[發明專利]基于增強現實的機器人示教方法

在審

• 申請號: 201710431671.7
• 申請日: 2017-06-08
• 公開（公告）號: CN107351058A
• 公開（公告）日: 2017-11-17
• 發明（設計）人: 杜廣龍;張平;陳明軒
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00;B25J9/16
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司44102
• 代理人: 何淑珍

1.基于增強現實的機器人示教方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1、顯示虛擬機器人并建立坐標系；

S2、虛擬機器人示教；

S3、驅動真實機器人。

2.根據權利要求1所述的基于增強現實的機器人示教方法，其特征在于，所述步驟S1具體包括：

增強現實設備將虛擬機器人投影到真實機器人上，并與真實機器人重疊；

機器人基座、機器人關節、增強現實設備坐標系、人手坐標系均采用3個互相正交的軸來表示；機器人基座坐標系xOy平面為水平方向；z軸正方向為豎直向上；機器人關節i坐標系中Z_i-1軸位于按右手規則旋轉軸方向；X_i-1軸沿Z_i-1與Z_i公垂線方向；增強現實設備坐標系中Z_L軸為沿著操作者上方向；X_L軸為沿著操作者右方向；Y_L軸正方向為操作者前方向；人手坐標系中Z_H軸負方向為四指方向；X_H軸方向垂直手背向上；Y_H軸為拇指方向。

3.根據權利要求1所述的基于增強現實的機器人示教方法，其特征在于，所述步驟S2包括以下步驟：

1)位置和姿態模型

機器人采用Denavit‐Hartenberg(D‐H)模型，A_i表示從坐標系i-1到坐標系i的齊次坐標變換矩陣，則有：

Ai=cosθi-sinθicosαisinθisinαilicosθisinθicosθicosαi-cosθisinαilisinθi0sinαicosαiri0001---(1)]]>

其中θ_i表示在坐標變換時繞Z_i-1旋轉的角度，使得X_i-1和X_i相互平行；r_i表示在坐標變換時沿Z_i-1平移的距離，使得X_i-1和X_i共線；l_i表示在坐標變換時X_i-1平移的距離，使得X_i-1和X_i的原點重合；α_i表示在坐標變換時Z_i-1繞X_i旋轉的角度，使得Z_i-1和Z_i原點重合，方向一致；

對于一個具有六關節的虛擬機器人，從基座坐標系到第六個關節的齊次變換矩陣定義為：

T₆＝A₁A₂A₃A₄A₅A₆(2)

定義在t時刻虛擬機器人末端在關節空間的位置和姿態為：

X_t＝[J_1,t J_2,t J_3,t J_4,t J_5,t J_6,t]^T(3)

其中J_i,t為t時刻虛擬機器人第i個關節角；

利用式(1)，(2)對T₆進行逆運動學求解，得到初始時刻虛擬機器人各個關節角度值X₀；

從機器人末端坐標系到人手坐標系的齊次變換矩陣定義為：

A7=cosθi-sinθicosαisinθisinαilxsinθicosθicosαi-cosθisinαily0sinαicosαilz0001---(4)]]>

其中向量l為人手與機器人末端的距離；

定義Z_t為t時刻人手的位置和姿態，有：

T₆A₇＝Z_t(5)

在示教過程中，虛擬機器人跟隨操作者的手指運動，即在笛卡爾狀態空間里虛擬機器人末端和人手的位姿一致，通過式(4)、(5)對Z_t進行逆運動學求解得到X_t，即t時刻虛擬機器人各個關節角；

2)語音指令輸入

操作者直接通過語音指令來對虛擬機器人進行微調操作，對語音進行識別，獲取指令語句中的方向、操作、特征值、單位參數；對語音識別完畢后，進入意圖理解部分；意圖理解部分主要是將自然語言指令轉化為對應的機器人控制指令；在對剛識別完的自然語言指令進行理解轉化之前，要有一個最大熵分類模型，從訓練語料庫中提取文本特征，然后利用TF‐IDF對文本特征進行特征向量加權，將文本表示為文本特征向量，有n個詞就表示為n維特征向量；然后利用最大熵算法，對文本特征向量與對應的意圖輸出標簽的條件概率進行建模，得到分布最均勻的模型，利用公式：

p*=1Z(x)exp[Σi=1nλifi(x,y)]---(6)]]>

得到最大熵概率分布，從而完成最大熵建模，其中，f_i(x,y)為第i個特征函數，若文本向量與對應的輸出標簽出現在同一個樣本中，則f_i(x,y)等于1，否則為0；λ_i為f_i(x,y)對應的權值，Z(x)為歸一化因子；最大熵分類模型建立之后，對文本特征向量進行分類,最后得到機器人控制指令，并轉化為位置和姿態微調矩陣T′：

T′=nx′ox′ax′px′ny′oy′ay′py′nz′oz′az′pz′0001---(7)]]>

其中n′_x，n′_y，n′_z，o′_x，o′_y，o′_z，a′_x，a′_y，a′_z分別是運動坐標系F_n,o,a在參考坐標系F_x,y,z三軸方向上的分量，p′_x，p′_y，p′_z表示運動坐標系F_n,o,a原點相對于參考坐標系F_x,y,z的位置；

特別地，若操作者沒有進行語音指令輸入，有：

T′=1000010000100001---(8)]]>

定義X′_t為t時刻虛擬機器人末端的根據語音指令微調后的理想位置和姿態，有：

T₆A₇T′＝Z′_t(9)

其中Z′_t為t時刻根據語音指令微調后人手的位置和姿態；通過求解(7)，(9)，對Z_t′進行逆運動學求解得到X′_t；

根據X′_t，虛擬機器人可到達示教指定位置。

4.根據權利要求1所述的基于增強現實的機器人示教方法，其特征在于，所述步驟S3具體包括：

虛擬機器人到達指定位置后，由操作者確認虛擬機器人運動軌跡是否所需示教軌跡，若滿足示教需求，則驅動真實機器人完成由虛擬機器人規劃的運動路徑；先對虛擬機器人進行快速示教，避免對真實機器人的接觸。