[发明专利]基于增强现实的机器人示教方法

说明书

技术领域

本发明属于机器人运动领域，特别涉及一种基于增强现实的机器人示教方法。

背景技术

针对在线示教过分依赖于实际环境和离线示教过分脱离实际环境，这篇发明提出了一种基于增强现实技术(Augmented Reality，AR)的机器人示教方法。该方法是综合在线示教和离线示教的一个折中的方法，其利用增强现实技术允许操作者在真实场景中对虚拟机器人进行快速示教和实时验证，即达到“所见即所得”效果。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，操作者通过佩戴增强现实设备后只需要利用自然交互方式(三维手势和自然语言)对虚拟机器人进行快速示教，待示教完毕后真实机器人只需要重复虚拟机器人的动作即可完成对真实机器人的示教。该方法避免对真实机器人的接触，既提高示教效率的同时避免示教失败时对机器人或工件产生损害，又保证了操作者的安全。

发明内容

这个发明提出了一种基于增强现实技术和自然人机交互技术的机器人在线示教方法，它允许操作者在真实场景中对利用增强现实设备显示的虚拟机器人进行快速示教和实时验证。本发明使用了非接触式的人机接口，它可以获取操作者手部的位置和姿态以及操作者的语音指令，实时在虚拟机器人验证机器人运动轨迹，最后驱动真实机器人。

本发明包括如下步骤：

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。

所述步骤S1包括以下步骤：

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。

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：

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为机器人第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：

其中向量l为人手与机器人末端的距离；