[发明专利]一种连杆机械手的非定点物料视觉识别与抓取装置及方法

权利要求书

1.一种连杆机械手的非定点物料视觉识别与抓取装置，其特征在于，包括：

连杆机械手，包括底座、大臂、小臂、气动手抓、驱动底座回转的第一伺服电机、驱动大臂伸展的第二伺服电机和驱动小臂俯仰的第三伺服电机；

视觉定位采集系统，用于采集非定点物料的图像；

图像处理及姿态解算系统，用于对物料的图像进行处理换算出物料中心点在连杆机械手基坐标系下的三维坐标，计算出连杆机械手各伺服电机的转动角度，并转换为脉冲数和脉冲方向；

驱动伺服系统，将脉冲数和脉冲方向转换为相应的电平变换，控制连杆机械手使其末端到达指定位置完成物料的抓取工作；

所述图像处理及姿态解算系统包括：

图像处理模块，用于对非定点物料的图像进行处理与解算获得物料中心点在相机坐标系下的三维坐标；

位姿转换模块，根据相机坐标系与连杆机械手坐标系之间的位姿变换关系，换算出物料中心点在连杆机械手基坐标系下的三维坐标；

位姿计算模块，根据物料中心点在连杆机械手基坐标系下的三维坐标，解算出连杆机械手各伺服电机的转动角度，并将旋转角度换算为脉冲数和脉冲方向；

位姿计算模块解算出连杆机械手各伺服电机的转动角度具体为：

机械手的简化模型中，包括腰部回转、大臂和小臂的俯仰以及手腕的翻转四个自由度，即各杆件通过4个转动副连接而成的机构；在三维坐标中，对机械手进行D-H模型建立和真运动学求解；

该连杆机械手在工作空间范围内运动的过程中，手腕末端的姿态式相对基座始终保持中不变，在进行运动学分析时，将末端手腕部分与小臂看成一个整体，从而简化掉一个自由度；

坐标系{O_i-1}到坐标系{O_i}间每次变换的齐次变换矩阵为：

经过变换，手腕中心到基坐标系的几次变换矩阵为：

得末端位置方程为：

由得：

设手腕末端点的位姿矩阵为：

其中：n为法向向量，o为滑动向量，a为机械手接近向量，p为机末端位置向量；

令第三行第四列对应元素相等：

令第二行第一列和第二行第三列的元素分别对应相等：

得：

令第二行第四列的元素分别对应相等得：

联立(4)式和(7)式得：

解得：

即：

联立(6)式和(10)式得：

其中，为第一伺服电机的转动角度，为第二伺服电机的转动角度，为第三伺服电机的转动角度，是末端坐标系的x轴与连杆机械手基座标系z轴的余旋，是末端坐标系y轴与连杆机械手基座标系z轴的余弦，为物料抓取中心在连杆机械手基坐标系下的三维坐标值，末端坐标系为以气动手抓中心为原点建立的坐标系。

2.如权利要求1所述的连杆机械手的非定点物料视觉识别与抓取装置，其特征在于，所述视觉定位采集系统包括：支撑机构、设置在支撑机构上的工业相机和环形光源。

3.如权利要求1所述的连杆机械手的非定点物料视觉识别与抓取装置，其特征在于，所述驱动伺服系统包括：

下位机，将脉冲数、脉冲方向和电机使能指令转换为相应的脉冲信号，发送给伺服驱动器；

伺服驱动器，根据脉冲信号驱动相应的伺服电机完成对连杆机械手的控制，使其末端到达指定位置完成物料的抓取工作。

4.如权利要求2所述的连杆机械手的非定点物料视觉识别与抓取装置，其特征在于，所述支撑机构包括：底座、竖杆、两根横杆和连接件；所述竖杆设置在底座上，两根横杆分别通过相应的连接件与竖杆转动连接，所述连接件上设有调整旋钮用于将横杆锁紧；所述工业相机和环形光源分别安装在相应的横杆上，环形光源设置在工业相机的正下方。

5.如权利要求3所述的连杆机械手的非定点物料视觉识别与抓取装置，其特征在于，所述下位机采用STM32，安装有RTOS实时操作系统，采用消息队列的方式接收数据。