方向運動線性模組(411)的運動子連接，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所述的視覺伺服系統(tǒng)，其特征是組成機械臂的線性模組具有線性度良好的導軌和運動子，運動子有唯一的平移自由度，線性運動子的運動步長已知且精度高于0.00125mm，以滿足運動要求。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視覺伺服系統(tǒng)，其特征是所述的末端執(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，帶導角的螺紋柱(408h)安裝于末端執(zhí)行器(408)的最前端，導角便利于進行螺旋配合；步進電機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。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視覺伺服系統(tǒng)，其特征是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。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視覺伺服系統(tǒng)，其特征是所使用的攝像頭(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。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視覺伺服系統(tǒng)，其特征是使用可編程邏輯控制器(PLC)控制機械臂等所有運動模塊的運動。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視覺伺服系統(tǒng)，其特征是使用步進電機作為所有運動模塊的驅(qū)動源。
8.一種密封放射源泄漏自動檢測平臺的視覺伺服方法，處理圖像時，采取了下述步驟S1、彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像或者直接采集灰度圖像；S2、使用Canny邊緣算子處理灰度圖像得到邊緣圖像；S3、使用邊緣細化技術(shù)將邊緣細化為“八鄰域意義上的單像素連接邊緣”；S4、按照一定標準除去大量短且不規(guī)則的邊緣片斷，降低處理成本，這一過程稱為“去噪”；S5、建立放射源工件上表面幾何特征的模型，在細化后的邊緣圖像中提取直線和二次曲線基本幾何特征并加以組合成為候選目標，將候選目標與幾何模型相匹配后，滿足相關(guān)性的匹配最好的候選目標作為放射源工件的估計值，計算工件的位置和姿態(tài)；S6、建立成像平面與放射源工件上表面間的單應性矩陣，將圖像空間坐標系中的位姿估計信息轉(zhuǎn)換為世界坐標系中的距離和角度；S7、將計算結(jié)果傳送給機械臂控制器。
全文摘要
本發(fā)明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系統(tǒng)及方法。系統(tǒng)包括包括工控計算機(2)、攝像頭(3)、執(zhí)行機構(gòu)(4)、執(zhí)行機構(gòu)控制器和特定的位姿估計視覺算法。方法包括S1、彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像或者直接采集灰度圖像；S2、使用Canny邊緣算子處理灰度圖像得到邊緣圖像；S3、使用邊緣細化技術(shù)將邊緣細化為“八鄰域意義上的單像素連接邊緣”；S4、“去噪”處理；S5、建立放射源工件上表面幾何特征的模型；S6、建立成像平面與放射源工件上表面間的單應性矩陣；S7、將計算結(jié)果傳送給機械臂控制 器。
文檔編號G01T1/00GK1885064SQ20051001198
公開日2006年12月27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:中國科學院自動化研究所