[發(fā)明專利]基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人示教方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710431671.7
• 申請(qǐng)日: 2017-06-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107351058A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-11-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 杜廣龍;張平;陳明軒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號(hào): B25J9/00
• 分類號(hào): B25J9/00;B25J9/16
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司44102
• 代理人: 何淑珍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，特別涉及一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人示教方法。

背景技術(shù)

針對(duì)在線示教過(guò)分依賴于實(shí)際環(huán)境和離線示教過(guò)分脫離實(shí)際環(huán)境，這篇發(fā)明提出了一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Augmented Reality，AR)的機(jī)器人示教方法。該方法是綜合在線示教和離線示教的一個(gè)折中的方法，其利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)允許操作者在真實(shí)場(chǎng)景中對(duì)虛擬機(jī)器人進(jìn)行快速示教和實(shí)時(shí)驗(yàn)證，即達(dá)到“所見(jiàn)即所得”效果。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備將虛擬機(jī)器人投影到真實(shí)機(jī)器人上，并與真實(shí)機(jī)器人重疊，操作者通過(guò)佩戴增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備后只需要利用自然交互方式(三維手勢(shì)和自然語(yǔ)言)對(duì)虛擬機(jī)器人進(jìn)行快速示教，待示教完畢后真實(shí)機(jī)器人只需要重復(fù)虛擬機(jī)器人的動(dòng)作即可完成對(duì)真實(shí)機(jī)器人的示教。該方法避免對(duì)真實(shí)機(jī)器人的接觸，既提高示教效率的同時(shí)避免示教失敗時(shí)對(duì)機(jī)器人或工件產(chǎn)生損害，又保證了操作者的安全。

發(fā)明內(nèi)容

這個(gè)發(fā)明提出了一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和自然人機(jī)交互技術(shù)的機(jī)器人在線示教方法，它允許操作者在真實(shí)場(chǎng)景中對(duì)利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備顯示的虛擬機(jī)器人進(jìn)行快速示教和實(shí)時(shí)驗(yàn)證。本發(fā)明使用了非接觸式的人機(jī)接口，它可以獲取操作者手部的位置和姿態(tài)以及操作者的語(yǔ)音指令，實(shí)時(shí)在虛擬機(jī)器人驗(yàn)證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，最后驅(qū)動(dòng)真實(shí)機(jī)器人。

本發(fā)明包括如下步驟：

S1、顯示虛擬機(jī)器人并建立坐標(biāo)系；

S2、虛擬機(jī)器人示教；

S3、驅(qū)動(dòng)真實(shí)機(jī)器人。

所述步驟S1包括以下步驟：

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備將虛擬機(jī)器人投影到真實(shí)機(jī)器人上，并與真實(shí)機(jī)器人重疊。

機(jī)器人基座、機(jī)器人關(guān)節(jié)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備坐標(biāo)系、人手坐標(biāo)系均采用3個(gè)互相正交的軸來(lái)表示。機(jī)器人基座坐標(biāo)系xOy平面為水平方向；z軸正方向?yàn)樨Q直向上。機(jī)器人關(guān)節(jié)i坐標(biāo)系中Z_i-1軸位于按右手規(guī)則旋轉(zhuǎn)軸方向；X_i-1軸沿Z_i-1與Z_i公垂線方向。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備坐標(biāo)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?yàn)椴僮髡咔胺较颉Ｈ耸肿鴺?biāo)系中Z_H軸負(fù)方向?yàn)樗闹阜较颍籜_H軸方向垂直手背向上；Y_H軸為拇指方向。

所述步驟S2包括以下步驟：

1)位置和姿態(tài)模型

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

其中θ_i表示在坐標(biāo)變換時(shí)繞Z_i-1旋轉(zhuǎn)的角度，使得X_i-1和X_i相互平行；r_i表示在坐標(biāo)變換時(shí)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(biāo)變換時(shí)X_i-1平移的距離，使得X_i-1和X_i的原點(diǎn)重合；α_i表示在坐標(biāo)變換時(shí)Z_i-1繞X_i旋轉(zhuǎn)的角度，使得Z_i-1和Z_i原點(diǎn)重合，方向一致。

對(duì)于一個(gè)具有六關(guān)節(jié)的虛擬機(jī)器人，從基座坐標(biāo)系到第六個(gè)關(guān)節(jié)的齊次變換矩陣定義為：

T₆＝A₁A₂A₃A₄A₅A₆(2)

定義在t時(shí)刻虛擬機(jī)器人末端在關(guān)節(jié)空間的位置和姿態(tài)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為機(jī)器人第i個(gè)關(guān)節(jié)角；

利用式(1)，(2)對(duì)T₆進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，得到初始時(shí)刻虛擬機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)角度值X₀；

從機(jī)器人末端坐標(biāo)系到人手坐標(biāo)系的齊次變換矩陣定義為：

其中向量l為人手與機(jī)器人末端的距離；