[發(fā)明專(zhuān)利]一種連桿機(jī)械手的非定點(diǎn)物料視覺(jué)識(shí)別與抓取裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811553969.6
• 申請(qǐng)日: 2018-12-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109877827B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-03-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊強(qiáng);朱俊汶;郭瑜;馬交成;邱豪;聞聰聰;孫志禮
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 東北大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B25J9/16
• 分類(lèi)號(hào): B25J9/16;B25J9/10;B25J9/12
• 代理公司: 沈陽(yáng)優(yōu)普達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 陳曦

1.一種連桿機(jī)械手的非定點(diǎn)物料視覺(jué)識(shí)別與抓取裝置，其特征在于，包括：

連桿機(jī)械手，包括底座、大臂、小臂、氣動(dòng)手抓、驅(qū)動(dòng)底座回轉(zhuǎn)的第一伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)大臂伸展的第二伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)小臂俯仰的第三伺服電機(jī)；

視覺(jué)定位采集系統(tǒng)，用于采集非定點(diǎn)物料的圖像；

圖像處理及姿態(tài)解算系統(tǒng)，用于對(duì)物料的圖像進(jìn)行處理?yè)Q算出物料中心點(diǎn)在連桿機(jī)械手基坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，計(jì)算出連桿機(jī)械手各伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)和脈沖方向；

驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)，將脈沖數(shù)和脈沖方向轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電平變換，控制連桿機(jī)械手使其末端到達(dá)指定位置完成物料的抓取工作；

所述圖像處理及姿態(tài)解算系統(tǒng)包括：

圖像處理模塊，用于對(duì)非定點(diǎn)物料的圖像進(jìn)行處理與解算獲得物料中心點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)；

位姿轉(zhuǎn)換模塊，根據(jù)相機(jī)坐標(biāo)系與連桿機(jī)械手坐標(biāo)系之間的位姿變換關(guān)系，換算出物料中心點(diǎn)在連桿機(jī)械手基坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)；

位姿計(jì)算模塊，根據(jù)物料中心點(diǎn)在連桿機(jī)械手基坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，解算出連桿機(jī)械手各伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并將旋轉(zhuǎn)角度換算為脈沖數(shù)和脈沖方向；

位姿計(jì)算模塊解算出連桿機(jī)械手各伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度具體為：

機(jī)械手的簡(jiǎn)化模型中，包括腰部回轉(zhuǎn)、大臂和小臂的俯仰以及手腕的翻轉(zhuǎn)四個(gè)自由度，即各桿件通過(guò)4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接而成的機(jī)構(gòu)；在三維坐標(biāo)中，對(duì)機(jī)械手進(jìn)行D-H模型建立和真運(yùn)動(dòng)學(xué)求解；

該連桿機(jī)械手在工作空間范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，手腕末端的姿態(tài)式相對(duì)基座始終保持中不變，在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)，將末端手腕部分與小臂看成一個(gè)整體，從而簡(jiǎn)化掉一個(gè)自由度；

坐標(biāo)系{O_i-1}到坐標(biāo)系{O_i}間每次變換的齊次變換矩陣為：

經(jīng)過(guò)變換，手腕中心到基坐標(biāo)系的幾次變換矩陣為：

得末端位置方程為：

由得：

設(shè)手腕末端點(diǎn)的位姿矩陣為：

其中：n為法向向量，o為滑動(dòng)向量，a為機(jī)械手接近向量，p為機(jī)末端位置向量；

令第三行第四列對(duì)應(yīng)元素相等：

令第二行第一列和第二行第三列的元素分別對(duì)應(yīng)相等：

得：

令第二行第四列的元素分別對(duì)應(yīng)相等得：

聯(lián)立(4)式和(7)式得：

解得：

即：

聯(lián)立(6)式和(10)式得：

其中，為第一伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，為第二伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，為第三伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，是末端坐標(biāo)系的x軸與連桿機(jī)械手基座標(biāo)系z(mì)軸的余旋，是末端坐標(biāo)系y軸與連桿機(jī)械手基座標(biāo)系z(mì)軸的余弦，為物料抓取中心在連桿機(jī)械手基坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)值，末端坐標(biāo)系為以氣動(dòng)手抓中心為原點(diǎn)建立的坐標(biāo)系。

2.如權(quán)利要求1所述的連桿機(jī)械手的非定點(diǎn)物料視覺(jué)識(shí)別與抓取裝置，其特征在于，所述視覺(jué)定位采集系統(tǒng)包括：支撐機(jī)構(gòu)、設(shè)置在支撐機(jī)構(gòu)上的工業(yè)相機(jī)和環(huán)形光源。

3.如權(quán)利要求1所述的連桿機(jī)械手的非定點(diǎn)物料視覺(jué)識(shí)別與抓取裝置，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)包括：

下位機(jī)，將脈沖數(shù)、脈沖方向和電機(jī)使能指令轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的脈沖信號(hào)，發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器；

伺服驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的伺服電機(jī)完成對(duì)連桿機(jī)械手的控制，使其末端到達(dá)指定位置完成物料的抓取工作。

4.如權(quán)利要求2所述的連桿機(jī)械手的非定點(diǎn)物料視覺(jué)識(shí)別與抓取裝置，其特征在于，所述支撐機(jī)構(gòu)包括：底座、豎桿、兩根橫桿和連接件；所述豎桿設(shè)置在底座上，兩根橫桿分別通過(guò)相應(yīng)的連接件與豎桿轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述連接件上設(shè)有調(diào)整旋鈕用于將橫桿鎖緊；所述工業(yè)相機(jī)和環(huán)形光源分別安裝在相應(yīng)的橫桿上，環(huán)形光源設(shè)置在工業(yè)相機(jī)的正下方。

5.如權(quán)利要求3所述的連桿機(jī)械手的非定點(diǎn)物料視覺(jué)識(shí)別與抓取裝置，其特征在于，所述下位機(jī)采用STM32，安裝有RTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，采用消息隊(duì)列的方式接收數(shù)據(jù)。