本發明屬于測量裝置技術領域，具體提供一種狹小空間裝配系統及裝配方法。

背景技術：

在現代化生產中，工件間的裝配是必不可少的生產環節。目前大多數裝配，例如精密設備或精密零件的裝配，在裝配空間足夠的情況下，可以采用傳統的位姿測量裝置輔助自動化裝配機器人的方式進行裝配作業。在這種裝配方式中，位姿測量裝置首先對待裝配件與目標裝配件的位姿進行測量，然后將測量結果傳輸給執行機構(即自動化裝配機器人)，執行機構進行精密的裝配作業，保證裝配精度。

然而，在某些狹窄空間環境下的裝配工作，尤其是在狹窄空間進行精密裝配工作時，由于傳統的位姿測量裝置體積過大，沒有足夠的空間進行固定，所以仍然采用人工對接的方法進行。在此種情況下，工人們將待裝配件固定在支架上，用吊車或機械臂將其吊起，通過人工目測的方式調節待裝配件的位置和角度，并逐步靠近目標裝配件，完成最終裝配。此種方法在實施過程中不僅需要多人配合安裝，并且在裝配過程中依靠人眼進行反饋，配合精度無法保證，而且整個裝配過程進行緩慢，效率低下。

相應地，本領域需要一種新的適用于狹小空間的裝配系統及裝配方法來解決上述問題。

技術實現要素：

為了解決現有技術中的上述問題，即為了解決狹窄空間下采用人工裝配，裝配精度差、效率低的問題，本發明提供了一種狹小空間裝配系統，用于將待裝配件匹配安裝至對接件，該系統包括采集部，其用于采集所述待裝配件的第一位姿信息以及所述對接件的第二位姿信息；數據處理單元，其用于基于所述第一位姿信息和第二位姿信息，計算出所述待裝配件與所述對接件之間的結果位姿信息；執行機構，其用于基于所述結果位姿信息，將所述待裝配件安裝至所述對接件。

在上述狹小空間裝配系統的優選技術方案中，所述采集部包括殼體以及設置于所述殼體內的第一采集單元與第二采集單元，其中，所述第一采集單元用于采集所述待裝配件的第一位姿信息；其中，所述第二采集單元用于采集所述對接件的第二位姿信息。

在上述狹小空間裝配系統的優選技術方案中，所述殼體上設置有安裝結構，所述安裝結構能夠使所述采集部處于與所述待裝配件的位置相對固定的狀態。

在上述狹小空間裝配系統的優選技術方案中，所述待裝配件上具有第一裝配特征，所述對接件上設置有與所述第一裝配特征對應的第二裝配特征。

在上述狹小空間裝配系統的優選技術方案中，所述采集部通過所述安裝結構固定于所述第一裝配特征。

在上述狹小空間裝配系統的優選技術方案中，所述第一采集單元為慣性陀螺儀，所述第一位姿信息中至少包含角度信息。

在上述狹小空間裝配系統的優選技術方案中，所述第二采集單元為雙目相機，所述第二位姿信息中至少包含所述第二裝配特征的圖像信息。

在上述狹小空間裝配系統的優選技術方案中，所述殼體包括第一殼體和第二殼體，所述慣性陀螺儀和所述雙目相機設置于所述第一殼體和所述第二殼體形成的腔體中，并且所述第一殼體上開設有鏡頭孔，在連接好的狀態下，所述雙目相機的鏡頭能夠容納于所述鏡頭孔中。

本發明還提供了一種狹小空間裝配方法，用于將待裝配件匹配安裝至對接件，所述狹小空間裝配方法包括：

采集所述待裝配件的第一位姿信息以及所述對接件的第二位姿信息；

基于所述第一位姿信息和第二位姿信息，計算出所述待裝配件與所述對接件之間的結果位姿信息；

基于所述結果位姿信息，將所述待裝配件安裝至所述對接件。

在上述狹小空間裝配方法的優選技術方案中，所述的“采集所述待裝配件的第一位姿信息以及所述對接件的第二位姿信息”進一步包括：

在所述采集部由零點位置移動至所述待裝配件的過程中，采集部的慣性陀螺儀采集至少包含所述待裝配件的第一裝配特征的所述角度信息；

在所述采集部與所述待裝配件連接好的狀態下，采集部的雙目相機采集至少包含所述對接件的第二裝配特征的圖像信息。

本領域技術人員能夠理解的是，在本發明的優選技術方案中，狹小空間裝配系統主要包括采集部、數據處理單元以及執行機構。其中，采集部包括殼體以及設置于殼體內的慣性陀螺儀與雙目相機，其中慣性陀螺儀可采集待裝配件的第一位姿信息，雙目相機可采集對接件的第二位姿信息。此外，狹小空間裝配方法，通過采集部采集待裝配件的第一位姿信息和對接件的第二位姿信息，并計算出結果位姿信息的方式，可以輔助執行機構快速準確的將待裝配件匹配安裝至對接件。通過狹小空間裝配系統及裝配方法，不僅可以大幅提高狹窄空間裝配的裝配效率和裝配精度，而且采集部結構小巧，使用簡單，穩定性高。

附圖說明

圖1是本發明的狹小空間裝配系統的裝配過程示意圖；

圖2是本發明的狹小空間裝配系統的采集部的結構示意圖；

圖3是本發明的狹小空間裝配方法的流程示意圖。

具體實施方式

下面參照附圖來描述本發明的優選實施方式。本領域技術人員應當理解的是，這些實施方式僅僅用于解釋本發明的技術原理，并非旨在限制本發明的保護范圍。例如，雖然附圖中的安裝結構以可拆卸的方式與第二殼體連接，但是這種連接方式非一成不變，本領域技術人員可以根據需要對其作出調整，以便適應具體的應用場合。

需要說明的是，在本發明的描述中，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內”、“外”等指示的方向或位置關系的術語是基于附圖所示的方向或位置關系，這僅僅是為了便于描述，而不是指示或暗示所述裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

此外，還需要說明的是，在本發明的描述中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域技術人員而言，可根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

本發明的主要目的在于，克服在狹窄空間下的人工裝配方式存在的裝配精度差、裝配效率低等問題。

如圖1所示，為解決上述問題，本發明在一種可能的實施方式中，提供了一種狹小空間裝配系統。該系統主要包括采集部1、數據處理單元以及執行機構2，該系統可以通過數據處理單元對采集部1獲得的信息進行分析和處理，執行機構2基于分析和處理的結果即可將待裝配件3匹配安裝至對接件4。其中，采集部1主要用于采集待裝配件3的第一位姿信息以及對接件4的第二位姿信息；數據處理單元主要用于基于第一位姿信息和第二位姿信息，計算出待裝配件3與對接件4之間的結果位姿信息；執行機構2則主要用于基于結果位姿信息，如數據處理單元根據結果位姿信息向執行機構2發送相應的指令，將待裝配件3安裝至對接件4。

如圖2所示，采集部1主要包括殼體以及設置于殼體內部的第一采集單元與第二采集單元。其中，第一采集單元主要用于采集待裝配件3的第一位姿信息，第二采集單元主要用于采集對接件4的第二位姿信息。優選地，殼體可以包括第一殼體11和第二殼體12，第一采集單元與第二采集單元均設置于第二殼體12，并且在連接好的狀態下，第一采集單元與第二采集單元分別與第二殼體12無相對運動。優選地，第一采集單元為慣性陀螺儀13，第二采集單元為雙目相機14。優選地，慣性陀螺儀13可以是能夠測量三個方向上的角度、角速度以及加速度變化的三維定位陀螺儀，即含有陀螺儀與加速度計。其中，陀螺儀可以采集角度和角速度等參數，加速度計可以采集加速度等參數。雙目相機14可以由兩個同型號的CCD相機模組構成。本領域技術人員可以想到的是，慣性陀螺儀13與雙目相機14的型號并非一成不變，也可以采用其他型號或形式的陀螺儀與視覺相機，只要該陀螺儀與視覺相機能夠準確獲得待裝配件3和對接件4的位姿信息即可。

繼續參照圖1，待裝配件3上設置有第一裝配特征31(如輪廓大致為矩形的凸起)；對接件4上設置有可以與第一裝配特征31配合連接的第二裝配特征41(如與前述的凸起對應的凹槽)，待裝配件3與對接件4可以通過第一裝配特征31與第二裝配特征41的配合連接(如插合連接)實現裝配。在上述情況下采集位姿信息時，慣性陀螺儀13主要用于獲取采集部1移動至第一裝配特征31的過程中的加速度或角速度等參數，雙目相機14則主要用于獲取含有第二裝配特征41的特征點的圖像信息。需要說明的是，特征點是雙目相機14從獲取的圖像中提取出來的若干個特殊點，如特征點可以是裝配特征的外緣交點，舉例而言，特征點可以是第一裝配特征31的矩形凸起的各邊所形成的交點，也可以是第二裝配特征41的矩形凹槽的槽底各邊所形成的交點等。優選地，在本實施方式中，特征點的個數為四個，即矩形凸起的各邊或矩形凹槽的槽底各邊所形成的四個交點。當然，特征點的個數可以隨裝配特征的形狀的改變而變化，如當第一裝配特征31為截面為三角形的凸起時，特征點的個數可以為三個。

需要說明的是，在本優選的實施方式中，第一位姿信息可以是慣性陀螺儀13采集的加速度或角速度等參數，第二位姿信息可以是雙目相機14所拍攝的至少包含對接件4的第二裝配特征41的圖像信息等。結果位姿信息可以是基于對上述第一位姿信息和第二位姿信息進行分析處理后得到的待裝配件3的任一點和對接件4對應的點在同一個坐標系的坐標信息等。如可以是特征點，也可以是裝配特征上的任一點等。

繼續參照圖2，第一殼體11上設置有鏡頭孔111，并且在連接好的狀態下，雙目相機14的鏡頭能夠容納于該鏡頭孔111中。此外，在第二殼體12外側還開設有與第一裝配特征31對應的安裝結構121，該安裝結構121可以通過與第一裝配特征31緊密連接的方式，使采集部1與待裝配件3之間處于位置相對固定的狀態。優選地，安裝結構121可以為與第二殼體12以可拆卸方式連接的、并且與第一裝配特征31(如前所述的矩形凸起)形狀對應的結構(如矩形結構)，該結構可以通過與第一裝配特征31緊密插合的方式將采集部1與待裝配件3相對固定(如矩形接口與矩形凸起的套接)。當然，本領域技術人員可以想到的是，安裝結構121也可以設置為其他形式，只要該形式可以使采集部1與待裝配件3的位置相對固定即可。

此外，采集部1還可以包括電源(圖中未標出)和連接線(圖中未標出)。其中，電源可以用來給采集部1供電，連接線可以用來將慣性陀螺儀13采集的第一位姿信息與雙目相機14采集的第二位姿信息及時地輸入數據處理單元。

如前所述，本發明的狹小空間裝配系統主要包括采集部1、數據處理單元以及執行機構2。其中，采集部1主要包括第一殼體11與第二殼體12，在第二殼體12上設置有慣性陀螺儀13與雙目相機14，慣性陀螺儀13與雙目相機14各自相對于第二殼體12無相對運動，保證了采集部1在使用時的穩定性。第二殼體12上還設置有安裝結構121，在安裝結構121與待裝配件3上的第一裝配特征31緊密連接后，慣性陀螺儀13可以采集第一裝配特征31的第一位姿信息，雙目相機14可以采集第二裝配特征41的第二位姿信息。此外，由于采集部1的結構巧妙、集成度較高，因此采集部1的整體外形小巧輕便，便于攜帶，便于狹小空間的操作。并且，可以根基實際的應用場景，靈活地設置采集部1的安裝結構121，從而提高了采集部1相對待安裝件3的適用性。

如圖3所示，本發明還提供了一種狹小空間裝配系統的裝配方法，主要是基于前述的慣性陀螺儀13和雙目相機14，通過執行機構2完成待裝配件3與對接件4的裝配過程。該方法主要包括以下步驟：

S100、將采集部1置于設定的零點位置21，并對采集部1的慣性陀螺儀13和雙目相機14進行初始化。如零點位置21為執行機構2的設定點，初始化可以包括對慣性陀螺儀13和雙目相機14進行數據的清零等操作。

S200、在采集部1從零點位置21移動至待裝配件3的過程中，慣性陀螺儀13采集待裝配件3的第一位姿信息。之后，在采集部1與待裝配件3的位置相對固定的情形下，通過雙目相機14直接獲取對接件4的第二位姿信息。

S300、基于該第一位姿信息和第二位姿信息，數據處理單元計算待裝配件3與對接件4之間的結果位姿信息。如在同一基準的基礎上，計算出待裝配件3與對接件4之間的位置關系。

S400、基于該結果位姿信息，將待裝配件3安裝至對接件4。也就是說，在待裝配件3與對接件4之間的位置關系可以確定的情形下，數據處理單元通過向執行機構2發送相應的指令，進而使待裝配件3的第一裝配特征31可靠地匹配至對接件4的第二裝配特征41。

需要說明的是，在本優選的實施方式中，為方便說明，可以定義如下坐標系：

基于慣性陀螺儀13的坐標系為慣性坐標系H_P，按照設定的方向，依次定義慣性坐標系H_P的坐標軸為X_H軸、Y_H軸、Z_H軸。基于雙目相機14的坐標系為相機坐標系C_P，按照設定的方向，依次定義相機坐標系C_P的坐標軸依次為X_C軸、Y_C軸、Z_C軸。基于對接件4的坐標系為對接坐標系E_P，按照設定的方向，依次定義對接坐標系E_P的坐標軸依次為X_E軸、Y_E軸、Z_E軸。基于執行機構2的坐標系為世界坐標系W_P，按照設定的方向，依次定義世界坐標系W_P的坐標軸依次為X_W軸、Y_W軸、Z_W軸。

需要說明的是，相對位姿關系可以是空間中任一點在此空間的坐標系的位置與此點另一個空間坐標系的位置的轉換關系，如空間中任一點N在世界坐標系W_P中的坐標為：N_W＝(x_W,y_W,z_W)^T，而點N在慣性坐標系H_P的坐標為：N_H＝(x_H,y_H,z_H)^T，那么點N在慣性坐標系H_P和世界坐標系W_P中所處的坐標變換可以表示為公式(1)。

在公式(1)中，[R t]為世界坐標系W_P到慣性坐標系H_P的變換矩陣，即相對位姿關系。R為旋轉矩陣，表示N_W＝(x_W,y_W,z_W)^T在歐式空間的姿態變換，為3×3正交矩陣。t為一個三維向量，表示N_W＝(x_W,y_W,z_W)^T在歐式空間內沿(X_W軸、Y_W軸、Z_W軸)的平移量，稱為平移向量。

為了實現相機坐標系C_P和慣性坐標系H_P以及慣性坐標系H_P和世界坐標系W_P之間的對接，在步驟S100之前，需要對雙目相機14中的鏡頭以及雙目相機14和慣性陀螺儀13之間的相對位姿關系進行標定。

其中，雙目相機14的標定方法可以為：采用標定板，如圓形標定板對雙目相機14進行標定，標定板上有若干個大小一致的圓點，開啟雙目相機14，采集若干對靶標圖像，如利用張氏標定法進行標定，得到雙目相機14的內參數和外參數。如雙目相機14的內參數主要包括焦距f、尺度因子(S_x,S_y)、圖像的中心點坐標(u₀,v₀)以及畸變參數K等，而雙目相機14的外參數則主要包括旋轉矩陣R₁和平移向量t₁組成的變換矩陣[R₁ t₁]。

其中，雙目相機14和慣性陀螺儀13之間的相對位姿關系的標定方法可以為：采用LOBO兩步法分別標定旋轉矩陣和平移向量。如可以是，將標定板垂直放置(與重力加速度方向一致)，運行雙目相機14獲取垂直方向向量，同時慣性陀螺儀13測量靜止狀態下的重力加速度方向，進而計算出兩者之間的相對姿態關系R₂。然后將采集部1固定在旋轉平臺上，使旋轉平臺中心與慣性陀螺儀13中心重合，根據手眼標定算法(如馬頌德手眼標定的基本方程)，得到雙目相機14與慣性陀螺儀13之間的相對位置關系，即相機坐標系C_P與慣性坐標系H_P的相對位姿關系[R₂ t₂]。

如圖1和圖3所示，在對雙目相機14以及雙目相機14和慣性陀螺儀13之間的相對位姿關系進行標定后，在步驟S100中，將采集部1置于執行機構2的零點位置21，對采集部1執行初始化。初始化完畢后，默認慣性陀螺儀13與執行機構2的零點位置21在世界坐標系中的位置一致，均為(x_W0,y_W0,z_W0)^T。

步驟S200進一步可包括為如下步驟：

S210、采集待裝配件3的第一裝配特征31的第一位姿信息。

啟動采集部1，開始采集數據，移動采集部1使安裝結構121與待裝配件3的第一裝配特征31(如前面所述的矩形凸起)緊密連接。此過程中慣性陀螺儀13實時記錄待裝配件3的第一位姿信息并將采集到的第一位姿信息輸出給數據處理單元。如慣性陀螺儀13獲取采集部1在慣性坐標系H_P下，從零點位置21開始移動到緊密連接至第一裝配特征31的過程中的加速度和角速度等參數，并實時傳輸給數據處理單元。優選地，移動方式可以為人工移動，當然也可以借助于其他方式實現采集部1的移動。需要說明的是，數據處理單元可以是任何可以基于位姿信息計算出結果位姿信息的處理設備，如上位機或者計算機等。

S220、采集對接件4的第二裝配特征41的第二位姿信息。

在采集部1與第一裝配特征31實現緊密連接(即相對位置不會發生改變)之后，雙目相機14開始采集對接件4上的第二裝配特征41(如前面所述的與矩形凸起對應的矩形凹槽)的第二位姿信息并將采集到的第二位姿信息實時傳輸給數據處理單元。如雙目相機14對第二裝配特征41進行拍照，并將拍照獲得的圖像數據輸出至數據處理單元，對圖像數據進行特征點提取等處理。

步驟S300進一步可包括如下步驟：

S310、基于第一位姿信息，計算慣性坐標系H_P與世界坐標系W_P的相對位姿關系[R₃t₃]。

在一種可能的實施方式中，計算慣性坐標系H_P與世界坐標系W_P的相對位姿關系的方法可以如下：將慣性陀螺儀13輸出的第一位姿信息，即采集部1從零點位置21移動至待裝配件3的過程中的加速度和角速度參數，經過卡爾曼濾波、誤差處理和積分等步驟后獲得[R₃ t₃]。

S320、基于第二位姿信息，計算相機坐標系C_P與對接坐標系E_P的相對位姿關系[R₄t₄]。

計算相機坐標系C_P與對接坐標系E_P的相對位姿關系可以包括如下步驟：

首先對雙目相機14輸出的對接件4的第二位姿信息，即對含有第二裝配特征41的圖像信息進行濾波、直方圖均衡化等預處理，得到清晰的圖像后，然后采用亞像素閾值分割方法確定待匹配物體所在區域，經特征提取、霍夫直線檢測后確定出最優的四條直線，并將四條直線間的四個交點作為特征點。(X_A,Y_A)，(X_B,Y_B)可以分別為某一特征點P在左右兩幅圖像中對應的像素點坐標，再根據上述已獲得的雙目相機14的內、外參數，采用最小二乘法，即公式(2)計算出該特征點P在相機坐標系C_P下的坐標(X_C,Y_C,Z_C)，由于該特征點P在對接坐標系E_P中的坐標已知(如在建立對接坐標系E_P時設定的坐標等)，因此可以采用PNP算法，計算相機坐標系C_P與對接坐標系E_P之間的相對位姿關系[R₄t₄]。

在公式(2)中，(S_x,S_y)為尺度因子，(u₀,v₀)為雙目相機14的圖像中心點坐標，[R₁t₁]為雙目相機14的外參數。

S330、基于待裝配件3與對接件4之間的相對位姿關系，計算結果位姿信息。

需要說明的是，在本發明的實施方式中，結果位姿信息可以是基于上述各個坐標系之間的相對位姿關系，計算得出的第一裝配特征31的特征點與第二裝配特征41對應的特征點在世界坐標系W_P下的坐標。當然結果位姿信息也可以為裝配特征上任意點的坐標，如第一裝配特征31的中心點與第二裝配特征41的中心點在世界坐標系W_P下的坐標。其中，中心點可以是四個特征點對角線的交點。

在數據處理單元計算出上述各參數之后，根據所得的相對位姿關系，計算第一裝配特征31與第二裝配特征41在世界坐標系下的坐標。如在結果位姿信息是上述中心點在世界坐標系W_P下的坐標時，假設第一裝配特征31的中心點在世界坐標系W_P下的坐標為(X_W,Y_W,Z_W)^T，第二裝配特征41的中心點在世界坐標系W_P下的坐標為(X'_W,Y'_W,Z'_W)^T，則可以按照公式(3)和公式(4)分別計算出上述兩點在同樣的世界坐標系W_P下的坐標值。

步驟S400進一步可包括如下步驟：

S410、判斷結果位姿信息的準確性。

如可以通過計算雙目相機14采集的圖像中，第二裝配特征31的特征點之間的距離，也就是第二裝配特征41每條邊的邊長a，與每條邊的標準邊長a'進行比較，判斷結果位姿信息的準確性。需要說明的是，標準邊長a'可以為本方法開始前通過人工測量或設定等方式得出并錄入到數據處理單元中的實際長度值。

1)若|a-a'|≤α，則輸出結果位姿信息至執行機構2。其中α為設定的長度閾值。

2)否則，返回步驟S100，重新測量。

S420、執行機構2將待裝配件3安裝至對接件4.

數據處理單元將準確的結果位姿信息，也就是第一裝配特征31和第二裝配特征41在世界坐標系W_P下的坐標輸出至執行機構2，執行機構2可以根據該坐標完成最終裝配。如執行機構2根據第一裝配特征31的坐標信息，移動末端執行器(如機械臂)與待裝配件3連接，連接好后，末端執行器移動至對接件4處，根據第二裝配特征41的坐標，使第一裝配特征31與第二裝配特征41配合連接(如矩形凸起與矩形凹槽的插合連接)，從而實現待裝配件3與對接件4的裝配。

上述優選的實施方式，狹小空間裝配系統主要包括采集部1、數據處理單元以及執行機構2。其中，采集部1包括第一殼體11、第二殼體12以及設置于第二殼體12內的慣性陀螺儀13與雙目相機14，其中慣性陀螺儀13可采集待裝配件3的第一位姿信息，雙目相機14可采集對接件4的第二位姿信息。此外，利用此狹小空間裝配系統的狹小空間裝配方法，通過采集部1采集待裝配件3的第一位姿信息和對接件4的第二位姿信息，并計算出它們在同一世界坐標系W_P下的坐標的方式，可以輔助執行機構2快速準確的完成待裝配件3和對接件4的裝配。通過狹小空間裝配系統及方法，不僅可以大幅提高狹窄空間裝配的裝配效率和裝配精度，而且采集部1結構小巧，使用簡單，穩定性高。進一步地，安裝結構121以可更換的方式設置，適用性更廣。

至此，已經結合附圖所示的優選實施方式描述了本發明的技術方案，但是，本領域技術人員容易理解的是，本發明的保護范圍顯然不局限于這些具體實施方式。在不偏離本發明的原理的前提下，本領域技術人員可以對相關技術特征作出等同的更改或替換，這些更改或替換之后的技術方案都將落入本發明的保護范圍之內。