機器人抓取系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及機器人領域，特別地涉及一種機器人穩定抓取工件的系統。
【背景技術】
[0002] 機器人飛速發展的今天，工業機器人在制造業中的應用也越來越廣泛。如汽車及 汽車零部件制造、機械加工、電子電氣生產、橡膠及塑料制造、食品加工、木材與家具制造等 領域的自動化生產過程中，機器人作業發揮著重要作用。機器人對工件的抓取是制造業的 自動化生產中一項常見的任務。目前，視覺引導與定位技術已經成為工業機器人獲得作業 周圍環境信息的主要手段，但目前的技術尚未提供實現快速穩定抓取的方法。在工業中，機 器人抓取的過程存在抓取緩慢或不穩定的情況，存在抓取一類工件的困難，且實時性和可 靠性不能保證。 【實用新型內容】
[0003] 本實用新型提供了一種機器人抓取系統，該系統適用制造業中工業機器人工件抓 取作業，提高了機器人工作的效率。
[0004] 本實用新型的機器人抓取系統包括:機器人、攝像機、遠程控制計算機、和四指手 爪，其中：四指手爪和攝像機固定在機器人的第六軸末端;攝像機的像平面設為與四指手爪 的手指方向垂直;以及攝像機、遠程控制計算機和機器人依次電氣連接。
[0005] 可選地，機器人的第六軸末端是與末端執行器相連接的軸末端。
[0006] 可選地，四指手爪包括手掌圓盤、兩條交叉直線導軌和四個手指，所述兩條交叉直 線導軌固定在手掌圓盤上且互相正交，所述四個手指分成兩組，每組手指通過一個電機驅 動以沿著相應的直線導軌同時移進或移出。
[0007] 可選地，該機器人抓取系統還包括傳送帶。
[0008] 該機器人抓取系統具有實時性好，可靠性高，抓取快速穩定等優點。
【附圖說明】
[0009] 圖1為本實用新型的系統主視圖。
[0010] 圖2為本實用新型的基于視覺和環境吸引域融合的機器人抓取方法流程示意圖。
[0011] 圖3為本實用新型四指手爪和工件圖。
[0012] 圖4為本實用新型的所建立的手爪坐標系圖。
[0013] 圖5為本實用新型的【具體實施方式】中所用的凸六面體工件的三維立體圖。
[0014]圖6為本實用新型的凸六面體工件在xg〇gyg平面投影。
[0015] 圖7為本實用新型的環境約束域子空間&曲線圖。
[0016] 圖8為本實用新型的環境約束域子空間(：2曲面圖。
[0017] 圖9為本實用新型的抓取過程中凸六面體工件在xg〇gyg平面的投影。
【具體實施方式】
[0018] 為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并 參照附圖，對本實用新型作進一步的詳細說明。
[0019] 本實用新型公開了一種基于視覺和環境吸引域融合的機器人抓取工件方法及系 統。
[0020] 本方法針對的是能穩定放置在水平面上凹凸多面體工件。
[0021] 本方法利用吸引域理論，即非線性系統中，如果存在吸引域，則吸引域的最低點對 應著該非線性系統的一個穩定狀態。本方法分離線分析與在線抓取兩個階段。在離線階段， 首先基于手爪和工件的CAD模型構建環境約束域，并將高維環境約束域分解成若干三維以 下子空間并求出子空間中約束域的局部最低點，即穩定抓取狀態;在在線階段，利用攝像頭 采集單幅圖像，識別并定位工件位姿，然后計算由初始狀態到高維環境約束域的路徑規劃， 通過計算機輸出軌跡點控制機器人運動并實現對工件的穩定抓取。
[0022] 本實用新型還公開了一種實現以上方法的基于視覺和環境吸引域融合的機器人 抓取系統，包括，傳送帶、機器人、攝像機、遠程控制計算機、四指手爪和工件。該系統利用視 頻攝像頭采集圖像，利用計算機識別工件并定位工件位姿，通過環境吸引域得到工件的穩 定抓取位姿，并計算出初始位姿與穩定抓取位姿之間的路徑規劃，從而控制機械手快速、穩 定抓取工件。系統中視頻攝像頭采集單幅工件圖像;計算機通過圖像識別并定位工件，計算 機械手從初始狀態到穩定抓取的路徑規劃，控制機器人的運動，控制機械手抓取工件;計算 機的數據端與工業機器人的控制柜的數據端連接，通過輸出軌跡點控制工業機器人的運 動。該系統具有實時性好，可靠性尚，抓取快速穩定等優點。
[0023] 下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施 方式不限于此。
[0024] 實施例
[0025] 如附圖1所示，一種基于視覺和環境吸引域融合的機器人抓取系統，包括機器人2、 攝像機3、遠程控制計算機4、四指手爪5和工件6;四指手爪5和攝像機3固定在機器人2第六 軸末端（即與末端執行器相連接的軸末端），攝像機3像平面設為與四指手爪5手指方向垂 直;攝像機3、遠程控制計算機4和機器人2依次電氣連接。可選地，該系統還可以包括傳送帶 1。其中，遠程控制計算機運行計算機程序，以控制機器人、攝像機、遠程控制計算機、四指手 爪實現在線階段的操作。
[0026] 根據本實用新型的實施例，四指手爪包括手掌圓盤、兩條交叉直線導軌和四個手 指，所述兩條交叉直線導軌固定在手掌圓盤上且互相正交，所述四個手指分成兩組，每組手 指通過一個電機驅動以沿著相應的直線導軌同時移進或移出。
[0027] 根據本實用新型的實施例，該機器人抓取系統還包括傳送帶1。
[0028] 該機器人抓取系統可用于實現以下描述的方法。
[0029] 如附圖2所示，一種基于視覺和環境吸引域融合的機器人抓取方法，包括以下步 驟：
[0030] 離線階段
[0031] 步驟S1:如用四指手爪抓取一個凸六面體工件，首先根據工件的CAD模型和四指手 爪的模型，建立手爪坐標系，如附圖4所示。初始時工件62在水平面上處于穩定狀態，且它在 平面上的投影為四邊形，如附圖5所示，51、52、53、54分別為四指手爪的四指。構建手爪與凸 六面體工件的靜態接觸模型如下：
[0032]在手爪坐標系下的工件62的位姿可表示為
[0033] Χ(χ，γ，ζ，θχ，θγ，θζ)
[0034] 其中，x，y，z分別是工件的重心在手爪坐標系的位置坐標；θχ，θγ，θζ分別是以當前 工件在手爪坐標系XgOgYg面投影的位置為初始位置，工件繞手爪坐標系的xg軸、y g軸、zg軸的 旋轉角度;X表示工件的位姿。
[0035] 抓取過程可以描述為：
[0037]其中F(t) = [Fx(t) Fy(t)]是兩對手爪的夾持力，t表示時間，Fx和Fy分別是在父 8方 向和Yg方向上的夾持力。
[0038] 如附圖6所示，四指手爪的兩對手指與三維工件接觸，設兩對接觸點在手爪坐標系 中的坐標分別為 52 (xv ')、54 (X/;,')和 51 (ΧΛ, )、53 (XV')。則
[0039] χ?ι + χ/2-0, γ, + γ,^ο
[0040] 定義能量函數如下
[0041 ] Ep(X,t) = [Fx(t) Fy(t)][dx dy]T
[0042]其中< Η Y/廠' 丨、冬Η X/: I分別是兩對手爪每對手指之間的距離。可以證 明，如果Fx(t)和Fy(t)選取適當，則四指手爪抓取工件的構形空間(X，EP)存在環境吸引域。 環境吸引域，又簡稱吸引域，定義為一個狀態集，它滿足存在一個與狀態無關的輸入，使得 系統從狀態集中任意狀態收斂到一個更小的狀態集。
[0043]定義約束域函數如下
[0044] g(X)=dx+dy
[0045] 則g(X)表示兩對手爪距