CN113989472A - 一种精准抓取目标物的方法、系统和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种精准抓取目标物的方法，包括获取目标物的图像，目标物的图像包含具有特征位点的特征图案，将特征图案与具有标准位点的标准图案进行比对，获取目标物的位置偏移信息。同时，识别特征图案，获取目标物的特征信息，根据获取的位置偏移信息与特征信息，调整夹取方式和状态，对目标物进行抓取。本发明还提供了一种用于实现该方法的搬运系统，包括放置平台、搬运机器人以及存放装置，搬运机器人内设有处理器，用于控制驱动机构及夹取机构对目标物进行抓取。本发明通过特征图案的位置来实现目标物的抓取，简化了抓取程序，提高了抓取的精度和准确度。

Description

一种精准抓取目标物的方法、系统和设备
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种精准抓取目标物的方法、系统和设备。
背景技术
递送机器人目前主要有5大定位技术：(1)超声波导航定位技术，(2)视觉导航定位技术，(3)GPS全球定位系统，(4)激光导航定位技术，(5)UWB定位技术。然而在实践应用过程中发现这些方法在实用性上存在局限性：
(1)超声波导航定位技术，在机器人身上安装有超声波发射器与接收器，通过超声波发射与接收的时间差计算出机器人与前方障碍物的距离，需要在机器人四周围安装多对超声波发射器与接收器才能实现机器人定位，超声波定位精度一般在5厘米以内。超声波受多径效应和非视距传播影响很大，且超声波频率受多普勒效应和温度影响，同时也需要大量基础硬件设施，成本较高。
(2)视觉导航定位技术，视觉导航定位系统的工作原理简单说来就是对机器人周边的环境进行光学处理，先用摄像头进行图像信息采集，将采集的信息进行压缩，然后将它反馈到一个由神经网络和统计学方法构成的学习子系统，再由学习子系统将采集到的图像信息和机器人的实际位置联系起来，完成机器人的自主导航定位功能。视觉导航定位需要安装多套摄像头，成本相对较高。
(3)GPS全球定位系统，一般采用伪距差分动态定位法，用基准接收机和动态接收机共同观测4颗GPS卫星，按照一定的算法即可求出某时某刻机器人的三维位置坐标。GPS定位适用于室外环境的定位，对于室内环境由于GPS信号弱而定位失败。
(4)激光导航定位技术，激光定位技术与超声波定位类似，也是通过发射与接收的时间差来完成机器人与障碍物的距离测试，其定位精度可达到30毫米。然而激光导航方法成本高，而且后期维护成本也相对较高。
(5)UWB定位技术，通过部署多个UWB基站，采用不同UWB基站的信号到达UWB标签的时间差来完成对UWB标签的定位，定位精度可达到10厘米。然而它需要在每个定位区块架设定位基站，成本极高。
最新的定位技术则是通过视觉导航定位技术进行定位，现有专利公布以下技术，但存在一定的局限性：中国专利(授权公告号：CN208788595U)公布了一种视觉定位机器人，需要多个摄像头辅助定位，运算量较大，需要功能更强的计算机系统来完成定位运算，且基于多个摄像头的数据处理时间上相对较长。中国专利(授权公告号：CN208246822U)公布了一种3D视觉定位机器人，采用了3D视觉设备，价格相对较高，且处理3D数据量较大，处理时间相对较长。
如上述所提到的现有技术中主要采用的定位技术由于摄像设备数量、运算量以及数据处理系统的影响，普遍存在数据量大、处理时间长、设备成本高以及定位精度不够高等缺点。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提出了一种精准抓取目标物的方法、系统和设备，运用抓取方法，操作搬运系统，通过机器人设备实现目标物的抓取，具有成本低、识别快、结构简单的优点。
具体通过以下技术方案实现：
一种精准抓取目标物的方法，包括：
获取目标物的图像，所述目标物的图像包含具有特征位点的特征图案，将所述特征图案与具有标准位点的标准图案进行比对，获取所述目标物的位置偏移信息；
识别所述特征图案，获取所述目标物的特征信息；
根据所述位置偏移信息与所述特征信息，调整夹取方式和状态，对所述目标物进行抓取。
在一个具体实施例中，获取所述目标物的图像的具体操作为：将所述目标物放置于放置平台，调整获取图像的装置，使所述装置位于放置平台的上方，由上至下获取所述目标物的图像。
在一个具体实施例中，
比对所述特征图案与具有标准位点的标准图案的具体操作为：
以所述目标物所在的平面建立坐标系，获取所述特征位点的坐标值，根据所述坐标值计算特征中心坐标和特征成像宽度W’，通过所述特征中心坐标与所述标准图案的标准中心坐标的坐标差，以及所述标准图案的标准宽度W与所述特征成像宽度W’的比例R，获取所述目标物的位置偏移信息。
在一个具体实施例中，获取所述特征信息的具体过程为：
获取所述特征信息的抓取信息，调整抓取的宽度、力度，对所述目标物进行抓取；
获取所述特征信息的存放信息，根据所述存放信息将抓取的所述目标物放置于预定位置。
在一个具体实施例中，所述特征图案为矩形特征图案，所述特征图案以编码的形式将所述特征信息存放于所述特征图案中。
在一个具体实施例中，所述特征信息预先存储于存储装置内。
一种精准抓取目标物的搬运系统，包括放置平台、搬运机器人以及存放装置，所述搬运机器人包括：
图像获取装置：用于获取放置平台上的目标物的图像，所述目标物的图像包括具有特征位点的特征图案；
处理器：用于将所述特征图案与具有标准位点的标准图案进行比对，获取所述目标物的位置偏移信息，控制驱动机构及夹取机构对所述目标物进行抓取；
驱动机构：用于根据所述处理器发出的移动指令移动夹持机构的位置；
夹取机构：用于根据所述处理器发出的夹取指令夹取所述目标物。
在一个具体实施例中，所述处理器包括：
计算单元：用于以所述目标物所在的平面建立坐标系，获取所述特征位点的坐标值，根据所述坐标值获取特征中心坐标和特征成像宽度W’，通过所述特征中心坐标与所述标准图案的标准中心坐标的坐标差，以及所述标准图案的标准宽度W与所述特征成像宽度W’的比例R，获取所述目标物的位置偏移信息。
存储单元：用于存储每一个目标物的特征信息；
控制单元：用于发出所述移动指令和所述夹取指令控制所述搬运机器人。
在一个具体实施例中，还包括光源组件，所述光源组件用于提供所述图像获取装置所需的光源。
一种精准抓取目标物的机器人，包括：图像获取装置、处理器、驱动机构、夹取机构以及光源组件，所述驱动机构的顶端设有所述夹取机构，所述夹取机构的上方设有所述图像获取装置和所述光源组件，所述图像获取装置为单目摄像头，所述处理器设置于所述机器人的内部，所述处理器用于处理获取的图像、控制所述驱动机构、所述夹取机构抓取目标物。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明针对现有技术中机器人定位存在数据量大、处理时间长、摄像设备成本高以及定位精度不够高的缺点，提出了一种精准抓取目标物的方法、系统和设备。通过获取目标物图像中的特征图案，将特征图案与标准图案进行比对，获取目标物的位置偏移信息，以及特征图案中的特征信息，根据位置偏移信息与特征信息，实现目标物从放置平台抓取放至存放装置的功能。
2.图像获取的装置采用单目摄像头，定位精度可达到1mm，具有低成本，精度高，识别速度快的优势。
3.图像获取的装置设有光源提高识别的成功率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明抓取方法流程示意图；
图2为本发明机器人模块示意图；
图3为本发明机器人立体图；
图4为本发明搬运系统示意图；
图5为本发明位置偏移示意图。
附图标记：
1-放置平台；2-搬运机器人；3-存放装置；
21-图像获取装置；22-处理器；23-驱动机构；24-夹取机构；25-光源组件；
221-计算单元；222-存储单元；223-控制单元；224-生成单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明针对现有技术，提供了一种精准抓取目标物的方法，解决了现有技术中机器人抓取过程存在数据量大、处理时间长、摄像设备成本高以及定位精度不够高的缺点，本发明通过一种精准抓取目标物的方法，使定位精度可达到1mm。具体地、机器人通过特征图案与标准图案的偏移信息以及特征图案的特征信息，实现机器人对物品的夹取。提供了一种精准抓取目标物的搬运系统，通过处理器处理图像获取装置中获取的目标物的图案，同时配合光源组件，提高图像获取清晰度，处理器控制驱动机构、夹取机构夹取目标物。
如图1-5所示，一种精准抓取目标物的方法，包括：
S1：获取目标物的图像，目标物的图像包含具有特征位点的特征图案，将特征图案与具有标准位点的标准图案进行比对，获取目标物的位置偏移信息。
S2:识别特征图案，获取目标物的特征信息。
S3:根据位置偏移信息与特征信息，调整夹取方式和状态，对目标物进行抓取。
其中，S11：获取目标物的图像的具体操作为：
将目标物放置于放置平台，调整获取图像的装置，使装置位于放置平台的上方，由上至下获取目标物的图像。
S12:比对特征图案与具有标准位点的标准图案的具体操作为：
以目标物所在的平面建立坐标系，获取特征位点的坐标值，根据坐标值计算特征中心坐标和特征成像宽度W’，通过特征中心坐标与标准图案的标准中心坐标的坐标差，以及标准图案的标准宽度W与特征成像宽度W’的比例R，获取目标物的位置偏移信息。
S2:识别特征图案，获取特征信息的具体过程为：
S21:获取特征信息的抓取信息，调整抓取的宽度、力度，对目标物进行抓取。
S22:获取特征信息的存放信息，根据存放信息将抓取的目标物放置于预定位置。
其中，特征图案为矩形特征图案，特征图案以编码的形式将特征信息存放于特征图案中，特征信息预先存储于存储装置内。
一种精准抓取目标物的搬运系统，包括放置平台1、搬运机器人2以及存放装置3。
其中，搬运机器人2包括：
图像获取装置21：用于获取放置平台1上的目标物的图像，目标物的图像包括具有特征位点的特征图案。
处理器22：用于将特征图案与具有标准位点的标准图案进行比对，获取目标物的位置偏移信息，控制驱动机构及夹取机构对目标物进行抓取。
驱动机构23：用于根据处理器发出的移动指令移动夹持机构的位置。
夹取机构24：用于根据处理器发出的夹取指令夹取目标物。
光源组件25:光源组件用于提供图像获取装置所需的光源。
具体地，处理器22包括：
计算单元221：用于以目标物所在的平面建立坐标系，获取特征位点的坐标值，根据坐标值获取特征中心坐标和特征成像宽度W’，通过特征中心坐标与标准图案的标准中心坐标的坐标差，以及标准图案的标准宽度W与特征成像宽度W’的比例R，获取目标物的位置偏移信息。
存储单元222：用于存储每一个目标物的特征信息。
生成单元223：用于生成移动指令和夹取指令。
控制单元224：用于发出移动指令和夹取指令控制搬运机器人2。
一种精准抓取目标物的机器人，包括：图像获取装置21、处理器22、驱动机构23、夹取机构24以及光源组件25，驱动机构23的顶端设有夹取机构24，夹取机构24的上方设有图像获取装置21和光源组件25，图像获取装置21为单目摄像头，处理器22设置于机器人的内部，处理器22用于处理获取的图像、控制驱动机构23、夹取机构24抓取目标物。
实施例1
特征图案为二维码图像，本发明通过识别二维码图像实现物体的定位、抓取、放置。
本发明提供一种精准抓取目标物的方法，机器人对目标物进行识别与抓取，总体流程如下：
获取目标物的二维码图像，二维码图像具有位于二维码顶点位置的四个二维码位点，将获取的二维码图像与标准二维码进行比对，从而获取目标物的偏移信息。
识别二维码，获取存储于二维码内部的二维码信息。
根据偏移信息以及二维码信息，调整夹取方式和状态，对目标物进行抓取。
其中，获取目标物的二维码图像的具体过程为：
将目标物放置于放置平台，调整获取二维码的装置，使装置位于放置平台的上方，由上至下获取目标物上的二维码。
比对获取的二维码图像与标准二维码的具体操作为：
以目标物所在的平面建立坐标系，获取二维码位点的坐标值，根据坐标值计算二维码图像的中心坐标和成像宽度W’。
其中，二维码位点的坐标值表示为：
A’(x1,y1),B’(x2,y2),C’(x3,y3)，D’(x4,y4)，
中心点坐标在x轴的数值为二维码对角线中点x轴的数值，二维码中心点坐标在x轴的表达式为：x0’＝(x1+x3)/2。二维码图像的中心坐标在y轴的数值为二维码对角线中点y轴的数值，二维码图像的中心坐标在y轴的表达式为：y0’＝(y1+y3)/2。通过已知x、y轴坐标确定二维码中心点坐标。
二维码图像的中心坐标的表达式为：
Figure BDA0003291025040000091
成像宽度W’的表达式为:
Figure BDA0003291025040000092
通过二维码图像的中心坐标与标准二维码的标准中心坐标的坐标差，以及标准二维码的标准宽度W与成像宽度W’的比例R，获取目标物的位置偏移信息。
其中，目标物的位置偏移信息包括位置偏移量以及位置偏移角度，位置偏移量通过坐标差和比例R获取，位置偏移角度通过反三角函数获取。
位置偏移量的表达式为：
Dx＝(x0’-x0)*R
Dy＝(y0’-y0)*R
Dx为x轴的偏移量，Dy为y轴的偏移量；
位置偏移角度的表达式为：
Figure BDA0003291025040000101
每一个目标物的二维码图像都表现为不同的编码，通过编码以二维码的形式将二维码信息存放于二维码图像中，每一个二维码图像所存储的二维码信息不一致，而每一个二维码信息都被预先存储于存储装置中。
具体地，识别二维码图像，获取二维码信息的具体过程为：
获取二维码信息的抓取信息，调整抓取的宽度、力度，对目标物进行抓取；
获取二维码信息的存放信息，根据存放信息将抓取的目标物放置于预定位置。
其中，获取抓取信息具体过程为：获取抓取信息中的抓取宽度，调整抓取装置的张开宽度，抓取目标物；获取抓取信息中的抓取力度，控制抓取力度对目标物进行抓取。
获取存放信息具体过程为：根据存放信息中的存放编号，获取存放编号对应的存放位置，从而移动目标物至存放位置。
在一种精准抓取目标物的方法的基础上，还提出了一种精准抓取目标物的搬运系统，形成一种具体的系统，使其更具备实用性。
一种精准抓取目标物的搬运系统，包括放置平台1、搬运机器人2以及存放装置3。
其中，搬运机器人2包括：
图像获取装置21：用于获取放置平台1上的目标物的图像，目标物的图像包括具有二维码位点的二维码图案。
处理器22：用于将二维码图案与具有标准位点的标准二维码进行比对，获取目标物的位置偏移信息，控制驱动机构及夹取机构对目标物进行抓取。
驱动机构23：用于根据处理器发出的移动指令移动夹持机构的位置。
夹取机构24：用于根据处理器发出的夹取指令夹取目标物。
光源组件25:光源组件用于提供图像获取装置所需的光源。
具体地，处理器22包括：
计算单元221：用于以目标物所在的平面建立坐标系，获取二维码位点的坐标值，根据坐标值获取二维码图像的中心坐标和成像宽度W’，通过二维码图像的中心坐标与标准二维码的标准中心坐标的坐标差，以及标准二维码的标准宽度W与成像宽度W’的比例R，获取目标物的位置偏移信息。
存储单元222：用于存储每一个目标物的二维码信息。
生成单元223：用于生成移动指令和夹取指令。
控制单元224：用于发出移动指令和夹取指令控制搬运机器人2。
其中、生成单元223包括：
生成移动指令子单元：将获取的位置偏移信息生成机器人可以识别的移动指令。
生成夹取指令子单元：根据二维码信息中的目标物尺寸、目标物重量生成机器人可以识别的夹取指令。
本发明还提供一种精准抓取目标物的机器人，包括：图像获取装置、处理器、驱动机构、夹取机构以及光源组件，驱动机构的顶端设有夹取机构，夹取机构的上方设有图像获取装置和光源组件，处理器设置于机器人的内部，处理器用于处理获取的图像、控制驱动机构、夹取机构抓取目标物。
具体地，图像获取装置为单目摄像头，硬件成本低。驱动机构为多轴机械臂，可以进行360度旋转，并且任意角度进行目标物的抓取。通过图像获取装置获取二维码图像，处理器处理二维码图像，获取目标物的位置偏移信息以及抓取力度、抓取张开宽度，控制驱动机构、夹取机构进行目标物夹取，具有结构简单，稳定可靠，效率高的优点。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种精准抓取目标物的方法，其特征在于，包括：
获取目标物的图像，所述目标物的图像包含具有特征位点的特征图案，将所述特征图案与具有标准位点的标准图案进行比对，获取所述目标物的位置偏移信息；
识别所述特征图案，获取所述目标物的特征信息；
根据所述位置偏移信息与所述特征信息，调整夹取方式和状态，对所述目标物进行抓取。
2.根据权利要求1所述的一种精准抓取目标物的方法，其特征在于，获取所述目标物的图像的具体操作为：将所述目标物放置于放置平台，调整获取图像的装置，使所述装置位于放置平台的上方，由上至下获取所述目标物的图像。
3.根据权利要求1所述的一种精准抓取目标物的方法，其特征在于，
比对所述特征图案与具有标准位点的标准图案的具体操作为：
以所述目标物所在的平面建立坐标系，获取所述特征位点的坐标值，根据所述坐标值计算特征中心坐标和特征成像宽度W’，通过所述特征中心坐标与所述标准图案的标准中心坐标的坐标差，以及所述标准图案的标准宽度W与所述特征成像宽度W’的比例R，获取所述目标物的位置偏移信息。
4.根据权利要求1所述的一种精准抓取目标物的方法，其特征在于，获取所述特征信息的具体过程为：
获取所述特征信息的抓取信息，调整抓取的宽度、力度，对所述目标物进行抓取；
获取所述特征信息的存放信息，根据所述存放信息将抓取的所述目标物放置于预定位置。
5.根据权利要求3所述的一种精准抓取目标物的方法，其特征在于，所述特征图案为矩形特征图案，所述特征图案以编码的形式将所述特征信息存放于所述特征图案中。
6.根据权利要求5所述的一种精准抓取目标物的方法，其特征在于，所述特征信息预先存储于存储装置内。
7.一种精准抓取目标物的搬运系统，其特征在于，包括放置平台、搬运机器人以及存放装置，所述搬运机器人包括：
图像获取装置：用于获取放置平台上的目标物的图像，所述目标物的图像包括具有特征位点的特征图案；
处理器：用于将所述特征图案与具有标准位点的标准图案进行比对，获取所述目标物的位置偏移信息，控制驱动机构及夹取机构对所述目标物进行抓取；
驱动机构：用于根据所述处理器发出的移动指令移动夹持机构的位置；
夹取机构：用于根据所述处理器发出的夹取指令夹取所述目标物。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述处理器包括：
计算单元：用于以所述目标物所在的平面建立坐标系，获取所述特征位点的坐标值，根据所述坐标值获取特征中心坐标和特征成像宽度W’，通过所述特征中心坐标与所述标准图案的标准中心坐标的坐标差，以及所述标准图案的标准宽度W与所述特征成像宽度W’的比例R，获取所述目标物的位置偏移信息。
存储单元：用于存储每一个目标物的特征信息；
控制单元：用于发出所述移动指令和所述夹取指令控制所述搬运机器人。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括光源组件，所述光源组件用于提供所述图像获取装置所需的光源。
10.一种精准抓取目标物的机器人，其特征在于，包括：图像获取装置、处理器、驱动机构、夹取机构以及光源组件，所述驱动机构的顶端设有所述夹取机构，所述夹取机构的上方设有所述图像获取装置和所述光源组件，所述图像获取装置为单目摄像头，所述处理器设置于所述机器人的内部，所述处理器用于处理获取的图像、控制所述驱动机构、所述夹取机构抓取目标物。
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