[发明专利]基于增强现实的机器人示教方法

权利要求书

1.基于增强现实的机器人示教方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、显示虚拟机器人并建立坐标系；

S2、虚拟机器人示教；

S3、驱动真实机器人。

2.根据权利要求1所述的基于增强现实的机器人示教方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

增强现实设备将虚拟机器人投影到真实机器人上，并与真实机器人重叠；

机器人基座、机器人关节、增强现实设备坐标系、人手坐标系均采用3个互相正交的轴来表示；机器人基座坐标系xOy平面为水平方向；z轴正方向为竖直向上；机器人关节i坐标系中Z_i-1轴位于按右手规则旋转轴方向；X_i-1轴沿Z_i-1与Z_i公垂线方向；增强现实设备坐标系中Z_L轴为沿着操作者上方向；X_L轴为沿着操作者右方向；Y_L轴正方向为操作者前方向；人手坐标系中Z_H轴负方向为四指方向；X_H轴方向垂直手背向上；Y_H轴为拇指方向。

3.根据权利要求1所述的基于增强现实的机器人示教方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

1)位置和姿态模型

机器人采用Denavit‐Hartenberg(D‐H)模型，A_i表示从坐标系i-1到坐标系i的齐次坐标变换矩阵，则有：

Ai=cosθi-sinθicosαisinθisinαilicosθisinθicosθicosαi-cosθisinαilisinθi0sinαicosαiri0001---(1)]]>

其中θ_i表示在坐标变换时绕Z_i-1旋转的角度，使得X_i-1和X_i相互平行；r_i表示在坐标变换时沿Z_i-1平移的距离，使得X_i-1和X_i共线；l_i表示在坐标变换时X_i-1平移的距离，使得X_i-1和X_i的原点重合；α_i表示在坐标变换时Z_i-1绕X_i旋转的角度，使得Z_i-1和Z_i原点重合，方向一致；

对于一个具有六关节的虚拟机器人，从基座坐标系到第六个关节的齐次变换矩阵定义为：

T₆＝A₁A₂A₃A₄A₅A₆(2)

定义在t时刻虚拟机器人末端在关节空间的位置和姿态为：

X_t＝[J_1,t J_2,t J_3,t J_4,t J_5,t J_6,t]^T(3)

其中J_i,t为t时刻虚拟机器人第i个关节角；

利用式(1)，(2)对T₆进行逆运动学求解，得到初始时刻虚拟机器人各个关节角度值X₀；

从机器人末端坐标系到人手坐标系的齐次变换矩阵定义为：

A7=cosθi-sinθicosαisinθisinαilxsinθicosθicosαi-cosθisinαily0sinαicosαilz0001---(4)]]>

其中向量l为人手与机器人末端的距离；

定义Z_t为t时刻人手的位置和姿态，有：

T₆A₇＝Z_t(5)

在示教过程中，虚拟机器人跟随操作者的手指运动，即在笛卡尔状态空间里虚拟机器人末端和人手的位姿一致，通过式(4)、(5)对Z_t进行逆运动学求解得到X_t，即t时刻虚拟机器人各个关节角；

2)语音指令输入

操作者直接通过语音指令来对虚拟机器人进行微调操作，对语音进行识别，获取指令语句中的方向、操作、特征值、单位参数；对语音识别完毕后，进入意图理解部分；意图理解部分主要是将自然语言指令转化为对应的机器人控制指令；在对刚识别完的自然语言指令进行理解转化之前，要有一个最大熵分类模型，从训练语料库中提取文本特征，然后利用TF‐IDF对文本特征进行特征向量加权，将文本表示为文本特征向量，有n个词就表示为n维特征向量；然后利用最大熵算法，对文本特征向量与对应的意图输出标签的条件概率进行建模，得到分布最均匀的模型，利用公式：

p*=1Z(x)exp[Σi=1nλifi(x,y)]---(6)]]>

得到最大熵概率分布，从而完成最大熵建模，其中，f_i(x,y)为第i个特征函数，若文本向量与对应的输出标签出现在同一个样本中，则f_i(x,y)等于1，否则为0；λ_i为f_i(x,y)对应的权值，Z(x)为归一化因子；最大熵分类模型建立之后，对文本特征向量进行分类,最后得到机器人控制指令，并转化为位置和姿态微调矩阵T′：

T′=nx′ox′ax′px′ny′oy′ay′py′nz′oz′az′pz′0001---(7)]]>

其中n′_x，n′_y，n′_z，o′_x，o′_y，o′_z，a′_x，a′_y，a′_z分别是运动坐标系F_n,o,a在参考坐标系F_x,y,z三轴方向上的分量，p′_x，p′_y，p′_z表示运动坐标系F_n,o,a原点相对于参考坐标系F_x,y,z的位置；

特别地，若操作者没有进行语音指令输入，有：

T′=1000010000100001---(8)]]>

定义X′_t为t时刻虚拟机器人末端的根据语音指令微调后的理想位置和姿态，有：

T₆A₇T′＝Z′_t(9)

其中Z′_t为t时刻根据语音指令微调后人手的位置和姿态；通过求解(7)，(9)，对Z_t′进行逆运动学求解得到X′_t；

根据X′_t，虚拟机器人可到达示教指定位置。

4.根据权利要求1所述的基于增强现实的机器人示教方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

虚拟机器人到达指定位置后，由操作者确认虚拟机器人运动轨迹是否所需示教轨迹，若满足示教需求，则驱动真实机器人完成由虚拟机器人规划的运动路径；先对虚拟机器人进行快速示教，避免对真实机器人的接触。