[发明专利]一种基于智能移动平台的服务机械臂抓取姿态角计算方法

摘要

本发明公开了一种基于智能移动平台的服务机械臂抓取姿态角计算方法，属于机械臂运动控制领域，尤其涉及机械臂的姿态角分析计算。根据相机确定目标物在相机坐标系中的坐标位置；通过提前标定好的转换矩阵将目标物在相机坐标系中的坐标转换到机械臂坐标系中；通过转换后的目标物的坐标点计算目标物在机械臂坐标系中与机械坐标系中的X轴的夹角θ，通过该夹角θ与机械臂姿态中的三个分量的映射函数关系求得当前机械臂的姿态；将目标物坐标和机械臂末端姿态合成控制机械臂的目标位姿，发送给机械臂，即完成目标物抓取动作。通过目标物与机械臂坐标系X轴的夹角θ来确定姿态角中的各个分量，从而完成机械臂以指定的姿态去抓取目标物。

主权项

1.一种基于智能移动平台的服务机械臂抓取姿态角计算方法，其特征在于：该方法的实现过程如下，首先根据相机确定目标物在相机坐标系中的坐标位置；然后通过提前标定好的转换矩阵将目标物在相机坐标系中的坐标转换到机械臂坐标系中；通过转换后的目标物的坐标点计算目标物在机械臂坐标系中与机械臂坐标系中的X轴的夹角θ，然后通过该夹角θ与机械臂姿态中的三个分量的映射函数关系求得当前机械臂的姿态；然后将目标物坐标和机械臂末端姿态合成控制机械臂的目标位姿，然后发送给机械臂，即完成目标物抓取动作；通过目标物与机械臂坐标系X轴的夹角θ来确定姿态角中的各个分量，从而完成机械臂以指定的姿态去抓取目标物；所述方法包括以下步骤：步骤一，获取目标物的坐标采用显著性提取的方法来提取目标物，然后确定目标物在相机坐标系中的坐标；步骤二，转换目标物的坐标到机械臂坐标系下；在控制机械臂去完成抓取目标物的动作时，最终输入到机械臂中的目标点坐标是基于机械臂的坐标系下，所以将目标物的坐标通过转换矩阵变换到机械臂坐标系下；当机械臂和相机在移动机器人上安装完毕后，有两个坐标系：相机坐标系O_c和机械臂坐标系O_m；而且存在唯一的转换矩阵使得相机坐标系下的点转换为机械臂坐标系下的点；步骤三，建立角度‑姿态映射函数机械臂抓取目标物时，既需要目标物在O_m坐标系中的坐标，还需要抓取目标物时的抓取姿态；目标物与O_m坐标系的X轴的夹角θ和机械臂末端姿态角R(R_x,R_y,R_z)呈函数关系；通过相机获得目标物的坐标P_m(X_m,Y_m,Z_m)后，分为以下几步建立上述映射函数：1)获取不同象限多组机械臂姿态坐标在机械臂坐标系中，取Z＝a平面，a为常数；将a平面分为四个象限，在第一象限中，将机械臂移动到目标点处，然后保持机械臂腕部坐标不变，即机械臂从原点起的三个自由度保持不变，改变机械臂的姿态N次，N取值大于5，得到N组不同的机械臂位姿坐标：姿态点R＝{R₁(R_1x,R_1y,R_1z)，R₂(R_2x,R_2y,R_2z)，……,R_N(R_Nx,R_Ny,R_Nz)}，位置点P＝{P₁(X₁,Y₁,Z₁)，P₂(X₂,Y₂,Z₂),……,P_N(X_N,Y_N,Z_N)}；同理，在第二象限，第三象限，第四象限中按照相同方式获取N组不同的机械臂位姿坐标；得到4N组机械臂位姿坐标；2)计算目标物与X轴的夹角根据得到的4N组机械臂位姿坐标，取机械臂位姿坐标中的位置坐标P_m(X_m,Y_m,Z_m)计算目标物与O_m坐标系的X轴的夹角θ，计算方法如下：得到4N个夹角θ＝{θ₁，θ₂，……，θ_N}.3)确定目标物与X轴夹角与姿态角的对应关系机械臂位姿坐标在不同象限有对应关系，即在不同的象限中，姿态角的变化体现在不同的坐标轴中；为了简化计算，取二者的平均值来减少误差，得到在不同象限中各自对应的姿态角；从而有这样的映射关系：一个目标物与X轴的夹角θ就在四个不同象限中存在唯一与之对应的姿态；而目标物所在象限值根据目标物位置坐标获得，从而确定一个机械臂位姿坐标；映射关系分别定义为：第三象限R_z与第四象限R_y和夹角θ的映射关系定义为h(θ)；第二象限R_z与第一象限R_y和夹角θ的映射关系定义为f(θ)；第四象限R_x与第二象限R_y与第一象限R_z以及第三象限R_x和夹角θ的映射关系定义为g(θ)；第三象限R_y与第四象限R_z和夹角θ的映射关系定义为j(θ)；第二象限R_x与第一象限R_x和夹角θ的映射关系定义为k(θ)；4)确定各个映射函数表达式确定以上各个映射函数；通过获取到的4N组机械臂位姿坐标和求得到的4N组目标物与X轴的夹角θ数据，使用多项式，以夹角θ为自变量，以各个姿态角为变量，进行数据拟合，得到近似表达式；使用matlab得到拟合结果的表达式；由此建立夹角θ与各个象限的姿态角的函数映射关系；由此，实现由待抓物体的位置计算机械臂末端的姿态。