一种基于工业机器人的物体姿态调整装置及姿态调整方法与流程

本发明涉及工业机器人技术领域，具体是一种基于工业机器人的物体姿态调整装置及姿态调整方法。

背景技术：

随着劳动力成本的不断提高以及工业机器人控制、规划、识别方法的不断发展，用工业机器人代替人工进行自动化生产的程度越来越高。但目前工业中散乱来料的整齐码放问题仍然没有得到解决，其难点在于：1)如何识别物体的姿态并通过合适的方法对物体姿态进行调整；2)如何在抓取过程中对物体的姿态进行调整，从而实现任意散乱来料的整齐排放；3)如何对机器人的运行过程进行轨迹规划，从而快速稳定的实现上述姿态调整过程。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于工业机器人的物体姿态调整装置及姿态调整方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于工业机器人的物体姿态调整装置，包括工作台，以及安装在工作台上的工业机器人、外部图像传感器和外部旋转轴；所述工业机器人和外部旋转轴均安装在工作台的一侧，外部图像传感器安装在工作台的正上方，工作台上安装有多个外部图像传感器；所述基于工业机器人的物体姿态调整装置，还包括工控机，工控机连接工业机器人、外部图像传感器和外部旋转轴。

作为本发明进一步的方案：所述工作台上安装有两个外部图像传感器。

作为本发明再进一步的方案：所述工作台上还设置有工件盒。

作为本发明再进一步的方案：所述外部旋转轴包括转轴、真空吸盘、弹性联轴器、轴承座、驱动电机，转轴转动安装在轴承座上，所述真空吸盘安装在转轴一端，转轴另一端穿过轴承座连接至驱动电机，真空吸盘上还设置有真空阀，所述驱动电机上还设置有电机驱动器，电机驱动器和真空阀均连接至工控机。

作为本发明再进一步的方案：所述转轴与驱动电机的旋转轴之间通过弹性联轴器相连接。

所述的基于工业机器人的物体姿态调整装置的姿态调整方法，其特征在于，步骤如下：

1)利用外部传感器对工作台上的工作空间进行建模，并将建模结果存储在工控机中；

2)根据外部传感器的实时信息，确定待抓取物体的位置和姿态；

3)结合物体当前的位置和姿态，以及给定的目标位置和姿态，并利用步骤1)所获得的建模结果，实现对工业机器人和外部旋转轴的动作规划；

4)按照动作规划，控制工业机器人和外部旋转轴进行动作，以对物体进行姿态调整。

作为本发明再进一步的方案：所述步骤2)的具体步骤如下：

a)根据轮廓模板图像生成以归一化弧长为横轴的曲率特征，作为模板数据；

b)通过外部传感器采集三维物体图像数据，提取出三维物体特征轮廓；

c)对轮廓进行白化变换，使得有变形的轮廓归一化，归一化后的轮廓相对于模板只有旋转和缩放；

d)提取归一化轮廓的曲率特征；

e)对模板轮廓和三维物体归一化轮廓生成的曲率特征进行互相关操作，找到重合程度最大的位置；

f)根据互相关操作得到的数据计算出三维物体的位置和姿态。

作为本发明再进一步的方案：所述步骤4)的具体步骤如下：

i.首先工业机器人的工业机器人末端工具将物体抓取，然后工业机器人将被抓取物体移动到外部旋转轴附近，工业机器人末端工具绕自身z轴旋转，以将物体侧面对准外部旋转轴的真空吸盘；

ii.真空吸盘抓取物体，工业机器人末端工具释放物体；

iii.真空吸盘绕转轴旋转(y轴旋转)；

iv.机器人末端工具抓取物体，外部旋转轴释放物体；

v.机器人末端工具绕自身旋转轴旋转(z轴旋转)；

vi.机器人将被抓取物体移动到工件放置处，工业机器人放置物体。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、该基于工业机器人的物体姿态调整装置，在传统的机器人抓取系统基础上，增加了若干外部图像传感器以及外部旋转轴和其上的姿态固定和释放部件，结合工业机器人的最后一轴能够实现物体进行任意姿态调整然后放置，具有成本低，操作灵活，结构简单的特征。2、该基于工业机器人的物体姿态调整装置主要用于在机器人抓取后对抓取的物体进行任意姿态调整，可以实现散乱码放物体抓取后进行任意姿态放置。

附图说明

图1为基于工业机器人的物体姿态调整装置的结构示意图。

图2为基于工业机器人的物体姿态调整装置的姿态调整方法流程图。

图3为基于工业机器人的物体姿态调整装置确定待抓取物体的位置和姿态的流程图。

图4为基于工业机器人的物体姿态调整装置进行姿态调整时具体实现过程示意图。

图5为基于工业机器人的物体姿态调整装置中外部旋转轴的结构示意图。

图中：1-工业机器人、2-外部图像传感器、3-外部旋转轴、31-真空吸盘、32-真空阀、33-弹性联轴器、34-轴承座、35-电机驱动器、36-驱动电机、4-工作台、5-工件盒。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-5，一种基于工业机器人的物体姿态调整装置，包括工作台4，以及安装在工作台4上的工业机器人1、外部图像传感器2和外部旋转轴3；所述工业机器人1和外部旋转轴3均安装在工作台4的一侧，外部图像传感器2安装在工作台4的正上方，工作台4上安装有多个外部图像传感器2，外部图像传感器2的数量不加限制，本实施例中，优选的，所述工作台4上安装有两个外部图像传感器2，工作台4上还设置有工件盒5，用于盛放工件；所述基于工业机器人的物体姿态调整装置，还包括工控机，工控机连接工业机器人1、外部图像传感器2和外部旋转轴3，用于控制各个部件的工作；所述外部旋转轴3包括转轴、真空吸盘31、弹性联轴器33、轴承座34、驱动电机36，转轴转动安装在轴承座34上，所述真空吸盘31安装在转轴一端，转轴另一端穿过轴承座34连接至驱动电机36，转轴与驱动电机36的旋转轴之间通过弹性联轴器33相连接，真空吸盘31上还设置有真空阀32，通过控制真空阀32的通断来控制真空吸盘31的工作，驱动电机36转动时，通过转轴带动真空吸盘31转动，真空吸盘31就能够带动其所吸附的物体转动，所述驱动电机36上还设置有电机驱动器35，电机驱动器35用于控制驱动电机36的工作，电机驱动器35和真空阀32均连接至工控机，通过工控机控制两者的运行。

所述基于工业机器人的物体姿态调整装置及姿态调整方法，步骤如下：1)利用外部传感器2对工作台4上的工作空间进行建模，并将建模结果存储在工控机中；2)根据外部传感器2的实时信息，确定待抓取物体的位置和姿态；3)结合物体当前的位置和姿态，以及给定的目标位置和姿态，并利用步骤1)所获得的建模结果，实现对工业机器人1和外部旋转轴3的动作规划；4)按照动作规划，控制工业机器人1和外部旋转轴3进行动作，以对物体进行姿态调整。

所述步骤2)的具体步骤如下：

a)根据轮廓模板图像生成以归一化弧长为横轴的曲率特征，作为模板数据；

b)通过外部传感器2采集三维物体图像数据，提取出三维物体特征轮廓；

c)对轮廓进行白化变换，使得有变形的轮廓归一化，归一化后的轮廓相对于模板只有旋转和缩放；

d)提取归一化轮廓的曲率特征；

e)对模板轮廓和三维物体归一化轮廓生成的曲率特征进行互相关操作，找到重合程度最大的位置；

f)根据互相关操作得到的数据计算出三维物体的位置(x，y，z)和姿态(欧拉角：a，b，c)。

根据欧拉定理，三维空间中任意两个姿态之间都可以通过三次旋转实现，实现方式共有12种。这里我们选择结合机器人最后一轴以及外部旋转轴，选择zyz的旋转方式，通过三次旋转使得物体姿态到达给定的位置。

所述步骤4)的具体步骤如下：

i.首先工业机器人1的工业机器人末端工具将物体抓取，然后工业机器人1将被抓取物体移动到外部旋转轴3附近，工业机器人末端工具绕自身z轴旋转，以将物体侧面对准外部旋转轴3的真空吸盘31；

ii.真空吸盘31抓取物体，工业机器人末端工具释放物体；

iii.真空吸盘31绕转轴旋转(y轴旋转)；

iv.机器人末端工具抓取物体，外部旋转轴3释放物体；

v.机器人末端工具绕自身旋转轴旋转(z轴旋转)：

vi.机器人将被抓取物体移动到工件放置处，工业机器人放置物体。

所述基于工业机器人的物体姿态调整装置，在传统的机器人抓取系统基础上，增加了若干外部图像传感器以及外部旋转轴和其上的姿态固定和释放部件，结合工业机器人的最后一轴能够实现物体进行任意姿态调整然后放置，具有成本低，操作灵活，结构简单的特征。所述基于工业机器人的物体姿态调整装置主要用于在机器人抓取后对抓取的物体进行任意姿态调整，可以实现散乱码放物体抓取后进行任意姿态放置。

上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。