CN109623811A - 四自由度的自动装甑机器人的投料方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四自由度的自动装甑机器人的投料方法，利用红外相机对甑桶的底部热图像分析定位，并计算出所需投料点位置处的参数；2）利用坐标变换方法对机械臂的运动学进行分析定位，并计算出机械臂末端的绝对位置以及各关节对应连杆和投料器的参数；3）将步骤1）中所得的参数和步骤2）中所得的参数进行对比分析，实现定位。从上述方法可知，本发明的一种四自由度的自动装甑机器人的投料方法，利用红外传相机的热图像采集以及机械臂运动学方法，对点在不同坐标系下的变换，从而确定了点的绝对位置，实现快速定位并投料。

Description

四自由度的自动装甑机器人的投料方法

技术领域

本发明涉及一种机械臂的投料装置的技术领域，具体涉及一种四自由度的自动装甑机器人的投料方法。

背景技术

机器人机器人学是集机械、电子、液压、控制、计算机信息、传感技术、仿生及人工智能等多个学科相互滲透、相互交叉的综合性学科。工业机器人技术是近代自动控制领域中出现的一项高新技术，该领域研究十分活跃，且随着产业需求的不断增长其应用覆盖范围也日趋广泛。机器人已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。机器人技术经过20世纪末及21世纪初的迅猛发展，在市场和技术的驱动下,取得了巨大的进步，机器人产品已经广泛用于工业生产及人类生活服务的各个领域。

经过前期的技术积累及工程试验，机械臂不仅能完成一些简单工业自动化工作,例如搬运、焊接等操作，而且己经发展到能在汽车工业中装配、测量零部件和在集成电路扳上装插、诊断等复杂高精密巧操作，已经成为自动化工厂、柔性制造系统和计算机集成制造系统中不可或缺的自动化单元，对改善恶劣劳动环境、保障工人人身安全、提高劳动生产率、降低生产成本、促进转型升级、提高技术创新能力乃至提升企业整体的市场竞争为均有着十分重要的意义。

在工业酿酒生产过程中，通过对机械臂末端的投料装置添加酿酒原料，使其以选定甑桶底部一中心为起始位置呈圆形轨迹由内及外均匀投料，而由于机械臂是一个复杂MIMO非线性系统,且具有强耦合、高度非线性且含有诸多不确定等因素,加上机械臂自身抖动等问题，使机械臂的定位变得十分困难；同时，在投料生产过程中，由于甑桶底部受热不均匀，对所添加的酿酒原料加热、蒸馏等产生差异，因此，要时刻观察所添加的酿酒原料在甑桶底部是否铺撒均匀，以保证酿酒的质量，提高生产效率。因此，要实时检测甑桶底部酿酒原料的受热均匀程度，并实时定位，然后传给机械臂，通过分析与计算，使机械臂对甑桶底部的投料分量实时相应变化。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种四自由度的自动装甑机器人的投料方法，利用红外传相机的热图像采集以及机械臂运动学方法，对点在不同坐标系下的变换，从而确定了点的绝对位置，实现快速定位并投料；本方法与传统酿酒和一些简单的现代酿酒方法相比，可以运用于自动化生产和检测，适用于大型酿酒生产和投料设备，能快速取点定位，并提高了定位的准确性，计算方法清晰明确简单，节省成本；为企业节省投资成本，在此基础上得到机器人的位置逆解，提高了机器人布料位置的准确性，系统完全可以自主运行。

本发明所采取的技术方案是：

四自由度的自动装甑机器人的投料方法，包括以下步骤：

1）设于甑桶旁边的四自由度转动关节的机械臂，所述机械臂的末端连接有投料器，所述投料器上固定有红外相机；利用红外相机对甑桶的底部热图像分析定位，并计算出所需投料点位置处的参数；

2）利用坐标变换方法对机械臂的运动学进行分析定位，并计算出机械臂末端的绝对位置以及各关节对应连杆和投料器的参数；

3）将步骤1）中所得的参数和步骤2）中所得的参数进行对比分析，实现定位。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤1）中，选定甑桶的底部中心位置为原点建立平面直角坐标系，以机械臂3的底座2的中心为原点建立坐标系{0}，机械臂的各关节分别建立直角坐标系：第一关节的坐标系{1}、第二关节的坐标系{2}、第三关节的坐标系{3}和第四关节的坐标系{4}。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤1）中，使原点与机械臂的基座中心呈一条直线，确定两点的距离、且确定机械臂末端与甑桶底部的相对高度，并保持不变。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤1）中，红外相机对甑桶底部受热程度进行图像信息采集，通过对比图像颜色深浅的差异，确定甑桶底部的所需要投料点，计算出所需要投料点在坐标系{0}中的相对位置，从而计算出所需要投料点相对于机械臂的基座的相对位置。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤2）中，通过计算出所需要投料点相对于机械臂的基座的相对位置和机械臂相对于甑桶底部的高度，从而确定红外传相机在空间的绝对位置，从而确定机械臂投料器的绝对位置。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤3）中，利用运动学的坐标变换方法建立正运动学模型，利用逆运动学解析方法求出各关节的角度和位置。

本发明更进一步改进方案是，所述机械臂的两相邻连杆的相对位置计算公式为：

（A）；

其中：

a_i表示沿着X_i轴从Z_i移动到Z_i+1的距离；

α_i表示绕着X_i轴从Z_i转到Z _i+1的角度；

d_i表示沿着Z_i轴从X _i-1到X_i的距离；

θ_i表示绕着Z_i轴从X _i-1到X_i的角度；

cθ_i表示cosθ_i；

sθ_i表示sinθ_i。

本发明更进一步改进方案是，利用坐标变换方法建立机械臂的D-H参数：

a₀=0、α₀=0、d₁=L₁、θ₁=θ₁；

a₁=0、α₁=-90°、d₂=0、θ₂=θ₂；

a₂= L₃、α_i=0、d₁=0、θ₁=θ₃；

a₃= 0、α_i=-90°、d₁= L₄、θ₁=θ₄；

其中，L_i表示坐标系{i-1}的坐标原点到坐标系{i}的坐标原点的距离；即L₁表示坐标系{0}的坐标原点到坐标系{1}的坐标原点的距离、L₂表示坐标系{1}的坐标原点到坐标系{2}的坐标原点的距离、L₃表示坐标系{2}的坐标原点到坐标系{3}的坐标原点的距离、L₄表示坐标系{3}的坐标原点到坐标系{4}的坐标原点的距离。

本发明更进一步改进方案是，求出：

则得到机械臂相对于基座的总变换为：

（B）；

式中：

cθ_ii+1表示cos（θ_i+θ_i+1）；

sθ_ii+1表示sin（θ_i+θ_i+1）；

并对式（B）采用矩阵逆乘的方法求出各个关节角，具体公式如下：

；

；

；

求出第一关节角、第二关节角、第三关节角和第四关节角。

本发明更进一步改进方案是，通过所得的第一关节角、第二关节角、第三关节角和第四关节角，进而求得机械臂各个连杆的空间位置，得到机械臂末端投料器的位置变化及各个独立坐标系之间的关系，最终确定了与平面中所需要投料点对应的机械臂末端投料器的坐标位置。

本发明的有益效果在于：

第一、本发明的四自由度的自动装甑机器人的投料方法，利用红外传相机的热图像采集以及机械臂运动学方法，对点在不同坐标系下的变换，从而确定了点的绝对位置，实现快速定位并投料。

第二、本发明的四自由度的自动装甑机器人的投料方法，与传统酿酒和一些简单的现代酿酒方法相比，可以运用于自动化生产和检测，适用于大型酿酒生产和投料设备，能快速取点定位，并提高了定位的准确性，计算方法清晰明确简单，节省成本。

第三、本发明的四自由度的自动装甑机器人的投料方法，为企业节省投资成本，在此基础上得到机器人的位置逆解，提高了机器人布料位置的准确性，系统完全可以自主运行。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的坐标系示意图。

图3为甑桶内底部的热成像图。

图4为第一关节的运动轨迹示意图。

图5为第二关节的运动轨迹示意图。

图6为第三关节的运动轨迹示意图。

图7为第四关节的运动轨迹示意图。

具体实施方式：

结合图1~图2所示，四自由度的自动装甑机器人的投料方法包括以下步骤：

1）设于甑桶1旁边的四自由度转动关节的机械臂3，所述机械臂3的末端连接有投料器4，所述投料器4上固定有红外相机5；利用红外相机5对甑桶1的底部热图像分析定位，并计算出所需投料点位置处的参数；

2）利用坐标变换方法对机械臂3的运动学进行分析定位，并计算出机械臂3末端的绝对位置以及各关节对应连杆和投料器4的参数；

3）将步骤1）中所得的参数和步骤2）中所得的参数进行对比分析，实现定位。

所述步骤1）中，选定甑桶1的底部中心位置为原点建立平面直角坐标系，以机械臂3的底座2的中心为原点建立坐标系{0}，机械臂3的各关节分别建立直角坐标系：第一关节的坐标系{1}、第二关节的坐标系{2}、第三关节的坐标系{3}和第四关节的坐标系{4}。

所述步骤1）中，使原点与机械臂3的基座2中心呈一条直线，确定两点的距离、且确定机械臂3末端与甑桶1底部的相对高度，并保持不变。

所述步骤1）中，红外相机5对甑桶1底部受热程度进行图像信息采集，通过对比图像颜色深浅的差异，确定甑桶1底部的所需要投料点（附图2中的A点），计算出所需要投料点在坐标系{0}中的相对位置，从而计算出所需要投料点相对于机械臂3的基座2的相对位置。

所述步骤2）中，通过计算出所需要投料点相对于机械臂3的基座2的相对位置和机械臂3相对于甑桶1底部的高度，从而确定红外传相机5在空间的绝对位置，从而确定机械臂3投料器4的绝对位置。

所述步骤3）中，利用运动学的坐标变换方法建立正运动学模型，利用逆运动学解析方法求出各关节的角度和位置。

所述机械臂3的两相邻连杆的相对位置计算公式为：

（A）；

其中：

a_i表示沿着X_i轴从Z_i移动到Z_i+1的距离；

α_i表示绕着X_i轴从Z_i转到Z _i+1的角度；

d_i表示沿着Z_i轴从X _i-1到X_i的距离；

θ_i表示绕着Z_i轴从X _i-1到X_i的角度；

cθ_i表示cosθ_i；

sθ_i表示sinθ_i。

利用坐标变换方法建立机械臂3的D-H参数：

a₀=0、α₀=0、d₁=L₁、θ₁=θ₁；

a₁=0、α₁=-90°、d₂=0、θ₂=θ₂；

a₂= L₃、α_i=0、d₁=0、θ₁=θ₃；

a₃= 0、α_i=-90°、d₁= L₄、θ₁=θ₄；

其中，L_i表示坐标系{i-1}的坐标原点到坐标系{i}的坐标原点的距离；即L₁表示坐标系{0}的坐标原点到坐标系{1}的坐标原点的距离、L₂表示坐标系{1}的坐标原点到坐标系{2}的坐标原点的距离、L₃表示坐标系{2}的坐标原点到坐标系{3}的坐标原点的距离、L₄表示坐标系{3}的坐标原点到坐标系{4}的坐标原点的距离。

求出：

则得到机械臂3相对于基座2的总变换为：

（B）；

式中：

cθ_ii+1表示cos（θ_i+θ_i+1）；

sθ_ii+1表示sin（θ_i+θ_i+1）；

并对式（B）采用矩阵逆乘的方法求出各个关节角，具体公式如下：

；

；

；

求出第一关节角、第二关节角、第三关节角和第四关节角。

通过所得的第一关节角、第二关节角、第三关节角和第四关节角，进而求得机械臂3各个连杆的空间位置，得到机械臂3末端投料器4的位置变化及各个独立坐标系之间的关系，最终确定了与平面中所需要投料点对应的机械臂末端投料器4的坐标位置。

如图3可知，以埃夫特机器人的机械臂3为例，各个尺寸如下：L₁=-350mm；L₂=800mm； L₃=1250mm；L₄= 400mm。在使用的过程中，红外相机5所拍摄的红外图像能够提前3秒显示出跑气点的位置（即所需投料点），从而能够使机械臂3能够及时进行投料，有效地避免了跑气事故的发生。

结合图4~图7可知，机械臂3的各关节的运动轨迹，各关节没有出现奇异点。

从而表明四自由度的机械臂3完全能够满足装甑布料系统要求，为企业节省投资成本，在此基础上得到机器人的位置逆解，提高了机器人布料位置的准确性，系统完全可以自主运行。

Claims (10)

1.四自由度的自动装甑机器人的投料方法，其特征在于包括以下步骤：

1）设于甑桶（1）旁边的四自由度转动关节的机械臂（3），所述机械臂（3）的末端连接有投料器（4），所述投料器（4）上固定有红外相机（5）；利用红外相机（5）对甑桶（1）的底部热图像分析定位，并计算出所需投料点位置处的参数；

2）利用坐标变换方法对机械臂（3）的运动学进行分析定位，并计算出机械臂（3）末端的绝对位置以及各关节对应连杆和投料器（4）的参数；

3）将步骤1）中所得的参数和步骤2）中所得的参数进行对比分析，实现定位。

2.如权利要求1所述的四自由度的自动装甑机器人的投料方法，其特征在于：所述步骤1）中，选定甑桶（1）的底部中心位置为原点建立平面直角坐标系，以机械臂（3）的底座（2）的中心为原点建立坐标系{0}，机械臂（3）的各关节分别建立直角坐标系：第一关节的坐标系{1}、第二关节的坐标系{2}、第三关节的坐标系{3}和第四关节的坐标系{4}。

3.如权利要求2所述的四自由度的自动装甑机器人的投料方法，其特征在于：所述步骤1）中，使原点与机械臂（3）的基座（2）中心呈一条直线，确定两点的距离、且确定机械臂（3）末端与甑桶（1）底部的相对高度，并保持不变。

4.如权利要求3所述的四自由度的自动装甑机器人的投料方法，其特征在于：所述步骤1）中，红外相机（5）对甑桶（1）底部受热程度进行图像信息采集，通过对比图像颜色深浅的差异，确定甑桶（1）底部的所需要投料点，计算出所需要投料点在坐标系{0}中的相对位置，从而计算出所需要投料点相对于机械臂（3）的基座（2）的相对位置。

5.如权利要求4所述的四自由度的自动装甑机器人的投料方法，其特征在于：所述步骤2）中，通过计算出所需要投料点相对于机械臂（3）的基座（2）的相对位置和机械臂（3）相对于甑桶（1）底部的高度，从而确定红外传相机（5）在空间的绝对位置，从而确定机械臂（3）投料器（4）的绝对位置。

6.如权利要求5所述的四自由度的自动装甑机器人的投料方法，其特征在于：所述步骤3）中，利用运动学的坐标变换方法建立正运动学模型，利用逆运动学解析方法求出各关节的角度和位置。

7.如权利要求6所述的四自由度的自动装甑机器人的投料方法，其特征在于：所述机械臂（3）的两相邻连杆的相对位置计算公式为：

（A）；

其中：

a_i表示沿着X_i轴从Z_i移动到Z_i+1的距离；

α_i表示绕着X_i轴从Z_i转到Z _i+1的角度；

d_i表示沿着Z_i轴从X _i-1到X_i的距离；

θ_i表示绕着Z_i轴从X _i-1到X_i的角度；

cθ_i表示cosθ_i；

sθ_i表示sinθ_i。

8.如权利要求7所述的四自由度的自动装甑机器人的投料方法，其特征在于：利用坐标变换方法建立机械臂（3）的D-H参数：

a₀=0、α₀=0、d₁=L₁、θ₁=θ₁；

a₁=0、α₁=-90°、d₂=0、θ₂=θ₂；

a₂= L₃、α_i=0、d₁=0、θ₁=θ₃；

a₃= 0、α_i=-90°、d₁= L₄、θ₁=θ₄；

其中，L_i表示坐标系{i-1}的坐标原点到坐标系{i}的坐标原点的距离；即L₁表示坐标系{0}的坐标原点到坐标系{1}的坐标原点的距离、L₂表示坐标系{1}的坐标原点到坐标系{2}的坐标原点的距离、L₃表示坐标系{2}的坐标原点到坐标系{3}的坐标原点的距离、L₄表示坐标系{3}的坐标原点到坐标系{4}的坐标原点的距离。

9.如权利要求8所述的四自由度的自动装甑机器人的投料方法，其特征在于：求出：

则得到机械臂（3）相对于基座（2）的总变换为：

（B）；

式中：

cθ_ii+1表示cos（θ_i+θ_i+1）；

sθ_ii+1表示sin（θ_i+θ_i+1）；

并对式（B）采用矩阵逆乘的方法求出各个关节角，具体公式如下：

；

；

；

求出第一关节角、第二关节角、第三关节角和第四关节角。

10.如权利要求9所述的四自由度的自动装甑机器人的投料方法，其特征在于：通过所得的第一关节角、第二关节角、第三关节角和第四关节角，进而求得机械臂（3）各个连杆的空间位置，得到机械臂（3）末端投料期（4）的位置变化及各个独立坐标系之间的关系，最终确定了与平面中所需要投料点对应的机械臂（3）末端投料期（4）的坐标位置。