[发明专利]一种机械臂示教系统和方法

权利要求书

1.一种机械臂示教系统，其特征在于，该系统包括视觉运动捕捉模块、计算机工作站、示教装置和机械臂，其中：

所述视觉运动捕捉模块包括若干个红外摄像机；其中，每个红外摄像机通过数据交换设备连接到计算机工作站，进一步将每个红外摄像机处理所得的数据同步传输到计算机工作站；

所述计算机工作站包括计算机主机，以及运行在计算机主机内的控制软件，通过所述控制软件对计算机主机接收到的所有数据进行处理；

所述控制软件包括用于处理数据的数据处理模块、用于对机械臂进行运动路径规划的机械臂控制模块、用于对机械臂进行标定的机械臂标定模块和用于显示或回放机械臂运动过程的可视化模块；

示教装置上设有若干个示教标记点；示教装置在示教的过程中，该装置上设有的若干个示教标记点共同构成一个刚体，经由视觉运动捕捉模块进行拍摄并传输到计算机工作站，由计算机工作站进一步处理得到所述刚体的空间坐标，然后根据所述空间坐标得到示教装置末端的空间姿态；

所述机械臂的每个关节上均设有关节标记点；所述机械臂连接到计算机工作站；在示教装置进行示教的过程中，所述计算机工作站根据处理所得的示教装置末端的空间姿态数据，对机械臂进行运动路径规划，并驱动机械臂末端按照规划好的路径，完成相应的运动；其中，在进行路径规划前，需利用机械臂上设有的多个关节标记点，对机械臂进行标定；

在机械臂标定模块中，对机械臂进行运动学参数标定，其中，标定的过程具体为：

首先，用户输入的机械臂各关节杆件尺寸的设计值到计算机主机中，所述机械臂标定模块利用改进的D-H模型的构建方法和用户输入的数据，得到机械臂D-H参数的理想值；当前处理模块中，根据所得的机械臂D-H参数的理想值，对机械臂进行运动学建模，从而通过运动学正向解算过程计算出机械臂末端的理想位姿值；

然后，通过机械臂控制模块控制机械臂末端运动，其中，在机械臂运动的过程中，利用视觉运动捕捉模块识别机械臂上的每个关节标记点，并将其进一步传输到机械臂标定模块；在该模块中，根据接收到的关节标记点数据，计算得到机械臂各个关节点的实际旋转角度值，以及机械臂末端的实际位姿值；利用当前所得的机械臂末端的实际位姿值，与先前得到的机械臂末端的理想位姿值，构建机械臂末端的位姿误差；

最后，利用深度学习优化算法对机械臂末端的位姿误差进行迭代优化，通过不断修正机器臂上各个相邻杆件的D-H参数，使得优化算法收敛；迭代结束后输出最优的D-H参数，根据最优的D-H参数对机械臂的运动规划进行调整，所述D-H参数包括机械臂各个关节点的旋转角度与杆件的长度；

一种机械臂示教方法，包括以下步骤：

S1、搭建视觉运动捕捉模块，并标定摄像机系统的空间坐标系；其中，以机械臂为中心，呈环形布置并搭建若干台红外摄像机，每台摄像机的中心均对准机械臂；

S2、通过机械臂控制软件控制机械臂末端运动，同时利用搭建好的红外摄像机捕捉并传输机械臂上的每个关节标记点的坐标位置到机械臂标定模块中，该模块利用接收到的数据对机械臂进行标定；

S3、标定完成后，示教装置开始进行示教；示教过程中，利用视觉运动捕捉模块获取示教标记点所构成的刚体的空间坐标，并将其传输至数据处理模块，利用数据处理模块计算示教装置末端的空间姿态；

S4、机械臂控制模块根据数据处理模块中，计算得到的示教装置末端的运动轨迹的空间姿态数据，对机械臂进行运动路径规划，驱动机械臂末端沿着规划好的路径完成相应的运动；其中，在机械臂运动的过程中，与可视化模块连接的显示终端，对机械臂的运动过程进行实时显示。

2.根据权利要求1所述的机械臂示教系统，其特征在于，所述示教装置还包括控制开关和无线通信模块；其中，所述无线通信模块与计算机工作站无线连接；控制开关连接到无线通信模块，用于控制示教装置定义轨迹过程的开始和结束；当通过控制开关开启或关闭示教杆的时候，控制过程中产生的控制信号经由无线通信模块传输至计算机工作站；所述计算机工作站根据接收到的控制信号，进一步控制机械臂运动路径的开始和结束位置。

3.根据权利要求1所述的机械臂示教系统，其特征在于，在搭建若干个红外摄像机时，通过T型和L型标定工具，对由若干个红外摄像机构成的摄像机系统的空间坐标系进行标定。

4.根据权利要求1所述的机械臂示教系统，其特征在于，所述计算机工作站还包括与计算机主机相连的显示终端；所述可视化模块用于显示或回放示教过程以及机械臂运动过程，视频由显示终端进行实时显示。