一种智能五轴门形机械手控制系统及方法与流程

本发明属于机械手控制技术领域，尤其涉及一种智能五轴门形机械手控制系统及方法。

背景技术：

机械手是一种能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，构造和性能上兼有人和机械手机器各自的优点。机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件(或工具)的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。然而，现有智能五轴门形机械手控制系统操作过程，机械手命令生成存在逻辑复杂和程序步骤较多，操作繁琐；同时，在实际标定过程中，由于结构设计和机械手自身极限因素导致一些位置无法通过一致动作到达，但是通过调整一个角度后，就能够到达目标位置，但是这样机械手和相机就会存在一定的夹角，故在机械手标定时像素坐标转换到机械手坐标就涉及到角度的问题。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有智能五轴门形机械手控制系统操作过程，机械手命令生成存在逻辑复杂和程序步骤较多，操作繁琐；同时，在实际标定过程中，由于结构设计和机械手自身极限因素导致一些位置无法通过一致动作到达，但是通过调整一个角度后，就能够到达目标位置，但是这样机械手和相机就会存在一定的夹角，故在机械手标定时像素坐标转换到机械手坐标就涉及到角度的问题。

现有机械手在移动过程中获取图像，获取的图像不清晰，图像抖动情况严重，无法精准获取图像的内容；现有机械手无法实时监控移动的速度，有可能因速度过快导致的操作失误，出现故障；同时也无法精准的控制机械手的速度。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种智能五轴门形机械手控制系统及方法。

本发明是这样实现的，一种智能五轴门形机械手控制方法，所述智能五轴门形机械手控制方法包括：

第一步，利用操作键盘输入机械手操作参数；利用指令选择程序进行选择生成操作指令；利用基于数字稳像算法的摄像机实时获取机械手末端的图像；

第二步，利用位置控制器、摄像机获取的机械手末端的图像对机械手坐标位置进行标定；利用升降器升降机械手的高度；利用伸缩结构进行机械手伸缩操作；利用旋转轴进行机械手旋转操作；利用夹持结构进行机械手抓取操作；

第三步，利用速度传感器检测机械手移动的速度，并利用基于矢量控制的速度控制器调节机械手操作速度；

第四步，利用显示器显示智能五轴门形机械手控制系统界面及操作指令、方向、高度、工作速度数据以及获取到的机械手前方实时图像。

进一步，所述第三步数字稳像算法具体包括：

(1)从静态背景上提取检测块；

(2)通过跟踪这些检测块得到帧间全局运动参量；

(3)计算补偿矩阵并补偿原图像的抖动得到运动补偿帧；

(4)变换补偿帧的邻帧图像对补偿帧进行修补。

进一步，所述第三步的数字稳像算法还包括：

采用估计的当前时刻的全局运动参量pt＝(a,b,c,d)^t将前帧it-1，的坐标变换回当前帧it，的坐标，得到运动补偿前帧，以补偿背景的运动，变换图像为：

式中x表示当前帧it中像素的坐标矢量，表示it-1中像素的坐标矢量，图像变换采用双线性插值，表示使得运动补偿前帧与当前帧it最佳匹配的全局运动变换矩阵：

然后计算补偿前帧与it的绝对差分图像，可表示为：

利用绝对差分图像检测并分离出it中的运动物体区域，并从剩余背景区域中选取检测块用于下一轮的全局运动估计。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述智能五轴门形机械手控制方法的智能五轴门形机械手控制系统，所述智能五轴门形机械手控制系统包括：

数据输入模块、指令生成模块、中央控制模块、标定模块、升降模块、伸缩模块、旋转模块、抓取模块、速度调节模块、显示模块；

数据输入模块，与中央控制模块连接，用于通过操作键盘输入机械手操作参数；

指令生成模块，与中央控制模块连接，用于通过指令选择程序进行选择生成操作指令；

中央控制模块，与数据输入模块、指令生成模块、标定模块、升降模块、伸缩模块、旋转模块、抓取模块、速度调节模块、显示模块连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

标定模块，与中央控制模块连接，用于通过位置控制器对机械手坐标位置进行标定；

升降模块，与中央控制模块连接，用于通过升降器升降机械手的高度；

伸缩模块，与中央控制模块连接，用于通过伸缩结构进行机械手伸缩操作；

旋转模块，与中央控制模块连接，用于通过旋转轴进行机械手旋转操作；

抓取模块，与中央控制模块连接，用于通过夹持结构进行机械手抓取操作；

速度调节模块，与中央控制模块连接，用于通过速度控制器调节机械手操作速度；

摄像模块，与中央控制模块连接，用于通过摄像机实时获取机械手末端的图像；

显示模块，与中央控制模块连接，用于通过显示器显示智能五轴门形机械手控制系统界面及操作指令、方向、高度、工作速度数据。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述智能五轴门形机械手控制方法的机械手。

本发明的优点及积极效果为：本发明通过指令生成模块可以根据用户选择的机械手命令，确定出该机械手命令对应的默认参数，然后将该默认参数作为最终执行时需要的参数，从而用户不再需要通过繁琐的手动操作输入参数，减少了用户操作步骤，降低了入门基础，减少了机器人程序的开发周期，也降低了机器人的应用成本；同时，通过标定模块可以在机械手无法通过一致动作到达某一位置时，通过调整机械手旋转一定的角度后，可以对机械手进行快速标定，从而实现机械手的精确控制，快速到达目标位置。使用该方法时如果移动的距离越长，得到的结果就会越精确。

本发明采用基于数字稳像算法的摄像机实时获取机械手前方图像，既保证了获取图像的精准率、消除因为机械手运动导致的抖动、图像不清晰等问题，同时利用摄像机实时观测机械手的状态、位置等，方便操作者及时根据情况进行相应的调节。

本发明提供的智能五轴门形机械手控制系统的速度控制模块能够利用速度传感器实时获取机械手运动的速度，方便操作者能够根据实际机械手的升降情况及时的调整速度，更加精准的控制机械手。

附图说明

图1是本发明实施例提供的智能五轴门形机械手控制系统结构框图；

图2是本发明实施例提供的智能五轴门形机械手控制方法流程图；

图中：1、数据输入模块；2、指令生成模块；3、中央控制模块；4、标定模块；5、升降模块；6、伸缩模块；7、旋转模块；8、抓取模块；9、速度调节模块；10、摄像模块；11、显示模块。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的智能五轴门形机械手控制系统包括：数据输入模块1、指令生成模块2、中央控制模块3、标定模块4、升降模块5、伸缩模块6、旋转模块7、抓取模块8、速度调节模块9、摄像模块10、显示模块11。

数据输入模块1，与中央控制模块3连接，用于通过操作键盘输入机械手操作参数；

指令生成模块2，与中央控制模块3连接，用于通过指令选择程序进行选择生成操作指令；

中央控制模块3，与数据输入模块1、指令生成模块2、标定模块4、升降模块5、伸缩模块6、旋转模块7、抓取模块8、速度调节模块9、摄像模块10、显示模块10连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

标定模块4，与中央控制模块3连接，用于接收中央控制模块3传送的实时图像数据，并通过位置控制器对机械手坐标位置进行标定；

升降模块5，与中央控制模块3连接，用于通过升降器升降机械手的高度；

伸缩模块6，与中央控制模块3连接，用于通过伸缩结构进行机械手伸缩操作；

旋转模块7，与中央控制模块3连接，用于通过旋转轴进行机械手旋转操作；

抓取模块8，与中央控制模块3连接，用于通过夹持结构进行机械手抓取操作；

速度调节模块9，与中央控制模块3连接，用于利用速度传感器检测速度并通过速度控制器调节机械手操作速度；

摄像模块10、与中央控制模块3连接，用于通过摄像机实时获取机械手末端的图像；

显示模块11，与中央控制模块3连接，用于通过显示器显示智能五轴门形机械手控制系统界面及操作指令、方向、高度、工作速度数据以及获取到的机械手前方实时图像。

本发明实施例提供的指令生成模块2生成方法如下：

(1)配置机械手操作参数，并获取用户选择的需要使用的机械手命令；

(2)根据选择的所述机械手命令，确定出与所述机械手命令对应的默认参数；

(3)将所述默认参数分别分配到各个控件上，生成包含所述默认参数的待执行命令；

(4)在检测到用户对所述机械手命令操作完成的信息时，检测所述机械命令是否存在异常；若不存在异常，则生成包含所述默认参数的待执行命令；若存在异常，则输出提示信息。

步骤(2)中，本发明实施例提供的确定出与所述机械手命令对应的默认参数，包括：

确定所述机械手命令的执行参数，其中，所述执行参数表征了机械手执行过程中达到的条件；

根据所述机械手当前的状态，确定所述机械手对应的状态参数；

将所述执行参数以及所述状态参数作为所述默认参数。

步骤(3)中，本发明实施例提供的在生成包含所述默认参数的待执行命令之后，所述方法还包括：

取出已生成的各个待执行命令中的数据；检测每一条待执行命令中的数据是否准确；在所述待执行命令中的数据准确时，生成所述机械手能够识别的执行命令；将所述执行命令发送至机械手执行。

本发明实施例提供的标定模块4标定方法如下：

1)当机械手旋转时，获得机械手坐标系和相机坐标系，并将机械手坐标系和相机坐标系的原点重合；

2)分别计算x、y轴方向上像素距离与机械手距离的比例关系；

3)将相机坐标转换成机械手坐标，得到机械手坐标。

本发明实施例提供的机械手坐标(δx机、δy机)的计算公式为：

δx机＝((x移动-x原点)*cosθ-(y移动-y原点)*sinθ)/scale_x

δy机＝((x移动-x原点)*sinθ+(y移动-y原点)*cosθ)/scale_y；

其中，(x移动、y移动)为旋转后的目标像素坐标，scale_x为x轴方向上像素距离与机械手距离的比例，scale_y为y轴方向上像素距离与机械手距离的比例，θ为机械手坐标系和相机坐标系的夹角；

所述机械手坐标系和相机坐标系的夹角通过计算机械手旋转的角度得到。

步骤2)中，本发明实施例提供的比例关系计算方法具体包括：

将机械手沿x轴移动一段距离a，分别计算相机在x轴方向上的偏移量δx_1和y轴方向上的偏移量δy_1，得到x轴方向像素距离与机械手距离的比例：

将机械手沿y轴移动一段距离b，分别计算相机在x轴方向上的偏移量δx_2和y轴方向上的偏移量δy_2，得到y轴方向像素距离与机械手距离的比例：

如图2所示，本发明实施例提供的智能五轴门形机械手控制方法具体包括：

s101，利用操作键盘输入机械手操作参数；利用指令选择程序进行选择生成操作指令；利用基于数字稳像算法的摄像机实时获取机械手末端的图像；

s102，利用位置控制器、摄像机获取的机械手末端的图像对机械手坐标位置进行标定；利用升降器升降机械手的高度；利用伸缩结构进行机械手伸缩操作；利用旋转轴进行机械手旋转操作；利用夹持结构进行机械手抓取操作；

s103，利用速度传感器检测机械手移动的速度，并利用基于矢量控制的速度控制器调节机械手操作速度；

s104，利用显示器显示智能五轴门形机械手控制系统界面及操作指令、方向、高度、工作速度数据以及获取到的机械手前方实时图像。

步骤s103中，本发明实施例提供的数字稳像算法具体包括：

(1)从静态背景上提取检测块；

(2)通过跟踪这些检测块得到帧间全局运动参量；

(3)计算补偿矩阵并补偿原图像的抖动得到运动补偿帧；

(4)变换补偿帧的邻帧图像对补偿帧进行修补。

本发明实施例提供的数字稳像算法还包括：

采用估计的当前时刻的全局运动参量pt＝(a,b,c,d)^t将前帧it-1，的坐标变换回当前帧it，的坐标，得到运动补偿前帧，以补偿背景的运动，变换图像为：

式中x表示当前帧it中像素的坐标矢量，表示it-1中像素的坐标矢量，图像变换采用双线性插值，表示使得运动补偿前帧与当前帧it最佳匹配的全局运动变换矩阵：

然后计算补偿前帧与it的绝对差分图像，可表示为：

利用绝对差分图像检测并分离出it中的运动物体区域，并从剩余背景区域中选取检测块用于下一轮的全局运动估计。

本发明工作时，首先，通过数据输入模块1利用操作键盘输入机械手操作参数；通过指令生成模块2利用指令选择程序进行选择生成操作指令；通过摄像模块10实时获取机械手末端的图像，并将获取到的图像传送至中央控制模块3；其次，中央控制模块3接收摄像模块10传送的实时图像数据，中央控制模块3通过标定模块4以及接收的摄像模块10传送的机械手实时图像数据，利用位置控制器对机械手坐标位置进行标定；通过升降模块5利用升降器升降机械手的高度；通过伸缩模块6利用伸缩结构进行机械手伸缩操作；通过旋转模块7利用旋转轴进行机械手旋转操作；通过抓取模块8利用夹持结构进行机械手抓取操作；然后，通过速度调节模块9利用速度传感器检测机械手的速度并利用速度控制器调节机械手操作速度；最后，通过显示模块11利用显示器显示智能五轴门形机械手控制系统界面及操作指令、方向、高度、工作速度数据以及获取到的机械手前方实时图像。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。