基于機器視覺設計工程機械屬具的快速連接器研究

課題項目：湖南省教育科學研究工作者協會高等教育重點課題（XJKX22A052）

0 引言

工程機械的屬具可拓展其作業用途和使用性能，廣泛應用于工程機械和應急裝備等領域[1]。通過更換破碎錘、液壓剪、抓斗、鏟斗以及夾持器等屬具，可使工程機械實現“一機多用”[2-3]。連接器作為連接主機與屬具的關鍵產品，其性能與作業質量、作業效率、作業范圍密切相關。傳統的工程機械屬具的連接器存在功能單一、人工更換效率低甚至無法現場更換等問題。

工程機械通過快速更換多種作業屬具，可在火災、地震、房屋垮塌等災害救援行動中適應不同任務的需求。自1989年第1臺無人拆卸銷軸的快換連接器問世以來，世界各國如瑞典OilQuick、英國Miller、德國Lenehoff等公司相繼研究開發出各種各樣的快捷連接器。2021年三一重工在破拆消防車上應用了快速連接器，但其拆裝仍需人工操作，存在對接時間長等問題[4-6]

隨著工程機械產品朝著智能化方向發展，如何提高主機設備的智能化操作水平和工作效率，成為工程機械制造企業研發的重要方向。為此本文提出一種基于機器視覺設計的工程機械屬具的快速連接器，為工程機械主機的智能化運行提供一種新思路。

接配套屬具，由多功能液壓閥塊、攝像頭、傾角器、旋轉缸、鎖緊機構、插裝閥、中央回轉器等組成。其中連接器內部采用空心設計，便于液壓管道布置。連接器分解如圖1所示。

圖1連接器分解

2連接器液壓系統設計

連接器上的主閥塊共控制5個執行元件，即主閥塊下部安裝的旋轉馬達，鎖緊缸，旋轉缸以及屬具的2個執行缸。考慮到連接器的體積和整體質量，將連接器液壓系統的板式電磁換向閥改為插裝閥，閥塊截面積由原來的 240mm×240mm 縮小到 160mm×180mm 。經過測試，選用插裝閥進行控制，使控制時間縮短了2s。

1連接器結構設計

連接器通過銷軸與挖掘機、破拆消防車等主機連接。其上連接架包括銷軸、法蘭、側板等，內部設計DN100法蘭盤，與舉高消防車消防炮連接；其下連接架用來連

3連接器視覺系統設計

3.1視覺系統識別原理

首先將主機、視覺相機、連接器分別建立坐標系，對檢測標識進行圖像捕捉，再進行閾值分割，使原始圖像變成二值化圖像。其次在二值化圖像基礎上進行四邊形檢測。最后對已檢出的四邊形進行編碼和解碼，與標識庫進行匹配計算，判斷是否為AprilTag標識碼。若匹配成功則進行六自由度位姿計算并輸出結果，反之重新捕捉圖像。視覺系統識別原理如圖2所示。

圖2視覺系統識別原理

3.2標識識別

為了提高圖像識別的效率，改善光照不均等問題，先對圖像進行灰度化處理。為了后續從灰度圖像中提取AprilTag標識信息，在灰度圖像基礎上進行二值化處理，將目標像素置為255，背景像素置為0，只產生黑、白兩色的圖像。AprilTag圖像及其二值化處理結果如圖3所示。

3.3 編碼與解碼

四邊形存儲的信息以4個角點坐標為基礎。當完成四邊形圖像檢測后，需對二值化后的圖像進行編碼與解碼。完成四邊形編碼后，系統通過比較4組 90^°"旋轉后的編碼與庫中的編碼的距離來校正圖像旋轉，若距離小于閥值則確認為有效的AprilTag標識。

3.4屬具位姿檢測

通過計算AprilTag標識的外參矩陣T，包括旋轉矩陣R和平移向量t。這一計算過程涉及像素坐標系、相機坐標系和AprilTag坐標系的轉換。對于AprilTag標識的一個角點，其在不同坐標系中的坐標，分別為圖像像素坐標""、相機坐標 （T_x，T_y，T_z） 和標識坐標（R_x，R_y，R_z） 。由于在AprilTag坐標系中 Z_t"恒為0，角點坐標可以簡化為二維齊次坐標 （X_t，Y_t） ，即可計算出連接器

4連接器產品測試

采用solidworks三維機械設計軟件設計并打印出連接器產品模型。將視覺識別程序和控制程序導入控制芯片內，模型側面安裝攝像頭，連接器的旋轉和俯仰動作采用舵機（型號S20A）進行控制。連接器產品測試模型如圖4所示。

圖4連接器產品測試模型

第一項為功能測試。分別對連接器的旋轉速度和俯仰角度進行測試。測試發現，攝像頭可以準確識別標識并控制連接器作旋轉和俯仰動作。第二項為距離測試。當攝像頭距離標識碼 30cm 時，連接器開始動作，距離20cm 時，舵機的響應時間為1s，表明攝像頭距離標識碼20cm時控制效果最好。連接器產品測試模型為實際操作提供了可靠的理論依據。

5結束語

本文簡述基于機器視覺設計的工程機械屬具連接器的結構和液壓系統組成，從工作原理、標識識別、編碼與解碼、屬具位姿檢測等方面闡述了連接器的視覺系統。經過測試證明，基于機器視覺設計的屬具連接器增加機器視覺功能是可行的，不僅可大幅度提高屬具對接的工作效率和準確率，還可提高工程機械產品的智能化水平。

參考文獻

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