CN111890366B - 一种机械臂物品抓取规划原理及基于ros的实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出提出一种基于齐次坐标变换的机械臂物品抓取规划原理以及在ROS系统中的相应实现方法。该抓取原理是通过在物品坐标系XY平面生成均圆环采样点，进而找出距离机械臂基座坐标系最近点并确定抓取前方，以此再进行上方抓取位姿与方向的确定，并利用ROS的Moveit、TF等软件方式进行实现；实现的基本功能为：可通过给定的物品位姿，使机械臂规划到具体的预抓取位姿、抓取位姿、后抓取位姿以及归位位姿，从而进行完整的抓取流程的操作，实现物品抓取的功能。

Description

一种机械臂物品抓取规划原理及基于ROS的实现方法
技术领域
本发明属于机械臂轨迹规划领域，提出一种机械臂物品抓取规划原理及基于ROS的实现方法。
背景技术
机械臂轨迹规划是机器人技术领域的一个重要分支，现今大量的机械臂应用在工业、服务行业等多个领域，能够进行抓取、焊接、喷漆、装配等一系列操作，大大提升了任务完成的质量与速率，推动了无人化、智能化的发展，所以机械臂的轨迹规划的研究也成为了热门领域。
对于不同的工作任务，机械臂的末端连杆可对应安装不同的末端执行器，例如机械臂的应用中，有很大比例的任务与抓取规划有关，对于抓取操作，机械臂的末端执行器就是手爪执行机构。本原理及实现方法旨在提出一种思路简洁原理简单的机械臂物品抓取规划方案，尽量简化抓取的规划思路，以达到高效实用的目的。
发明内容
本发明的目的在于实现一种较为简单实用的机械臂抓取方案，以更加简洁直观的原理来完成对机械臂的抓取规划。
一种机械臂物品抓取规划原理设计包括以下步骤：
步骤1：明确3个直角坐标系，即机械臂基座坐标系root(原点记作Or点)，末端执行器坐标系end_effector(原点记作Oe点)以及物品坐标系object(原点记作Oo点)；
步骤2：在object系的XY平面生成以该系原点为圆心的圆环状分布的均匀采样点，圆环半径与物品尺寸有关；
步骤3：并在任一采样点P上生成一个以P为原点新的坐标系，且z轴指向Oo点，y轴与Zo平行；
步骤4：找到与Or点距离最近的一个采样点记作Op点，如步骤3所述，建立Op坐标系，此为末端执行器的前向预抓取位姿，抓取方向为Zp轴，同理选取其他采样点以步骤2建立出预抓取位姿，则可以进行Xo-Oo-Yo平面内的其他方向的抓取操作；
步骤5：确定机械臂从上方抓取物品的预抓取的位姿坐标系，将步骤4中的Op系绕着Xp中旋转90度，并将原点Op移至Zo轴，到Oo的距离与物品尺寸有关，从而形成新的坐标系，作为上方抓取操作中的预抓取位姿；
步骤6：Oe系需要与Op系重合，即末端执行器要规划至预抓取位姿，然后沿着Ze方向抓取；
步骤7：抓取后Oe系沿着Or系的Zr方向平动至后抓取位姿；
步骤8：末端执行器Oe系归位至指定位置，完成抓取流程；
上述的原理设计能够简洁直观地对机械臂末端执行器的抓取流程提供一定指导，为机械臂的抓取规划提供一种可行的原理方案。
上述原理基于ROS的实现方法，依照了上述原理，以Kinova Jaco2机械臂模型为基础，利用了ROS中的Moveit机械臂规划平台以及TF坐标变换功能，生成了数量可人为设置的采样点，通过TF的齐次变换运算得出前向预抓取位姿与抓取方向以及上方预抓取位姿与抓取方向，并能够进行相应的抓取规划操作。
附图说明
为了更清楚的说明本发明所涉及的技术方案，下实施例或现有的技术描述中所使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图是本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中机械臂抓取规划的原理流程图；
图2是本发明实施例中三个重要的坐标系说明示意图；
图3是本发明实施例中两个重要的坐标系模型示意图；
图4是本发明实施例中确定前向抓取方向和相应的预抓取位姿坐标系的原理说明图；
图5是本发明实施例中确定上方抓取方向和相应的预抓取位姿坐标系的原理说明图；
图6是本发明实施例中ROS中可视化工具Rviz的Kinova Jaco2机械臂模型及root与end_effector坐标系展示图；
图7是本发明实施例中ROS中利用Moveit进行前向抓取过程的展示图；
图8是本发明实施例中ROS中利用Moveit进行上方抓取过程的展示图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种机械臂物品抓取规划原理设计，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：明确3个直角坐标系，即机械臂基座坐标系root(原点记作Or点)，末端执行器坐标系end_effector(原点记作Oe点)以及物品坐标系object(原点记作Oo点)；
本实施例中，一共指出了三个重要的坐标系，如图2所示，可以将Or系看作绝对坐标系，Oe系为固连在末端执行器的坐标系，Oo系为给定的目标物品位姿坐标系，Or系与Oe系在机械臂模型中的具体表示如图3所示；
步骤2：在object系的XY平面生成以该系原点为圆心的圆环状分布的均匀采样点，圆环半径与物品尺寸有关；
本实施例中，以Oo系为参考系，在Xo-Oo-Yo平面内以Oo为圆心生成圆环状的一系列采样点，并且使得采样点之间的间隔相同，圆环的半径可以根据抓取物品的尺寸参数来确定，如图4所示的虚线圆环采样点；
步骤3：并在任一采样点P上生成一个以P为原点新的坐标系，且z轴指向Oo点，y轴与Zo平行；
本实施例中，需要生成一类新的坐标系，该类坐标系的原点在上述的圆环上(在圆环上任意位置)，且z轴要指向Oo点，y轴要与Zo轴平行，则该类坐标系完全确定，将z轴朝向Oo点是因为实际的机械臂末端坐标系的Ze是在手爪的开口处，如图3所示；
步骤4：找到与Or点距离最近的一个采样点记作Op点，如步骤3所述，建立Op坐标系，此为末端执行器的前向预抓取位姿，抓取方向为Zp轴，同理选取其他采样点以步骤2建立出预抓取位姿，可以进行Xo-Oo-Yo平面内的其他方向的抓取操作；
本实施例中，假定在所有的圆环采样点中找到了一个与root坐标系原点Or距离最近的一点(在具体实现的时候交由计算机遍历计算找到，且暂不考虑特殊情况)，按照上一步的流程生成一个机械臂末端执行器的前向抓取位姿坐标系，Zp轴就是即将进行抓取的方向，此坐标系作为在实际规划时的末端执行器预抓取位姿；
步骤5：确定机械臂从上方抓取物品的预抓取的位姿坐标系，将步骤4中的Op系绕着Xp中旋转90度，并将原点Op移至Zo轴，到Oo的距离与物品尺寸有关，从而形成新的坐标系，作为上方抓取操作中的预抓取位姿；
本实施例中，在上一步已经确定前向抓取位姿的基础上，进一步确定机械臂末端执行器的上方抓取位姿及方向，具体就是对Op系进行旋转与平移变换，即先绕Xp轴旋转90度，再将旋转后的该系平移，将Op系原点移至Oo系的Zo轴上，此时完成变换的Op系原点与Oo距离和物品尺寸参数有关，Zo的负方向为末端执行器的抓取方向；
步骤6：Oe系需要与Op系重合，即末端执行器要规划至预抓取位姿，然后沿着Ze方向抓取；
本实施例中，在实际规划时，需要将Oe系规划至Op系，即需要将末端执行器规划至指定的预抓取位姿，机械臂的抓取方向实际上就是沿着Zp方向进行抓取的；
步骤7：抓取后Oe系沿着Or系的Zr方向平动至后抓取位姿；
本实施例中，在抓取完物品的基础上，机械臂要移动至后抓取位姿，为即将进行的机械臂归位操作做准备；
步骤8：末端执行器Oe系归位至指定位置，完成抓取流程；
本实施例中，需要提前确定一个机械臂末端执行器的复位位姿，作为抓取流程的最后步骤；
上述原理基于ROS的实现方法，依照了上述原理，以Kinova Jaco2机械臂模型为基础，利用了ROS中的Moveit机械臂规划平台以及TF坐标变换功能，生成了数量可人为设置的采样点，通过TF的齐次变换运算得出前向预抓取位姿与抓取方向以及上方预抓取位姿与抓取方向，并能够进行相应的抓取规划操作。
本实施例中，以ROS中是Moveit平台为基础，并使用了ROS自带的TF坐标处理的功能中的Transform类，以方便在程序中进行齐次坐标变换。依照上述原理的流程，首先在给定一个物品在root系下的位姿及尺寸，并设定圆环均匀采样点的数量，然后依照该尺寸利用圆的参数方程生成相应数量的采样点，接着利用事先推导出的公式，来通过其次变换求出物品坐标系Oo到预抓取位姿坐标系Op的变换，该变换矩阵所代表的末端执行器位姿还需转换到root坐标系内表示，再次通过齐次坐标运算，从而生成所需的在root系下表示的末端执行器的预抓取位姿(这一过程适用于从前向抓取与上方抓取)，并将末端执行器规划至在root系的预抓取位姿；然后再沿着Zp轴近似直线地进行抓取，抓取完毕再规划至后抓取位姿，准备进行机械臂归位操作；最后机械臂规划至预设好的归位位姿，结束抓取流程。

Claims (4)

1.一种基于ROS实现的机械臂物品抓取规划方法，其特征在于，以Kinova Jaco2机械臂模型为基础，利用了ROS中的Moveit机械臂规划平台以及TF坐标变换功能，生成了数量可人为设置的采样点，通过TF的齐次变换运算得出前向预抓取位姿与抓取方向以及上方预抓取位姿与抓取方向，并能够进行相应的抓取规划操作，操作过程中利用TF功能的Transform类，通过齐次变换的运算得出前向预抓取位姿与抓取方向以及上方预抓取位姿与抓取方向，包括以下步骤：
步骤1：明确3个直角坐标系，即机械臂基座坐标系root，原点记作Or，末端执行器坐标系end_effector，
原点记作Oe，以及物品坐标系object，原点记作Oo点；
步骤2：在object系的XY平面生成以该系原点为圆心的圆环状分布的均匀采样点，圆环半径与物品尺寸有关；
步骤3：并在任一采样点P上生成一个以P为原点新的坐标系，且z轴指向Oo点，y轴与Zo平行；
步骤4：找到与Or点距离最近的一个采样点记作Op点，如步骤3所述，建立Op坐标系，此为末端执行器的前向预抓取位姿，抓取方向为Zp轴，同理选取其他采样点以步骤2建立出预抓取位姿，进行Xo-Oo-Yo平面内的其他方向的抓取操作；
步骤5：确定机械臂从上方抓取物品的预抓取的位姿坐标系，将步骤4中的Op系绕着Xp中旋转90度，并将原点Op移至Zo轴，到Oo的距离与物品尺寸有关，从而形成新的坐标系，作为上方抓取操作中的预抓取位姿；
步骤6：Oe系需要与Op系重合，即末端执行器要规划至预抓取位姿，然后沿着Ze方向抓取；
步骤7：抓取后Oe系沿着Or系的Zr方向平动至后抓取位姿；
步骤8：末端执行器Oe系归位至指定位置，完成抓取流程。
2.如权利要求1所述的一种基于ROS实现的机械臂物品抓取规划方法，其特征在于：步骤2在物品坐标系Oo系的Xo-Oo-Yo平面生成圆环分布的均匀采样点，且采样点的所在圆环的半径与物品尺寸有关。
3.如权利要求1所述的一种基于ROS实现的机械臂物品抓取规划方法，其特征在于：步骤4以最近距离的原则找出前向抓取的方向，并生成末端执行器的预抓取位姿，与物品尺寸有关。
4.如权利要求1所述的一种基于ROS实现的机械臂物品抓取规划方法，其特征在于：步骤5在步骤4的基础上定义了从上方进行抓取的末端执行器位姿，与物品尺寸有关。
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