[发明专利]基于Kinect深度摄像头的工业机械臂实时避障规划抓取系统

说明书

本发明公开了一种基于Kinect深度摄像头的工业机械臂实时避障规划抓取系统，结合计算机视觉技术，通过Kinect摄像头来对工业机械臂周围的生产环境进行动态的感知，检测和追踪环境中动态障碍物，再通过边缘检测算法得到动态障碍物的边缘信息。通过更新动态障碍物的包围盒，采用LazyPRM算法来实现动态避障规划以及物体抓取作业。本发明使得工业机械臂具备更加智能的感知生产环境的变化的能力，有效的提升了生产安全性以及工业机械臂作业的智能化程度，为未来的智能化工厂基本实现智能化和互联化提供了一个可行的方案。

技术领域

本发明涉及工业机械臂的应用领域，尤其是指一种基于Kinect深度摄像头的工业机械臂实时避障规划抓取系统。

背景技术

自从20世纪60年代初期第一台工业机器人出现以来，它就一直是代替流水生产线上工人的最佳手段。经过半个多世纪的发展，工业机器人已经在越来越多的生产领域中发挥了巨大的作用。但是，简单地将工业机器人直接搭载到流水生产线上去完成作业具有很大的局限性。特别是随着信息技术的发展和更新，工业机器人通过传统的离线式编程和完成固定不变作业的生产方式已经越来越不能满足现在多品种少批量的生产需要。工业机器人要感知动态环境信息必须依赖于机器视觉，在工业机械臂作业过程中，由于工业机械臂是通过离线式编程，对工作环境中的动态障碍物不能有效的识别和躲避。

作为全球的工业机器人大国，日本对于工业机器人的研究始于1980年。在引入美国的机器人技术之后，日本很快就将工业机器人应用到以汽车工业为代表的制造业中。尤其是20世纪80年代中期到90年代中期，工业机器人应用数量迅速增长，使得日本在很长的一段时间里保持世界领先的工业机器人持有量。日本的工业机器人生产厂商主要有Fanuc、安川、那智不二越、松下、川崎等公司，这些公司都非常专注于工业机器人产品研究与应用开发。Fanuc智能化机床，所使用的上下料均采用工业机器人及其组件。德国Kuka机器人公司也是世界上顶级的工业机器人制造商之一。Kuka生产的工业机器人现在已经广泛应用于汽车、航天等领域中的装配、包装、焊接、表面修整等。基于协作的Kuka工业机器人系统已经被广泛地应用于大众汽车装配生产过程中。

上世纪70年代初期，我国也开始了工业机器人研究，现在已经掌握了工业机器人本体设计制造技术，开发出了一大批用于点焊、装配、搬运、切割作业的工业机器人，以及双足机器人、无缆深潜机器人、遥控移动作业机器人等。尽管我国在工业机器人的结构设计、架构研发及零件制造等方面与国外产品有较大的差距，但是在智能化应用方面却与国外先进水平逐渐靠近。

2013年4月，德国政府在汉诺威工业博览会上，正式提出了其建立高度自由的数字化和个性化产品及服务的生产模式——工业4.0战略。工业4.0战略作为第四次工业革命，其最明显的标识就是信息物理系统(Cyber-Physical System，CPS)。CPS是整个计划的基础，充分利用其进行各类信息交互，以达到将制造业向智能化转型的目的。所以实施工业4.0战略的关键原因就在于实现智能工厂，主要是实现智能化生产系统及过程的网络化分布式生产。在智能工厂中，数字世界和物理世界(包括工业机器人、输送机、仓储系统、生产设施)能实现无缝融合，其最大的特点就是制造业中所有参与者及生产资源的高度技术互动，同时将个人客户及产品的独特特性融入到产品生产的各个阶段中。作为“世界工厂”的中国随着人口红利的不断消失，以及社会发展的需求，为应对外部环境对制造业的冲击，中国政府提出了我国信息化和工业化深度融合的发展战略——中国制造2025，这也标志着中国正式开展了以中国制造2025为指导的智能化制造，中国制造2025可以说为中国工业信息化和智能化发展及经济的又一次腾飞指明了方向。

根据中国制造2025战略，可以看出我国未来的工业发展方向主要是实现生产制造过程的智能化与生产要素的网络化。据此，本专利申请在智能制造和网络互联两个主要关注点上，提出了基于Kinect深度摄像头的一种工业机械臂动态避障规划系统：通过深度摄像头来获取实时环境的变化，通过帧差法计算得到运动物体的位置和大小，实现了机械臂在动态环境中避障规划，使得机械臂能够在物体抓取作业中具有更强的鲁棒性以及环境适应性。