[发明专利]一种基于认知系统的工业机器人及其控制方法

权利要求书

1.一种基于认知系统的工业机器人，其特征在于：包括机器人认知系统和机器人运动控制系统；

所述的机器人认知系统包括认知模型模块、视觉识别模块、工作空间模块与任务控制模块，视觉识别模块与认知模型模块相连接，认知模型模块与工作空间模块相连接，工作空间模块与任务控制模块相连接，任务控制模块与机器人运动控制系统相连接；

所述的机器人运动控制系统包括伺服驱动系统、运动控制系统与运动规划系统，伺服驱动系统与运动控制系统相连接，运动控制系统与运动规划系统相连接，所述的运动规划系统与机器人运动控制系统相连接；

所述的机器人运动控制系统控制工业机器人进行运动。

2.根据权利要求1所述的一种基于认知系统的工业机器人，其特征在于：所述的伺服驱动系统用于驱动伺服电机；

所述的运动控制系统用于对机器人运动过程中的误差进行控制；

所述的运动规划系统用于对机器人的运动进行插补运算。

3.根据权利要求1所述的一种基于认知系统的工业机器人，其特征在于：

所述的认知模型模块由若干认知模型组成，认知模型由模型属性与模型行为组成；

所述的视觉识别模块利用模式识别的方式提取特征，与模型系统中具体某一模型的模型特征进行对比，识别相关对象；

所述的工作空间模块是一个以机器人为中心的虚拟三维空间，识别到的认知模型会在这个空间中按照现场的坐标位置进行重构；

所述的任务控制模块对发送给机器人的任务进行解析处理，生成任务流程。

4.根据权利要求3所述的一种基于认知系统的工业机器人，其特征在于：

所述的模型属性是客观实物在某一方面表现出的一种现象，但是在实际应用中，只选择具有代表性的，能够区分该客观实物与其他客观事物的属性作为模型属性；

所述的模型行为是两个相互作用的事物之间所存在的联系的一种具体实现；所述的模型行为必须包含两个模型与一个动作。

模型属性中包含了模型特征；在模型属性所表现的现象当中，有一些属性的局部表现出与众不同的特性，可以作为区分客观实物的依据，这些局部特性就是模型特征。

5.根据权利要求3所述的一种基于认知系统的工业机器人，其特征在于：

所述的工作空间模块中的工作空间是一个虚拟三维空间，其原点是机器人基坐标系的原点，可以用笛卡尔坐标系、柱坐标系与球坐标系来描述；当前参与任务的认知模型会按照视觉识别得到的位置在工作空间中进行重构，以得到一个作业现场的映射；

所述的任务控制模块是一种人机交互语言，以认知模型为基本单元，通过模型之间的行为联系各个模型，描述整个任务过程；同时，其将每个参与任务的行为都通过运动轨迹规划来实现，使整个任务流程从认知层面转换到机器人执行的层面。

6.根据权利要求1所述的一种基于认知系统的工业机器人的控制方法，

其特征在于按以下步骤进行：

(1)、建立认知模型：

在认知模块的认知模型库中分别建立机器人、机床、夹具、目标工件、上料区与下料区的认知模型：

a、认知模型名称：机器人；模型属性：外形属性和位置属性；模型行为：连接和末端移动；

b、认知模型名称：机床；模型属性：外形属性和位置属性；模型行为：夹持工件和加工；

c、认知模型名称：夹具；模型属性：外形属性和位置属性；模型行为：被连接和夹持工件；

d、认知模型名称：目标工件；模型属性：外形属性和位置属性；模型行为：被加工、被夹持和被放置；

e、认知模型名称：上料区；模型属性：外形属性和位置属性；模型行为：放置工件；

f、认知模型名称：下料区；模型属性：外形属性和位置属性；模型行为：放置工件；

(2)、设置特征：

在创建以上几种认知模型后，根据视觉识别模块的需要，为每一个模型设置合理的特征，以便识别；由于机床上下料中的各个模型的外形属性都差别较大，只用提取其边缘外形特征，就能有效的加以识别；

(3)、图像识别与模型位置属性：

视觉识别模块利用工业相机对周围环境进行图像信息采集，从图像信息中提取定义好的特征，对模型进行识别；同时，根据多个图像的信息进行计算后得到各个模型的位置属性；

(4)、虚拟现场工作环境：

利用已经得到的模型属性，在工作空间中按照相关参数进行重构显示：

a.以机器人的基坐标系为工作空间的坐标系；

b.根据各个模型的外形属性进行三维建模；

c.再根据各个模型的位置属性在工作空间中进行定位；

通过以上步骤，得到一个虚拟的现场工作环境；同时，由于模型行为的定义，工作空间中的模型之间已经有了相互作用的关系；但是一个具体的加工过程需要一系列确定的相互作用关系与时间顺序；

(5)、设置任务流程：

在任务控制模块中，针对该工件的加工工艺对任务流程进行设置：

a.机器人与夹具连接；

b.机器人末端移动到上料区；

c.夹具夹持目标工件；

d.机器人末端移动到机床加工区；

e.机床夹持目标工件，夹具松开目标工件；

f.机器人末端移动到安全区域等待，机床开始加工；

g.机床加工完毕，机器人末端移动到加工区域；

h.夹具夹持目标工件，机床松开目标工件；

i.机器人末端移动到下料区；

j.夹具松开目标工件；

k.机器人末端移动到上料区；

从步骤b至步骤k为一个循环，机器人获得参与任务的模型之间的确定联系以及模型行为发生的时间顺序；

(6)、从认知层成转换到执行层面：

运动控制系统将机器人的移动行为通过运动轨迹规划实现，而夹具的夹持、机床的夹持与加工行为则通过PLC控制信号实现，将整个任务流程从认知层面转换到机器人执行的层面；

(7)、完成上下料：

运动控制系统控制机器人进行工作，完成机床上下料过程；

(8)、设备布局发生变化的调整：

若根据生产的需要，设备的布局发生了变化，在这种情况下只需在视觉识别模块中对模型的位置属性进行重新识别，在工作空间中重新生成虚拟工作环境，修正位置属性后就能立即进行工作，省去了大量示教的时间；

(9)、目标工件发生变化的调整：

若根据生产的需要，目标工件发生了变化，则只需更新目标工件的模型属性中的外形属性，并添加相应的夹具模型，就能快速配置机器人应用，提高研发效率。