CN107116554B - 一种仿生灵巧手确定目标物体形状和位置的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种仿生灵巧手确定目标物体形状和位置的装置与方法，其中用于确定目标物体形状和位置的物体测量装置包括接近觉传感器组、传感器移动装置和计算装置。本发明将传感器安装在手掌上，通过接近觉传感器获取目标物体的形状和位置参数信息，进而定位目标物体。本发明可以减少灵巧手对外界环境设备的依赖，增强可使用性，同时节约成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种灵巧手，特别是能够确定目标物体形状和位置的仿生灵巧手，属于机器人技术领域。
背景技术
仿生灵巧手在进行精度抓取物体作业时，为使灵巧手准确的识别物体的形状及位姿，通常采用视觉传感器的方式识别定位目标物体。这样使得目标识别与定位的过程复杂，成本高，影响最终的作业效果。
专利文献1(中国专利申请号201610676653.0)提供了一种基于视觉的目标定位以抓取物体的方法，该方法通过相机扫描物体，选取机械手抓取点位，通过相机坐标系和机械手坐标系的转换，使机器人实现抓取作业。该机械手是视觉传感器进行目标定位，且视觉传感器位于外置的环境中。
现有技术的仿生灵巧手进行目标参数获取时，通常使用视觉传感器，需要在环境布置很多摄像机，成本高，对外界环境的要求高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于仿生灵巧手获取目标物体形状和位置参数的方法，传感器置于手掌，减少灵巧手对环境的依赖；不需要视觉传感器，降低成本。
本发明采用如下的技术方案实现。
一种物体测量装置，包括：
接近觉传感器组，其能够检测目标物体在一个二维平面的数据；
传感器移动装置，其能够驱动所述接近觉传感器组完成所述目标物体的多个维度的测量；
计算装置，其能够根据所述多个维度的测量得到的数据计算所述目标物体的形状参数和/或位置参数。
优选地，所述接近觉传感器组以点阵方式排布传感器的收发单元。
优选地，所述移动装置在所述接近觉传感器组中的每一个传感器均无信号时，向任意方向移动；在所述接近觉传感器组的一边的传感器有信号时，向有信号的一侧移动。
优选地，所述接近觉传感器组包括接近传感器、测距传感器和/或姿态传感器。
优选地，所述多个维度为六个维度，所述接近觉传感器组队所述目标物体进行六次扫描
本发明还提供一种仿生灵巧手，其适用于进行抓取物体作业，其包括手掌、手指，以及根据以上技术方案中任一项所述的物体测量装置；
所述物体测量装置的接近觉传感器组安装在所述手掌上，所述手掌驱动所述接近觉传感器组完成对要抓取物体的多个维度的测量，为所述仿生灵巧手完成抓取作业提供信息要求。
优选地，所述接近觉传感器组在所述手掌接近边缘的部分安装一圈接近传感器。
优选地，所述接近觉传感器组沿所述手掌的外径基本对称地安装，这样在扫描的过程中，同一地方会被扫描两次，最终结果取两组数据的平均值。
本发明还提供一种机器人系统，其包括根据以上技术方案之一所述的仿生灵巧手，并且不包括视觉传感器。
本发明还提供一种以上技术方案之一所述的仿生灵巧手测量物体的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S11：移动手掌，使接近传感器从一个维度面扫描物体，得到物体一个方向的形状与位置信息；
步骤S12：一旦传感器丢失信息，即手掌远离了物体，则手掌转向扫描物体的另一个维度；
步骤S13：判断是否全部维度扫描完毕，若全部维度未扫描完毕，则转到步骤S11；若已经得到目标物体六个维度的参数，则相当于得到了目标物体的形状，继而计算出目标物体的位置和姿态，转到步骤S14；
步骤S14：求出目标物体的中心点在世界坐标系下的坐标及坐标系，完成目标定位作业。
通过以上技术方案，本发明提供了一种用于仿生灵巧手获取目标物体形状和位置参数的方法，将传感器安装在手掌上，通过接近觉传感器获取目标物体的形状和位置参数信息，进而定位目标物体。可以减少灵巧手对外界环境设备的依赖，增强实用性，同时节约成本。
附图说明
图1是目标物体的六个维度面示意图。
图2是根据本发明的灵巧手探测目标原理图。
图3是根据本发明的灵巧手基于接近觉传感器定位目标的流程图。
图4是根据本发明的灵巧手探测目标原理图。
具体实施方式
灵巧手在抓取目标物体前，需要获得精确的目标物体的形状和位置参数。为此，本发明借鉴盲人无视觉能力的思路，在灵巧手手掌安装一圈接近传感器，其形成的接近觉传感器组是用来检测在一定距离内有没有物体，可用于物体的抓取和避障。一般接近传感器的测量精度可以达到0.1mm，测量范围在10-100mm之间，输出为标准电压信号。接近觉传感器可扫描出传感器前方是否有物体，以及物体和传感器的距离，这样就可以得到物体在一个维度面上的形状参数，众所周知，空间物体共有六个维度面(如图1所示)，所以经过六次扫描后，就可以得到整个物体的形状参数；位置参数方面，灵巧手本身的位置参数已知，且又得到了灵巧手与目标物体的相对位置参数，这样就可以计算出物体的位置。当得到整个目标物体的形状和位置后，就可计算出目标物体的中心点在世界坐标系下的坐标，继而可以依据一定的标准得到物体坐标系。
本领域技术人员能够理解，虽然以上实施方式中的接近觉传感器采用接近传感器，然而本发明不仅局限于此。在可选的实施方式中，所述仿生灵巧手还能够将具有同样功能的测距传感器和姿态传感器以各种形式安装在手指或手掌上。
图2所示是灵巧手手掌接近觉传感器装置的安装方法。图中黑色部分为接近觉传感器组安装区域，为保证结果的准确度，需沿手掌外径对称安装传感器，这样在扫描的过程中，同一地方会被扫描两次，最终结果取两组数据的平均值。整个区域以点阵方式排布传感器收发单元，以保证测量精度。
根据本发明的灵巧手的手掌在扫描目标物体的过程中按照如下移动规则：传感器均无信号时，向任意方向移动；一边的传感器有信号时，向有信号的一侧移动。
本领域技术人员能够理解，虽然以上实施方式中的接近觉传感器组采用沿手掌外界对称安装的传感器，在扫描的过程中，同一地方会被扫描两次，然而本发明并不局限于此。在可选的实施方式中，所述接近觉传感器组还可以在手掌外径对称安装多于两个的接近传感器，这样在扫描的过程中，同一地方会被扫描多次，最终结果取多组数据的平均值。
图3为目标物体参数获取的总流程图，过程如下。
步骤S11：移动手掌，使接近传感器从一个维度面扫描物体，得到物体一个方向的形状与位置信息。
步骤S12：一旦传感器丢失信息，即手掌远离了物体，则手掌转向扫描物体的另一个维度。
步骤S13：判断是否全部维度扫描完毕，若未扫描完毕，则转到步骤S11；若已经得到目标物体六个维度的参数，则相当于得到了目标物体的形状，继而计算出目标物体的位置和姿态，转到步骤S14。
步骤S14：求出目标物体的中心点在世界坐标系下的坐标及坐标系，完成目标定位作业。
本领域技术人员能够理解，虽然以上实施方式中的手掌的初始条件并未限定，可以根据移动规则在传感器均无信号时向任意方向移动，直到有一边的传感器有信号，然而本发明并不局限于此。在优选的实施方式中，所述手掌的初始位置可以设置为有一边的传感器有信号的位置，并且所述手掌在向有信号的一侧移动时，所述手掌能够完成所述目标物体在一个二维平面的测量。
在可选的实施方式中，所述手掌的初始位置可以设置为传感器均无信号的位置，但同时设置了初始运动方向，并且所述手掌在向初始运动方向移动时，所述手掌能够完成所述目标物体在一个二维平面的测量。
图4为灵巧手探测目标物体形状的示例图，其中(a)为侧视图，(b)为正视图。假设目标物体为一椭球(-12<＝x<＝12)。传感器同一时刻只能检测一个二维平面的数据(图示为xOz平面)。
步骤S21：灵巧手手掌位于目标物体-X方向，四边接近觉传感器均无信号输出；
步骤S22：右侧传感器率先进入目标区域，检测到前方有物体(图中竖线处，x＝-10)，测出物体y方向距离dy1(1…n)；
步骤S23：灵巧手继续向+x方向移动，左侧传感器检测到同一x位置的dy2(1…n)；
步骤S24：为减小测量误差，在x＝-10时，定义y方向传感器与物体的距离为dy(x＝-10)＝0.5*(dy1+dy2)
步骤S25：同理，当X值为其他值时，遵循同样标准求出dy的值，即dy(1)——dy(n),构造dy矩阵；
步骤S26：由dy矩阵和灵巧手的位置坐标，可以构造出在世界坐标系下目标物体的一个维度的表面形状和位置信息。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种仿生灵巧手测量物体的方法，所述仿生灵巧手适用于进行抓取物体作业，包括手掌、手指，以及物体测量装置；
所述物体测量装置，包括：
接近觉传感器组，其能够检测目标物体在一个二维平面的数据；
传感器移动装置，其能够驱动所述接近觉传感器组完成所述目标物体的六个维度的测量；
计算装置，其能够根据所述六个维度的测量得到的数据计算所述目标物体的形状参数和位置参数；
所述接近觉传感器组包括在所述手掌接近边缘的部分安装的一圈接近传感器；
所述接近觉传感器组沿所述手掌的外径基本对称地安装，这样在扫描的过程中，同一地方会被扫描两次，最终结果取两组数据的平均值；
所述物体测量装置的接近觉传感器组安装在所述手掌上，所述手掌驱动所述接近觉传感器组完成对要抓取物体的六个维度的测量，为所述仿生灵巧手完成抓取作业提供信息要求；
所述方法包括以下步骤：
步骤S11：移动手掌，使接近传感器从一个维度面扫描物体，得到物体一个方向的形状与位置信息；
步骤S12：一旦传感器丢失信息，即手掌远离了物体，则手掌转向扫描物体的另一个维度；
步骤S13：判断是否全部维度扫描完毕，若全部维度未扫描完毕，则转到步骤S11；若已经得到目标物体六个维度的参数，则相当于得到了目标物体的形状，继而计算出目标物体的位置和姿态，转到步骤S14；
步骤S14：求出目标物体的中心点在世界坐标系下的坐标及坐标系，完成目标定位作业；
其中，所述步骤S11进一步包括以下步骤：
步骤S21：灵巧手手掌位于目标物体-X方向，一圈接近传感器均无信号输出；
步骤S22：右侧传感器率先进入目标区域，检测到前方有物体，测出物体y方向距离dy11、dy12…dy1n；
步骤S23：灵巧手继续向+x方向移动，左侧传感器检测到同一x位置的dy21、dy22…dy2n；
步骤S24：为减小测量误差，在x＝-10时，定义y方向传感器与物体的距离为dy(x＝-10)＝0.5*(dy11 +dy21 ) 、 0.5*(dy12+dy22) 、 …… 、 0.5*( dy1n+dy2n ) ；
步骤S25：同理，当x值为其他值时，遵循同样标准求出dy的值，构造dy矩阵；
步骤S26：由dy矩阵和灵巧手的位置坐标，构造出在世界坐标系下目标物体的一个维度的表面形状和位置信息。
2.根据权利要求1所述的仿生灵巧手测量物体的方法，其特征在于，所述接近觉传感器组以点阵方式排布传感器的收发单元。
3.根据权利要求2所述的仿生灵巧手测量物体的方法，其特征在于，所述移动装置在所述接近觉传感器组中的每一个传感器均无信号时，向任意方向移动；在所述接近觉传感器组的一边的传感器有信号时，向有信号的一侧移动。
4.根据权利要求1所述的仿生灵巧手测量物体的方法，其特征在于，所述接近传感器能够被替换为测距传感器或姿态传感器。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的仿生灵巧手测量物体的方法，其特征在于，所述接近觉传感器组对所述目标物体进行六次扫描。
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