CN109129397A - 利用agv位置信息标定其搭载机械臂位置的系统 - Google Patents

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段三军
宋策
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    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J5/00—Manipulators mounted on wheels or on carriages
    • B25J5/007—Manipulators mounted on wheels or on carriages mounted on wheels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
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    • B25J9/16—Programme controls
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

本发明涉及一种利用AGV位置信息标定其搭载机械臂位置的系统，属于导航与控制技术领域。本发明基于建模的方式，利用坐标系间的关系，通过几组矩阵运算便能计算出机械臂相对于导航坐标系的位置，并能够计算出物体在机械臂基座坐标系下的位姿表示；再结合工位内物体与导航坐标系的关系，可以方便地对机械臂轨迹进行规划。其中机械臂和AGV分开建模，大大降低了模型的复杂度，方便控制。

Description

利用AGV位置信息标定其搭载机械臂位置的系统
技术领域
本发明属于导航与控制技术领域，具体涉及一种利用AGV位置信息标定其搭载机械臂位置的系统。
背景技术
搭载机械臂的麦克纳姆轮全向移动平台作为一种灵活的运载平台解决方案被广泛地应用于汽车、航空、航天、教育、医疗、工业、物流等各个领域。而AGV在不断移动过程中，机械臂基座坐标系不断变化，不利于机械臂的控制。目前工业领域大多使用的是将AGV和机械臂整体看做一种7自由度的系统进行运动学和动力学建模，此种方法相对来说算法复杂、开发难度较大。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计一种易实现的、用于标定AGV搭载机械臂位置的系统，以确定机械臂在导航坐标系下的位置。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了利用AGV位置信息标定其搭载机械臂位置的系统，所述系统为一AGV模型；
所述AGV模型包括机械臂1、AGV车体2、视觉模块3和导航码带4；视觉模块3安装在AGV车体2的前端，机械臂1通过一机械臂基座固定在AGV车体2的顶部，AGV车体2在自主导航时，始终沿着导航码带4行驶，视觉模块3用于实时读出自身位置处的位置信息x、y和相对于导航码带4的偏航角度ω；在导航坐标系原点、AGV视觉模块的中心和机械臂基座中心设定坐标系，分别为Oo、Ov、OA，则导航坐标系Oo随导航路径的确定而固定，视觉模块坐标系Ov和机械臂基座坐标系OA随着AGV车体2的移动而不断变化；
所述AGV模型用于根据空间内任意两坐标系间的转换关系，确定机械臂1在导航坐标系下的位置。
优选地，所述AGV模型具体用于，根据如下的空间内任意两坐标系间的转换关系，确定机械臂1在导航坐标系下的位置：
对于空间内任意一点P，若已知该点在一坐标系内的表示为SP，欲求该点在另一坐标系下的表示OP，有：
其中，为旋转矩阵，代表两坐标系间的旋转关系，OPS-Ori为平移矩阵，代表两坐标系间的平移关系。
优选地，所述AGV模型具体用于，根据空间内任意两坐标系间的转换关系，按照如下方式确定机械臂1在导航坐标系下的位置：
假定空间内任意一点P，其在视觉模块坐标系Ov、机械臂基座坐标系OA和导航坐标系Oo三个坐标系的坐标表示依次为：VP、AP和OP，由于AGV模型整体在导航坐标系Oo的X-Y平面内运动，坐标系只存在平移和以Z轴为基准的旋转，根据公式1，得到坐标转换关系：
其中，(Xav Yav Zav)和α代表机械臂基座坐标系OA沿视觉模块坐标系Ov的三个坐标轴分别平移Xav、Yav、Zav后再沿视觉模块坐标系Ov的Z轴方向逆时针旋转α后则OA与Ov重合；(Xvo Yvo Zvo)和β代表视觉模块坐标系Ov沿导航坐标系Oo的三个坐标轴分别平移Xvo、Yvo、Zvo后再沿导航坐标系Oo的Z轴方向逆时针旋转β后则Ov与Oo重合，则有变换关系：
假定P点为机械臂基座坐标系OA的中心，则AP＝0,0,0，此时OP便是机械臂基座坐标系OA在导航坐标系Oo下的表示，从而得到确定机械臂1在导航坐标系下的位置。
优选地，所述导航码带4的形状是相互连接的矩形的三条边。
优选地，所述AGV为麦克纳姆轮全向移动平台。
优选地，所述机械臂1位于AGV车体2的后部位置。
(三)有益效果
本发明基于建模的方式，利用坐标系间的关系，通过几组矩阵运算便能计算出机械臂相对于导航坐标系的位置，确定机械臂在导航坐标系下的位置，从而能够计算出物体在机械臂基座坐标系下的位姿表示；再结合工位内物体与导航坐标系的关系，可以方便地对机械臂轨迹进行规划。其中机械臂和AGV分开建模，大大降低了模型的复杂度，方便控制。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是基于图1的系统得到的AGV导航示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明提供一种用于基于码带式AGV位置信息来标定其搭载的机械臂位置的系统。该系统为一GV模型，其中，在导航坐标系原点、AGV视觉模块的中心和机械臂基座中心设定坐标系，分别为Oo、Ov、OA。AGV在行驶过程中，实时获得AGV视觉模块处的位置坐标(x、y)及偏角ω信息。据此，能够计算出Ov相对于Oo的转换关系而OA与Ov间的关系随着机械结构的确定就已经确定，为因此，机械臂基座坐标系与导航坐标系间的关系就可以确定为即可以确定机械臂在导航坐标系下的位置。
基于以上思路，本发明中设计的系统，即搭载机械臂的AGV模型如图1所示。包括机械臂1、AGV车体2、视觉模块3、导航码带4。视觉模块3安装在AGV车体2的前端，机械臂1通过一机械臂基座固定在AGV车体2的顶部，AGV车体2在自主导航时，始终沿着导航码带4行驶，视觉模块3能够实时读出自身位置处的位置信息(x、y)和相对于导航码带4的偏航角度ω。
根据空间内任意两坐标系间的转换关系，空间内任意一点P，若已知该点在一坐标系内的表示为SP，欲求该点在另一坐标系下的表示OP，有：
其中，为旋转矩阵，代表两坐标系间的旋转关系。OPS-Ori为平移矩阵，代表两坐标系间的平移关系。
AGV导航示意图如图2所示。其中导航坐标系Oo随导航路径的确定而固定，视觉模块坐标系Ov和机械臂基座坐标系OA随着AGV车体2的移动而不断变化。假定空间内任意一点P，其在视觉模块坐标系Ov、机械臂基座坐标系OA和导航坐标系Oo三个坐标系的坐标表示依次为：VP、AP和OP。由于AGV模型整体在导航坐标系Oo的X-Y平面内运动，坐标系只存在平移和以Z轴为基准的旋转。因此，根据公式(1)，其坐标转换关系为：
其中，(Xav Yav Zav)和α代表机械臂基座坐标系OA沿视觉模块坐标系Ov的三个坐标轴分别平移Xav、Yav、Zav后再沿视觉模块坐标系Ov的Z轴方向逆时针旋转α后则OA与Ov重合。由于机械臂基座固连在AGV车体2上，因此(Xav Yav Zav)和α为可测常数。同理，(Xvo Yvo Zvo)和β代表视觉模块坐标系Ov沿导航坐标系Oo的三个坐标轴分别平移Xvo、Yvo、Zvo后再沿导航坐标系Oo的Z轴方向逆时针旋转β后则Ov与Oo重合。，(Xvo Yvo Zvo)和β可以通过读取导航码带4位姿信息获得。因此，根据矩阵计算，可以求得机械臂基座坐标系OA相对于导航坐标系Oo的变换关系。
假定P点为机械臂基座坐标系OA的中心，则AP＝(0,0,0)，此时OP便是机械臂基座坐标系OA在导航坐标系Oo下的表示，从而得到确定机械臂1在导航坐标系下的位置。此外，当已知工位内物体在导航坐标系下的表示，根据上述公式，便可以求出该物体机械手基座坐标系下的表示，这样便能够方便的进行机械臂的运动路径规划和控制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种利用AGV位置信息标定其搭载机械臂位置的系统，其特征在于，所述系统为一AGV模型；
所述AGV模型包括机械臂(1)、AGV车体(2)、视觉模块(3)和导航码带(4)；视觉模块(3)安装在AGV车体(2)的前端，机械臂(1)通过一机械臂基座固定在AGV车体(2)的顶部，AGV车体(2)在自主导航时，始终沿着导航码带(4)行驶，视觉模块(3)用于实时读出自身位置处的位置信息(x、y)和相对于导航码带(4)的偏航角度ω；在导航坐标系原点、AGV视觉模块的中心和机械臂基座中心设定坐标系，分别为Oo、Ov、OA，则导航坐标系Oo随导航路径的确定而固定，视觉模块坐标系Ov和机械臂基座坐标系OA随着AGV车体(2)的移动而不断变化；
所述AGV模型用于根据空间内任意两坐标系间的转换关系，确定机械臂(1)在导航坐标系下的位置。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述AGV模型具体用于，根据如下的空间内任意两坐标系间的转换关系，确定机械臂(1)在导航坐标系下的位置：
对于空间内任意一点P，若已知该点在一坐标系内的表示为SP，欲求该点在另一坐标系下的表示OP，有：
其中，为旋转矩阵，代表两坐标系间的旋转关系，OPS-Ori为平移矩阵，代表两坐标系间的平移关系。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述AGV模型具体用于，根据空间内任意两坐标系间的转换关系，按照如下方式确定机械臂(1)在导航坐标系下的位置：
假定空间内任意一点P，其在视觉模块坐标系Ov、机械臂基座坐标系OA和导航坐标系Oo三个坐标系的坐标表示依次为：VP、AP和OP，由于AGV模型整体在导航坐标系Oo的X-Y平面内运动，坐标系只存在平移和以Z轴为基准的旋转，根据公式(1)，得到坐标转换关系：
其中，(Xav Yav Zav)和α代表机械臂基座坐标系OA沿视觉模块坐标系Ov的三个坐标轴分别平移Xav、Yav、Zav后再沿视觉模块坐标系Ov的Z轴方向逆时针旋转α后则OA与Ov重合；(XvoYvo Zvo)和β代表视觉模块坐标系Ov沿导航坐标系Oo的三个坐标轴分别平移Xvo、Yvo、Zvo后再沿导航坐标系Oo的Z轴方向逆时针旋转β后则Ov与Oo重合，则有变换关系：
假定P点为机械臂基座坐标系OA的中心，则AP＝(0,0,0)，此时OP便是机械臂基座坐标系OA在导航坐标系Oo下的表示，从而得到确定机械臂(1)在导航坐标系下的位置。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述导航码带(4)的形状是相互连接的矩形的三条边。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述AGV为麦克纳姆轮全向移动平台。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机械臂(1)位于AGV车体(2)的后部位置。
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