CN108247617A - 一种智能机械臂系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能机械臂系统。它包括控制系统(工控机)、数据交换机、人脸识别认证模块、手势识别控制模块、异常入侵监测模块、动态目标追踪模块和机械臂，控制系统(工控机)分别与数据交换机、人脸识别认证模块、手势识别控制模块、异常入侵监测模块、动态目标追踪模块通过数据线相连接，机械臂通过数据交换机与控制系统(工控机)相连接。它具有操作员认证功能、手势远程控制功能、异常入侵监测功能和动态作业功能，且具备智能、安全、高效、灵活等特点，可以通过视觉测量的方式，使工业机械臂具备人机交互、动态测量的能力，从而提高工业生产线的智能化水平，并且可以直接应用于智能制造、智慧工厂等。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能机械臂系统。
背景技术
机械臂是"ROBOT"一词的中文译名。根据国家标准，工业机械臂定义为"其操作机是自动控制的，可重复编程、多用途，并可以对3个以上轴进行编程。它可以是固定式或者移动式。在工业自动化应用中使用"。操作机又定义为"是一种机器，其机构通常由一系列相互铰接或相对滑动的构件所组成。它通常有几个自由度，用以抓取或移动物体(工具或工件)"。所以对工业机械臂可能理解为：拟人手臂、手腕和手功能的机械电子装置；它可把任一物件或工具按空间位姿(位置和姿态)的时变要求进行移动，从而完成某一工业生产的作业要求。如夹持焊钳或焊枪，对汽车或摩托车车体进行了点焊或弧焊；搬运压铸或冲压成型的零件或构件；进行激光切割；喷涂；装配机械零部件等等。在中国发明专利说明书CN106625697A中公开了一种基于机器视觉技术的智能桌面式机械臂系统，用于对桌面上应用模块进行识别并操控应用模块，智能桌面式机械臂系统包括上位机、下位机、机械臂与摄像头，摄像头、上位机、下位机、机械臂顺序连接，上位机包括相互联系的图像处理模块、动作指令模块与计算模块。摄像头拍摄桌面上的物体，上位机的图像处理程序识别桌面物体，结合图像处理程序识别的结果，上位机自动生成机械臂末端每一时刻的位置坐标，上位机的计算模块基于运动学逆解计算方法根据位置坐标解算出对应的关节转角，下位机控制关节运动到关节所对应的角度，从而使机械臂末端到达目标位置，执行相关任务。目前，机械臂在工业生产过程中发挥着重要作用。但是，机械臂应用中(如搬运、装配、焊接等)，缺少感知功能，难以适应复杂多变的生产环境，且多要求零部件静态固定摆放，生产效率遇到瓶颈。尤其在汽车生产中(如装配、焊接等)，很多零部件都需要通过机械手臂来进行抓取、搬运和安装，这就需要精确测量零部件的安放位置，通过预先编程实现机械手臂的盲抓、盲放或盲操作，视觉测量系统需要对零部件进行精确和快速的定位，以保证产品质量和生产效率。但是，在实际生产过程中，不仅需要测量零部件在三维空间的位置，还需要获得零部件在三维空间中的姿态。同时，由于汽车零部件种类繁多，且多数具有复杂的三维结构、尺寸差异较大，金属表面的弱纹理，这些因素对视觉测量系统带来了巨大挑战。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题在于提供一种智能机械臂系统。它具有操作员认证功能、手势远程控制功能、异常入侵监测功能和动态作业功能，且具备智能、安全、高效、灵活等特点，可以通过视觉测量的方式，使工业机械臂具备人机交互、动态测量的能力，从而提高工业生产线的智能化水平，并且可以直接应用于智能制造、智慧工厂等。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种智能机械臂系统。它包括控制系统(工控机)、数据交换机、人脸识别认证模块、手势识别控制模块、异常入侵监测模块、动态目标追踪模块和机械臂，控制系统(工控机)分别与数据交换机、人脸识别认证模块、手势识别控制模块、异常入侵监测模块、动态目标追踪模块通过数据线相连接，机械臂通过数据交换机与控制系统(工控机)相连接，控制系统(工控机)用于处理系统的数据信息，并发出控制信息，数据交换机用于交换数据信息，人脸识别认证模块包括人脸识别相机，用于负责对操作员身份进行识别认证，识别系统中预授权的具备操作资质的操作员；手势识别控制模块包括手势识别相机，用于负责对机械臂的远程操控，并进行对应的操作；异常入侵监测模块包括入侵监测相机，用于负责对整个机械臂作业环境的安全区域进行实时监测，识别可能发生的异常入侵，并发出警示信号；动态目标追踪模块包括动态测量相机，用于负责实时追踪目标的空间位姿，引导机械臂向目标运动，实时测量机械臂末端和目标之间的相对位置，不断修正机械臂的运动规划和末端运动位置、指向和速度。
所述人脸识别认证模可以实时采集工位上的人脸图像，进行人脸识别，确定当前工位上操作员的身份，从而与数据库中预存信息进行比对，针对不同身份的操作员开放不同的操作权限，同时，对操作员的操作行为和工作时间进行记录，用于后续的大数据分析。
所述手势识别控制模块可以实时追踪操作员的位置，确定操作员的手部动作，当操作员发出明确的手势指令后，暂停机械臂当前动作，修改机械臂的相关参数，然后重新启动机械臂，转为执行该手势指令对应的功能。
所述异常入侵监测模块通过入侵监测相机(摄像头)监测整个工作区域，根据安全工作需要，划定相应的安全工作区域边界和不同的入侵监测等级，根据异常入侵发生的区域，分别进行警示、减速、停止、恢复等操作。
所述动态测量相机为若干个，个数可以是两个；动态测量相机用于测量当前时刻机械臂末端与目标之间的相对位置和姿态，测量信息经解算转换为机械臂6个轴各自的运动角度，通过数据交换机发送给机械臂控制器，从而实现机械臂的控制。
所述机械臂为工业机械臂，所述机械臂上设机械臂控制器，机械臂的底座固定，有6个运动轴，运动轴均通过数据线连接至机械臂控制器。机械臂控制器通过发送6个轴各自的转动角度，控制机械臂6轴的转动，可以使机械臂末端以特定指向到达空间中的特定位置。机械臂末端的位置和指向，由机械臂6个轴各自的转动角度确定，在运动过程中不断进行动态调整。实践表明，当目标运动速度小于200mm/s时，机械臂可以完成动态目标追踪，从而保证各种操作的精确、高效执行。
所述机械臂控制器通过数据交换机与控制系统(工控机)最好是通过数据线相连接，机械臂控制器最好是通过数据线与数据交换机相连接。
与现有技术相比，本发明产生的有益效果是：由于采用了上述系统，使用时，该智能机械臂系统具备操作员认证功能、手势远程控制功能、异常入侵监测功能和动态作业功能，具备智能、安全、高效、灵活等特点；通过视觉测量的方式，使工业机械臂具备人机交互、动态测量的能力，提高工业生产线的智能化水平，可直接应用于智能制造、智慧工厂等。
附图说明
图1为本发明工作原理结构示意图；
图2为本发明工作流程图；
图中：1人脸识别认证模块、2手势识别控制模块、3异常入侵监测模块、4动态目标追踪模块、5控制系统、6数据交换机和7机械臂。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1和图2分别示出了本发明工作原理结构示意图和工作流程图。如图1所示，本发明提供了一种智能机械臂系统。它包括控制系统5(工控机)、数据交换机6、人脸识别认证模块1、手势识别控制模块2、异常入侵监测模块3、动态目标追踪模块4和机械臂7，控制系统5(工控机)分别与数据交换机6、人脸识别认证模块1、手势识别控制模块2、异常入侵监测模块3、动态目标追踪模块4通过数据线相连接，机械臂7通过数据交换机6与控制系统5(工控机)相连接，控制系统5(工控机)用于处理系统的数据信息，并发出控制信息，数据交换机6用于交换数据信息，人脸识别认证模块1包括人脸识别相机，用于负责对操作员身份进行识别认证，识别系统中预授权的具备操作资质的操作员；手势识别控制模块2包括手势识别相机，用于负责对机械臂7的远程操控，并进行对应的操作；异常入侵监测模块3包括入侵监测相机，用于负责对整个机械臂7作业环境的安全区域进行实时监测，识别可能发生的异常入侵，并发出警示信号；动态目标追踪模块4包括动态测量相机，用于负责实时追踪目标的空间位姿，引导机械臂7向目标运动，实时测量机械臂7末端和目标之间的相对位置，不断修正机械臂7的运动规划和末端运动位置、指向和速度。所述人脸识别认证模可以实时采集工位上的人脸图像，进行人脸识别，确定当前工位上操作员的身份，从而与数据库中预存信息进行比对，针对不同身份的操作员开放不同的操作权限，同时，对操作员的操作行为和工作时间进行记录，用于后续的大数据分析。所述手势识别控制模块2可以实时追踪操作员的位置，确定操作员的手部动作，当操作员发出明确的手势指令后，暂停机械臂7当前动作，修改机械臂7的相关参数，然后重新启动机械臂7，转为执行该手势指令对应的功能。所述异常入侵监测模块3通过入侵监测相机(摄像头)监测整个工作区域，根据安全工作需要，划定相应的安全工作区域边界和不同的入侵监测等级，根据异常入侵发生的区域，分别进行警示、减速、停止、恢复等操作。所述动态测量相机为若干个，个数可以是两个；动态测量相机用于测量当前时刻机械臂7末端与目标之间的相对位置和姿态，测量信息经解算转换为机械臂76个轴各自的运动角度，通过数据交换机6发送给机械臂7控制器，从而实现机械臂7的控制。所述机械臂7为工业机械臂7，所述机械臂7上设机械臂7控制器，机械臂7的底座固定，有6个运动轴，运动轴均通过数据线连接至机械臂7控制器。机械臂7控制器通过发送6个轴各自的转动角度，控制机械臂7的6轴的转动，可以使机械臂7末端以特定指向到达空间中的特定位置。机械臂7末端的位置和指向，由机械臂7的6个轴各自的转动角度确定，在运动过程中不断进行动态调整。实践表明，当目标运动速度小于200mm/s时，机械臂7可以完成动态目标追踪，从而保证各种操作的精确、高效执行。所述机械臂7控制器通过数据交换机6与控制系统5(工控机)最好是通过数据线相连接，机械臂7控制器最好是通过数据线与数据交换机6相连接。使用时，该智能机械臂系统具备操作员认证功能、手势远程控制功能、异常环境监测功能和动态作业功能，具备智能、安全、高效、灵活等特点；通过视觉测量的方式，使工业机械臂7具备人机交互、动态测量的能力，提高工业生产线的智能化水平，可直接应用于智能制造、智慧工厂等。
该如图2所示，该智能机械臂系统工作方法，包括如下步骤：
(1)启动系统。启动控制系统5(工控机)，启动该系统，开始准备工作。
(2)人脸识别认证。通过人脸识别认证模块1对操作员进行识别认证，识别系统中预授权的具备操作资质的操作员，防止无关人员或者无经验人员可能进行的误操作，从而保证整个机械臂7系统操作的安全可靠；该人脸识别认证模块1可以实时采集工位上的人脸图像，进行人脸识别，确定当前工位上操作员的身份，从而与数据库中预存信息进行比对，针对不同身份的操作员开放不同的操作权限，同时，对操作员的操作行为和工作时间进行记录，用于后续的大数据分析；若认证不成功，则重新认证；若认证成功，进行下一步操作。
(3)手势识别控制。通过手势识别控制模块2对机械臂7进行远程操控，使其响应特定手势指令，进行对应的操作，如启动、加速、减速、停止等，便于操作员及时发现机械臂7作业过程中出现的问题，在远距离上即可进行相应的控制操作，提高操控效率，同时，又最大限度的保障作业的安全；该手势识别控制模块2可以实时追踪操作员的位置，确定操作员的手部动作，当操作员发出明确的手势指令后，暂停机械臂7当前动作，修改机械臂7的相关参数，然后重新启动机械臂7，转为执行该手势指令对应的功能；若识别不成功，则重新识别；若识别成功，进行下一步操作。
(4)异常入侵监测。通过异常入侵监测模块3对整个机械臂7作业环境的安全区域进行实时监测，识别可能发生的异常入侵，如工人、货物、零部件等，当发生异常入侵时，控制机械臂7减速操作，同时发出警示信号，如果异常入侵持续靠近正在运动的机械臂7，为保证安全，机械臂7将持续减速直至停止运动，只有当异常入侵远离或者消失时，机械臂7才逐步恢复到正常状态，继续之前的操作；该异常入侵监测模块3通过入侵监测相机(摄像头)监测整个工作区域，根据安全工作需要，划定相应的安全工作区域边界和不同的入侵监测等级，根据异常入侵发生的区域，分别进行警示、减速、停止、恢复等操作；若有异常入侵，则减速/暂停直至停止；若无异常入侵，则进行下一步操作。
(5)动态目标追踪。通过动态目标追踪模块4对实时追踪目标的位置和姿态，无论目标处于静止状态、匀速运动状态，还是无规则随机运动状态，引导机械臂7向目标运动，并在机械臂7运动过程中，实时测量机械臂7末端和目标之间的相对位置，不断修正机械臂7的运动规划和末端运动位置、指向和速度，从而保证总装、焊接、喷涂等操作的精确、高效执行，若没有完成任务，返回动态目标追踪，直至完成任务。
(6)退出。退出该智能机械臂系统。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以对其做出种种变化。
Claims (7)
1.一种智能机械臂系统，它包括控制系统、数据交换机、人脸识别认证模块、手势识别控制模块、异常入侵监测模块、动态目标追踪模块和机械臂，其特征在于：所述控制系统分别与数据交换机、人脸识别认证模块、手势识别控制模块、异常入侵监测模块、动态目标追踪模块通过数据线相连接，机械臂通过数据交换机与控制系统相连接，控制系统用于处理系统的数据信息，并发出控制信息，数据交换机用于交换数据信息，人脸识别认证模块包括人脸识别相机，用于负责对操作员身份进行识别认证，识别系统中预授权的具备操作资质的操作员；手势识别控制模块包括手势识别相机，用于负责对机械臂的远程操控，并进行对应的操作；异常入侵监测模块包括入侵监测相机，用于负责对整个机械臂作业环境的安全区域进行实时监测，识别可能发生的异常入侵，并发出警示信号；动态目标追踪模块包括动态测量相机，用于负责实时追踪目标的空间位姿，引导机械臂向目标运动，实时测量机械臂末端和目标之间的相对位置，不断修正机械臂的运动规划和末端运动位置、指向和速度。
2.如权利要求1所述的智能机械臂系统，其特征在于：所述人脸识别认证模实时采集工位上的人脸图像，进行人脸识别，确定当前工位上操作员的身份，从而与数据库中预存信息进行比对，针对不同身份的操作员开放不同的操作权限，同时，对操作员的操作行为和工作时间进行记录，用于后续的大数据分析。
3.如权利要求1所述的智能机械臂系统，其特征在于：所述手势识别控制模块实时追踪操作员的位置，确定操作员的手部动作，当操作员发出明确的手势指令后，暂停机械臂当前动作，修改机械臂的相关参数，然后重新启动机械臂，转为执行该手势指令对应的功能。
4.如权利要求1所述的智能机械臂系统，其特征在于：所述异常入侵监测模块通过入侵监测相机监测整个工作区域，根据安全工作需要，划定相应的安全工作区域边界和不同的入侵监测等级，根据异常入侵发生的区域，分别进行警示、减速、停止、恢复操作。
5.如权利要求1所述的智能机械臂系统，其特征在于：所述动态测量相机为若干个，个数是两个；动态测量相机用于测量当前时刻机械臂末端与目标之间的相对位置和姿态，测量信息经解算转换为机械臂6个轴各自的运动角度，通过数据交换机发送给机械臂控制器，从而实现机械臂的控制。
6.如权利要求1所述的智能机械臂系统，其特征在于：所述机械臂为工业机械臂，机械臂上设机械臂控制器，机械臂的底座固定，有6个运动轴，运动轴均通过数据线连接至机械臂控制器。
7.如权利要求6所述的智能机械臂系统，其特征在于：所述机械臂控制器通过数据交换机与控制系统通过数据线相连接，所述机械臂控制器通过数据线与数据交换机相连接。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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