[发明专利]基于视觉定位的GIS管道自动对接装置及其工作方法

权利要求书

1.基于视觉定位的GIS管道自动对接装置，其特征在于：包括用于与起重机的吊臂（1）前端连接固定的装置安装架（2）、用于空间多自由度调整的对接机构（4）、用于使对接机构（4）保持竖直向下的平衡机构（3）、用于抓取对接管道（7）的夹取机构（5）、用于调整夹取机构（5）位姿的回转机构（9）、用于采集目标管道（8）与对接管道（7）的相对空间位姿的视觉定位装置（6）、用于实现系统控制的控制装置，所述的平衡机构（3）连接于装置安装架（2）的下面，所述的回转机构（9）连接于平衡机构（3）的下面，所述的对接机构（4）设于回转机构（9）的下面，所述的夹取机构（5）设于对接机构（4）的下面，视觉定位装置（6）用于设置在对接管道（7）上，其视觉感应方向为目标管道（8），所述的平衡机构（3）、对接机构（4）、夹取机构（5）、回转机构（9）、视觉定位装置（6）均连接到控制装置；

在控制装置的控制下，通过夹取机构（5）实现对对接管道（7）的夹取，通过平衡机构（3）实现竖向角度的精确姿态调整、通过回转机构（9）实现水平回转角度的精确姿态调整，通过对接机构（4）实现对夹取机构（5）的精确的局部位姿调整，并通过视觉定位装置（6）使对接管道（7）相对于目标管道（8）进行精确测量定位，实现对接管道（7）和目标管道（8）的精确对接；

在进行自动对接时，由视觉定位装置（6）负责获取解算目标管道（8）与对接管道（7）的空间姿态和位置，将目标值发送给控制装置，控制装置解算得到油缸的目标位移值，并控制吊臂（1）和自动对接装置的各油缸动作，将对接管道（7）精确移动对接到与目标管道（8）相距15-25mm位置，拆除视觉定位装置（6），由施工人员用螺栓连接对接管道（7）与目标管道（8）的相邻法兰；

在安装深度相机时，先固定对接管道（7）,保证对接管道（7）的其中一个法兰孔位于管道截面的正上方，该法兰孔作为标志定位孔，深度相机安装于标志定位孔侧，保证深度相机和标志定位孔平行，相机的中心和标志定位孔的对齐；

视觉定位装置（6）获取解算目标管道（8）与对接管道（7）的空间姿态和位置时，控制装置中的智能对齐视觉系统进行视觉识别测量步骤为：首先，深度相机对目标管道（8）进行拍摄，并把图像数据传递给智能对齐视觉系统；然后，智能对齐视觉系统通过对目标管道（8）图像进行边缘检测和深度识别，实现对目标管道的识别；最后，智能对齐视觉系统实现对目标管道（8）的管道平移距离、法兰孔姿态旋转的偏航角和俯仰角、法兰孔旋转角度进行测量识别；

智能对齐视觉系统需要识别的参数包括管道平移的距离、法兰孔姿态旋转的偏航角和俯仰角、法兰孔旋转的角度；

在识别管道平移的距离时，深度相机的摄像头中，目标管道（8）的位置中心点被识别，通过测量目标管道（8）中心点在摄像头视场中的偏移，从而获得目标管道（8）本身位置的偏差；目标管道（8）的位置的中心点的寻找通过对管道圆形面的识别，确定圆形的外接正方形的位置，通过计算从而获取圆形的位置；

识别法兰孔姿态旋转的偏航角、俯仰角时，通过对目标管道（8）截面水平方向上两个点相对于深度相机的摄像头的距离的测量，从而获得一个三角形，对该三角形求解，从而获取管道的偏航角；同理，通过对目标管道（8）截面垂直方向上两个点相对于摄像头的距离的测量，从而获得一个三角形，对该三角形求解，从而获得管道的俯仰角；

识别法兰孔旋转的角度时，通过深度相机对候选的待对齐的标志定位孔的在摄像头视场中偏离中心位置的距离，计算出管道的旋转角度。

2.根据权利要求1所述的基于视觉定位的GIS管道自动对接装置，其特征在于：所述的平衡机构（3）包括回转机构连接座（301）、设于回转机构连接座（301）上面的承重架（302）和设于承重架（302）上的平衡油缸（303），所述的承重架（302）的上端与装置安装架（2）之间转动连接，所述的平衡油缸（303）的伸出端和固定端分别转动地连接于承重架（302）和装置安装架（2）上，以驱动承重架（302）竖向围绕承重架（302）的上端旋转。