一种机器人计算避开干涉拾取位置的方法.pdf

精密制造与自动化 2017年第2期 19 一种机器人计算避开干涉拾取位置的方法 杨恒亮 王 鑫（上海发那科机器人有限公司 上海 201206）摘 要 介绍了一种机器人对料框中散堆工件计算拾取位置的方法。通过对机器人手爪和料框的建模，可以判断在拾取工件时，机器人手爪和料框壁是否存在干涉。如果干涉，那么机器人将根据搜索策略获得一个不存在干涉的拾取位置，从而提高散堆取件拾取的成功率。关键词 机器人 散堆取件 干涉判断 随着机器视觉技术和机器人结合越来越紧密，视觉系统已经被广泛应用在机器人搬运、涂胶、焊接之中，起到读取信息，补正机器人工作位置和检测尺寸等作用1-3。使用视觉系统实现机器人对料框中散乱堆放工件进行分拣拾取是近年重点研究的技术，可以被广泛应用在诸如金属零部件加工生产线的线首上料、小型零部件加工装配分拣和从料框中分拣物流商品等多种行业中。机器人拾取散堆在料框中的工件系统如图 1 所示，手爪安装在机器人末端法兰上，工件随机摆放在料框中。3D 视觉系统使用专业视觉厂商开发出的基于结构光大范围 3D 视觉系统，例如Enshape，Pick it 3D4、Visio Nerf Cirrus 3D5。虽然散乱堆放工件的视觉识别能力有了很大改善，但对料框中散堆工件进行拾取仍难以自动化，主要原因是这些视觉设备仅仅能给出视觉检出的工件位置，不考虑机器人拾取工件时手爪与料框壁发生干涉的情况6，7，这样导致机器人手爪经常发生碰撞，影响正常生产效率。图图 1 机器人散堆取件系统机器人散堆取件系统 本文提出一种对料框中散堆工件计算拾取位置的方法，通过对手爪和料框建模，计算出机器人拾取工件时是否存在干涉，如果干涉将自动计算出避开干涉的拾取位置，提高拾取成功率。1 1 手爪几何建模手爪几何建模 手爪几何建模是指将机器人末端的手爪转化为几种几何形状，并以一组参数表示该几何形状的安装位置和外形尺寸。1 1.1.1 圆球形工具圆球形工具 圆球形工具模型的参数见图 2，包括半径 R，球体中心到机器人末端法兰中心坐标系的位置（cx,cy,cz）。图图 2 圆球形工具参数圆球形工具参数 1 1.2.2 圆柱形工具圆柱形工具 圆球形工具模型的参数见图 3，包括半径 R，圆柱两个端面中心到末端法兰中心坐标系的位置（c1x,c1y,c1z）,（c2x,c2y,c2z）。设计与开发 万方数据 精密制造与自动化 2017年第2期 20 图图 3 圆柱形工具参数圆柱形工具参数 1 1.3.3 六面体形工具六面体形工具 六面体形工具模型参数见图 4，包括六面体 8个端点到末端法兰中心坐标系位置（cix,ciy,ciz），其中 i 取 1 到 8 的整数。图图 4 六面体形工具参数六面体形工具参数 一个完整的手爪是由若干个模块组成的，如图5所示是由A、B、C三个不同形状的工具模块组成。其中电磁铁 A 是六面体形状的，连杆 B 是圆柱形状的，C 是圆球形状的。图图 5 手爪几何建模举例手爪几何建模举例 2 2 手爪干涉性计算手爪干涉性计算 3D 视觉系统检出料框中工件位置后，提供给机器人一个“理想”拾取位置。这个拾取位置是不考虑手爪与料框是否会发生干涉的。本文将这个“理想”拾取位置称为基础拾取位置。干涉性计算目的是计算如果按照视觉系统给出的基础拾取位置来拾取工件，手爪是否存在干涉。2 2.1.1 料框建模料框建模 通过对料框的建模目的是将料框的尺寸和相对机器人的位置提供给机器人。料框参数见图 6，包括料框顶面到用户坐标系 UF 的高度 h1，料框深度h，顶端 4 个角在用户坐标系 UF 的 XY 投影位置为(Nix,Niy)，其中 i 取 1 至 4 的整数。用户坐标系UF 满足这些条件：（1）Z 正方向向上；（2）XOY所在的平面与料框表面或者底面平行；（3）机器人拾取点要基于该用户坐标系。图图 6 料框建模的参数料框建模的参数 2 2.2.2 空间点到料框壁的距离空间点到料框壁的距离 设空间点P（x,y,z）到图6中N1和N2所在料框壁距离d1,2。设 P 到 N1、N2 投影所在直线的垂足投影为(x0,y0），N1到N2向量为x2-x1,y2-y1，垂足(x0,y0）向料框内部垂线向量为c,n，可以表达为：c=y2-y1，n=x1-x2 （1）经过垂足(x0,y0），方向向量为c,n，由直线的参数方程可知点 P 坐标可以表达为：x=x0+ct ，y=y0+nt （2）(x0,y0）本身满足下式：Ax0+By0+C=0 （3）通过式（2）和式（3）的联立，可以得到方向向量 t：t=（Ax+By+C）（Ac+Bn）=d1,2 （4）t为整数，表示点 P 在位于料框内的一侧；t为负数，表示在料框外的一侧；t为零表示正好在料框壁上。t的绝对值表示点 P 到料框壁的距离大小。万方数据