[发明专利]一种具有智能诱导功能的扳手系统及测量方法和诱导方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有智能诱导功能的扳手系统及测量、诱导方法，属于制造业信息化交叉领域，尤其与扳手设计、快速维修、增强现实、人机交互和装配技术相关。

背景技术

扳手是机械设备拆卸和装配(以下简称拆装)中应用最多的工具之一，传统的扳手的功能仅停留在“在人或者动力机(如电机、液压等)的作用下向螺栓或螺母施加一定的力矩，完成零件的拆装功能”，不具有拆装诱导功能，即当操作者要操作某一螺栓时，扳手无法自动提示与之有关的拆装工艺(如旋转方向、对螺栓施加的转矩、对螺栓施加的转角等)，必须由操作者查询装配工艺手册确定拆装装配工艺，操作者边拆装边查询装配工艺手册，注意力需要在手册和设备之间频繁切换，易受周围环境影响，这不仅降低了拆装效率而且极易造成拆装差错。

另外在缺乏维修工艺的复杂机械设备中，往往会出现设备维修后难以恢复其维修前的性能，出现漏油、漏气和振动等问题，这主要是由维修中的装配连接工艺不能满足要求引起的，因此若一种扳手能够自动记录产品的拆卸工艺，并在装配中自动向操作者提示装配工艺，必将大大提高产品维修后的性能和维修效率。

综上可以看出，为提高产品的效率和维修的质量，迫切需要一种具备诱导功能的扳手系统，该扳手能够记录每一个螺栓螺母的拆卸工艺，装配中能智能识别操作者的拆装意图，并提示与之有关的装配连接工艺。

诱导信息的显示是实现具备拆装诱导功能的扳手的关键之一，传统的数码管、LED显示屏、仪表盘等不能满足诱导信息显示的需要，例如扳手在狭小封闭空间中操作时操作者无法观察当前的转矩值和转角值，扳手旋转时显示字体的方向也会发生变化等。增强现实技术为上述问题提供了良好的解决方法，增强现实技术是在虚拟现实技术的基础上发展起来的，它能够将计算机生成的虚拟信息通过注册技术准确叠加到真实环境上，使用户在增强现实显示设备上看到一个虚实融合的环境，具有虚实融合和交互的特点。增强现实显示设备可以像眼镜一样戴在操作者的眼睛上，结构小巧、可便携，因此在各种操作诱导中具有广泛的应用前景。

现有的基于增强现实的装配诱导研究中，文章“Evaluating the Benefits of Augmented Reality for Task Localization in Maintenance of an Armored Personnel Carrier Turret”中ARMAR系统使用戴在手腕上的便携式电子设备手动查询下一步操作及其相关的信息，并将其显示在增强现实设备上。文章“An augmented reality system for training and assistance to maintenance in the industrial context”中的STARMATE系统和“Demonstration of Assembly Work Using Augmented Reality”中的VTT系统通过识别语音命令从数据中查询下一步操作所需的信息。以上系统虽然实现了虚拟信息和真实场景的增强现实叠加，但尚未达到诱导的层次。使用中操作者需手动操作计算机设备或以语音识别的方式从数据库中搜索所需信息，因此是以计算机为中心的诱导系统，这样不仅不适用于噪杂的环境，而且分散了操作者的注意力，因此如何智能识别零件装配的开始和结束，实现诱导信息的智能输送，建立以操作者为中心的诱导系统需要进一步深入探索，本发明将使用扳手工具智能判断装配工艺的开始和结束，实现诱导信息的自动-智能输送。

增强现实注册是增强现实技术的关键，增强现实注册的目标是通过跟踪观察者头部CCD相对于世界坐标系的方位建立观察虚拟信息的虚拟视点的位置，从而将虚拟模型、虚拟信息准确地叠加在真实环境中，实现虚拟场景和真实场景位置的一致性。当前增强现实注册方法可以分为六类：机械跟踪法、电磁跟踪法、超声波跟踪法、GPS跟踪法、惯性方向跟踪法及光学跟踪法。其中电磁跟踪法和超声波跟踪法的成本低、精度高，但易受周围磁场、金属物体反射的影响。GPS位置跟踪法跟踪范围大，不需要专门的发射装置，但其精度较低，单个民用GPS的定位精度为十几米，差分GPS的精度也仅为20厘米左右。惯性方向跟踪法不需要外部发射装置，但只能跟踪方向和加速度，但积分运算得到的位置存在积分累计误差；光学跟踪法应用最为广泛，其优点是跟踪精度高，但跟踪范围小，易受遮挡、光线变化等影响，并且当物理环境中物体或标识改变位置时会引起较大的跟踪误差，甚至跟踪失败，不适合场景变化较大的动态环境。

发明内容