机器人抓取系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及机器人领域，特别地涉及一种机器人稳定抓取工件的系统。
【背景技术】
[0002] 机器人飞速发展的今天，工业机器人在制造业中的应用也越来越广泛。如汽车及 汽车零部件制造、机械加工、电子电气生产、橡胶及塑料制造、食品加工、木材与家具制造等 领域的自动化生产过程中，机器人作业发挥着重要作用。机器人对工件的抓取是制造业的 自动化生产中一项常见的任务。目前，视觉引导与定位技术已经成为工业机器人获得作业 周围环境信息的主要手段，但目前的技术尚未提供实现快速稳定抓取的方法。在工业中，机 器人抓取的过程存在抓取缓慢或不稳定的情况，存在抓取一类工件的困难，且实时性和可 靠性不能保证。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型提供了一种机器人抓取系统，该系统适用制造业中工业机器人工件抓 取作业，提高了机器人工作的效率。
[0004] 本实用新型的机器人抓取系统包括:机器人、摄像机、远程控制计算机、和四指手 爪，其中：四指手爪和摄像机固定在机器人的第六轴末端;摄像机的像平面设为与四指手爪 的手指方向垂直;以及摄像机、远程控制计算机和机器人依次电气连接。
[0005] 可选地，机器人的第六轴末端是与末端执行器相连接的轴末端。
[0006] 可选地，四指手爪包括手掌圆盘、两条交叉直线导轨和四个手指，所述两条交叉直 线导轨固定在手掌圆盘上且互相正交，所述四个手指分成两组，每组手指通过一个电机驱 动以沿着相应的直线导轨同时移进或移出。
[0007] 可选地，该机器人抓取系统还包括传送带。
[0008] 该机器人抓取系统具有实时性好，可靠性高，抓取快速稳定等优点。
【附图说明】
[0009] 图1为本实用新型的系统主视图。
[0010] 图2为本实用新型的基于视觉和环境吸引域融合的机器人抓取方法流程示意图。
[0011] 图3为本实用新型四指手爪和工件图。
[0012] 图4为本实用新型的所建立的手爪坐标系图。
[0013] 图5为本实用新型的【具体实施方式】中所用的凸六面体工件的三维立体图。
[0014]图6为本实用新型的凸六面体工件在xg〇gyg平面投影。
[0015] 图7为本实用新型的环境约束域子空间&曲线图。
[0016] 图8为本实用新型的环境约束域子空间(：2曲面图。
[0017] 图9为本实用新型的抓取过程中凸六面体工件在xg〇gyg平面的投影。
【具体实施方式】
[0018] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并 参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。
[0019] 本实用新型公开了一种基于视觉和环境吸引域融合的机器人抓取工件方法及系 统。
[0020] 本方法针对的是能稳定放置在水平面上凹凸多面体工件。
[0021] 本方法利用吸引域理论，即非线性系统中，如果存在吸引域，则吸引域的最低点对 应着该非线性系统的一个稳定状态。本方法分离线分析与在线抓取两个阶段。在离线阶段， 首先基于手爪和工件的CAD模型构建环境约束域，并将高维环境约束域分解成若干三维以 下子空间并求出子空间中约束域的局部最低点，即稳定抓取状态;在在线阶段，利用摄像头 采集单幅图像，识别并定位工件位姿，然后计算由初始状态到高维环境约束域的路径规划， 通过计算机输出轨迹点控制机器人运动并实现对工件的稳定抓取。
[0022] 本实用新型还公开了一种实现以上方法的基于视觉和环境吸引域融合的机器人 抓取系统，包括，传送带、机器人、摄像机、远程控制计算机、四指手爪和工件。该系统利用视 频摄像头采集图像，利用计算机识别工件并定位工件位姿，通过环境吸引域得到工件的稳 定抓取位姿，并计算出初始位姿与稳定抓取位姿之间的路径规划，从而控制机械手快速、稳 定抓取工件。系统中视频摄像头采集单幅工件图像;计算机通过图像识别并定位工件，计算 机械手从初始状态到稳定抓取的路径规划，控制机器人的运动，控制机械手抓取工件;计算 机的数据端与工业机器人的控制柜的数据端连接，通过输出轨迹点控制工业机器人的运 动。该系统具有实时性好，可靠性尚，抓取快速稳定等优点。
[0023] 下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施 方式不限于此。
[0024] 实施例
[0025] 如附图1所示，一种基于视觉和环境吸引域融合的机器人抓取系统，包括机器人2、 摄像机3、远程控制计算机4、四指手爪5和工件6;四指手爪5和摄像机3固定在机器人2第六 轴末端（即与末端执行器相连接的轴末端），摄像机3像平面设为与四指手爪5手指方向垂 直;摄像机3、远程控制计算机4和机器人2依次电气连接。可选地，该系统还可以包括传送带 1。其中，远程控制计算机运行计算机程序，以控制机器人、摄像机、远程控制计算机、四指手 爪实现在线阶段的操作。
[0026] 根据本实用新型的实施例，四指手爪包括手掌圆盘、两条交叉直线导轨和四个手 指，所述两条交叉直线导轨固定在手掌圆盘上且互相正交，所述四个手指分成两组，每组手 指通过一个电机驱动以沿着相应的直线导轨同时移进或移出。
[0027] 根据本实用新型的实施例，该机器人抓取系统还包括传送带1。
[0028] 该机器人抓取系统可用于实现以下描述的方法。
[0029] 如附图2所示，一种基于视觉和环境吸引域融合的机器人抓取方法，包括以下步 骤：
[0030] 离线阶段
[0031] 步骤S1:如用四指手爪抓取一个凸六面体工件，首先根据工件的CAD模型和四指手 爪的模型，建立手爪坐标系，如附图4所示。初始时工件62在水平面上处于稳定状态，且它在 平面上的投影为四边形，如附图5所示，51、52、53、54分别为四指手爪的四指。构建手爪与凸 六面体工件的静态接触模型如下：
[0032]在手爪坐标系下的工件62的位姿可表示为
[0033] Χ(χ，γ，ζ，θχ，θγ，θζ)
[0034] 其中，x，y，z分别是工件的重心在手爪坐标系的位置坐标；θχ，θγ，θζ分别是以当前 工件在手爪坐标系XgOgYg面投影的位置为初始位置，工件绕手爪坐标系的xg轴、y g轴、zg轴的 旋转角度;X表示工件的位姿。
[0035] 抓取过程可以描述为：
[0037]其中F(t) = [Fx(t) Fy(t)]是两对手爪的夹持力，t表示时间，Fx和Fy分别是在父 8方 向和Yg方向上的夹持力。
[0038] 如附图6所示，四指手爪的两对手指与三维工件接触，设两对接触点在手爪坐标系 中的坐标分别为 52 (xv ')、54 (X/;,')和 51 (ΧΛ, )、53 (XV')。则
[0039] χ?ι + χ/2-0, γ, + γ,^ο
[0040] 定义能量函数如下
[0041 ] Ep(X,t) = [Fx(t) Fy(t)][dx dy]T
[0042]其中< Η Y/厂' 丨、冬Η X/: I分别是两对手爪每对手指之间的距离。可以证 明，如果Fx(t)和Fy(t)选取适当，则四指手爪抓取工件的构形空间(X，EP)存在环境吸引域。 环境吸引域，又简称吸引域，定义为一个状态集，它满足存在一个与状态无关的输入，使得 系统从状态集中任意状态收敛到一个更小的状态集。
[0043]定义约束域函数如下
[0044] g(X)=dx+dy
[0045] 则g(X)表示两对手爪距