CN116009599A

CN116009599A - 载具末端设备的定位方法、装置、载具、存储介质和终端

Info

Publication number: CN116009599A
Application number: CN202310024111.5A
Authority: CN
Inventors: 邱蜀伟; 黄坤
Original assignee: Hunan Shibite Robot Co Ltd
Current assignee: Hunan Shibite Robot Co Ltd
Priority date: 2022-10-31
Filing date: 2023-01-09
Publication date: 2023-04-25

Abstract

本发明涉及载具末端设备的定位方法、装置、载具、存储介质和终端，打破常规方式，突破性的将载具视为虚拟机器人，将其旋转结构视为机器人的旋转关节，位移结构视为机器人的伸缩关节，构建载具的运动学模型，并计算每个旋转关节的旋量。在此基础上，能够根据载具末端设备的初始旋转姿态、初始位置、目标旋转姿态、目标位置和运动学模型以及每个旋转关节的旋量，精确计算出载具的旋转参数和位移参数，使得操作工人的工作从不断目测调节载具的反复劳动，转变为根据相应旋转参数和位移参数，将载具的各关节对准调节至相应参数，从而极大的降低了对安装工人的经验要求，又提高了安装效率和安装精度，是一种快速、精准的载具末端设备定位方法。

Description

载具末端设备的定位方法、装置、载具、存储介质和终端

技术领域

本发明涉及控制领域，尤其涉及一种载具末端设备的定位方法。

背景技术

近年来，随着相机、摄像头等图像采集设备的精度不断提升，机器视觉技术被广泛应用于码垛、焊接、搬运、装配、涂漆、检测、识别等作业场景。以基于视觉的识别场景为例，待识别工件的形状、尺寸等自身特点，决定了在何种特定方向和位置上拍摄该待识别工件，能达到最佳检测识别效果，提高其识别效率和识别精度。

现有技术中，为在特定方向和位置上拍摄待识别工件，是提供一种能调节方向和位置的载具，来将图像采集设备调整至最佳旋转姿态R_d和位置T_d。如图1所示，示例了一种能调节θ₁、θ₂、θ₃三维角度(旋转参数)和横纵竖三轴位移x、y、z(位移参数)的标准三维三轴载具，来安装固定图像采集设备，以将图像采集设备调整至最佳旋转姿态R_d和最佳位置T_d。

但是，针对某待识别工件，在已知图像采集设备的最佳旋转姿态R_d和最佳位置T_d，即：其镜头的最佳捕捉位置的情况下，如何调节载具的旋转参数和位移参数，如图1示例的载具的θ₁、θ₂、θ₃和x、y、z，将图像采集设备调节至最佳旋转姿态R_d和最佳位置T_d是一个难点。

目前是通过人工调节，在将图像采集设备安装在载具上时，通过目测其镜头位置，不断调整载具，使其镜头达到预期的旋转姿态和位置。这种方式，有诸多缺点：1、对工人要求高，需要经验丰富的工人根据图像采集设备的当前旋转姿态和当前位置，不断调整载具的旋转参数和位移参数，以将图像采集设备调节至目标旋转姿态和目标位置，此目测镜头再调整的过程耗时长，尤其是待识别工件更换频繁的工业场景，更是需要不断根据待识别工件的形状尺寸等，不断调节载具的旋转参数和位移参数，大大降低了生产效率；2、工人目测镜头位置做调整，只能让图像采集设备无限接近最佳旋转姿态R_d和最佳位置T_d，有时并不能达到最佳旋转姿态R_d和最佳位置T_d，最重要的是，旋转参数的调整会对位移参数造成影响，给工人的调节过程制造了更大的难度，甚至经过多次调节还无法达到最佳旋转姿态R_d和最佳位置T_d，其安装的精确度无法保证，从而影响后续识别、检测等任务的最终效果。

因此，如何根据图像采集设备的最佳旋转姿态R_d和最佳位置T_d，确定载具的旋转参数和位移参数，方便快捷的将载具上的图像采集设备调节至最佳旋转姿态R_d和位置T_d是当前亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种载具末端设备的定位方法，包括：

S1：将载具视为虚拟机器人，其旋转结构视为机器人的旋转关节，位移结构视为机器人的伸缩关节，构建载具的运动学模型；

S2：在载具的运动学模型基础上，计算每个旋转关节的旋量；

S3：获取载具末端设备的初始旋转姿态和初始位置；

S4：获取载具末端设备的目标旋转姿态和目标位置；

S5：根据载具末端设备的初始旋转姿态、初始位置、目标旋转姿态、目标位置和载具的运动学模型以及每个旋转关节的旋量，确定载具的旋转参数和位移参数。

进一步地，步骤S5，包括：

S51：计算初始旋转姿态和目标旋转姿态的差值；

S52：根据初始旋转姿态和目标旋转姿态的差值，计算旋转参数；

S53：根据载具末端设备的初始位置、旋转参数和每个旋转关节的旋量，确定载具末端设备的过渡位置；

S54：计算目标位置和过渡位置的差值，作为位移参数。

进一步地，载具具体为标准三维三轴载具，则步骤S51，具体为：采用公式(3)计算初始旋转姿态和目标旋转姿态的差值；

其中，R_o表示初始旋转姿态、R_d表示目标旋转姿态、ΔR表示初始旋转姿态和目标旋转姿态的差值。

进一步地，步骤S52中，采用公式(4)-(6)计算每个旋转参数；

θ₁＝arctan(ΔR₃₂，ΔR₃₃) (4)

θ₃＝arctan(ΔR₂₁，ΔR₁₁) (6)

其中，ΔR_ij表示ΔR中的第i行第j列的元素，1≤i≤3，1≤j≤3；θ₁、θ₂、θ₃表示载具的旋转参数。

进一步地，步骤S53中，采用公式(7)-(8)反推计算载具末端设备的过渡位置；

其中，P₁为载具末端设备的过渡位姿，T₀为载具末端设备的初始位置，S₁、S₂、S₃表示载具每个旋转关节的旋量，[S₁]、[S₂]、[S₃]表示与旋量S₁、S₂、S₃对应的反对称矩阵。

进一步地，步骤S54中，采用公式(9)计算位移参数；

ΔT＝T_d-T₁ (9)

其中，T_d表示载具末端设备的目标位置，T₁表示载具末端设备的过渡位置，ΔT表示目标位置和过渡位置的差值，即位移参数。

另一方面，本发明还提供一种载具末端设备的定位装置，用于上述任意的定位方法，包括：模型构建模块、旋量计算模块、第一获取模块、第二获取模块和参数确定模块，分别执行步骤S1-S5。

另一方面，本发明还提供一种载具，通过上述任意的定位方法确定载具的旋转参数和位移参数；或包括上述任意的定位装置。

另一方面，本发明还提供一种计算机存储介质，存储有可执行程序代码；所述可执行程序代码，用于执行上述任意的定位方法。

另一方面，本发明还提供一种终端，包括存储器和处理器；所述存储器存储有可被处理器执行的程序代码；所述程序代码用于执行上述任意的定位方法

本发明提供的载具末端设备的定位方法、装置、载具、存储介质和终端，打破常规方式，突破性的将载具视为虚拟机器人，将其旋转结构视为机器人的旋转关节，位移结构视为机器人的伸缩关节，构建载具的运动学模型，并计算每个旋转关节的旋量。在此基础上，能够根据载具末端设备的初始旋转姿态、初始位置、目标旋转姿态、目标位置和运动学模型以及每个旋转关节的旋量，精确计算出载具的旋转参数和位移参数，使得操作工人的工作从不断目测调节载具的反复劳动，转变为根据相应旋转参数和位移参数，将载具的各关节对准调节至相应参数，从而极大的降低了对安装工人的经验要求，又提高了安装效率和安装精度，是一种快速、精准的载具末端设备定位方法。

附图说明

图1为示例的载具的一个实施例的结构示意图；

图2为本发明载具末端设备的定位方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

为详细解释本发明的技术构思，可选但不仅限于以背景技术中提到的图像采集设备，安装在载具上，以在特定方向和位置上捕捉镜头，以最佳旋转姿态R_d和最佳位置T_d拍摄待识别工件为例做解释说明，但并不以此为限。本领域技术人员可以理解的，该载具末端还可选但不仅限于安装其他设备，只要是通过调节载具的旋转参数和位移参数，以定位载具末端设备的旋转姿态和位置的技术方案，都应当列入本发明的保护范围。此外，载具的具体结构也可选但不仅限于以图1所示的标准三维三轴载具为例做解释说明，其旋转参数包括：θ₁、θ₂、θ₃三维角度，且三个旋转结构的旋转轴两两垂直；位移参数包括：x、y、z，且三个位移结构的位移方向两两垂直，为横纵竖三轴位移。本领域技术人员可以理解的，该载具的旋转参数，通过旋转关节调节，其数量、位置、角度范围、旋转轴方向等均可由本领域技术人员根据末端设备所需到达的位置和精确度而确定；同样的，该载具的位移参数，通过伸缩关节调节，其数量、位置、伸缩长短、伸缩方向等均可由本领域技术人员根据末端设备所需到达的位置和精确度而确定，示例的可选但不仅限于还为二维二轴载具、六维三轴载具等。

如图2所示，本发明提供一种载具末端设备的定位方法，包括：

具体的，将载具视为一个虚拟机器人，根据载具旋转结构的具体情况，可选但不仅限于为旋转结构的数量、每个旋转结构的位置、角度范围、旋转方向等参数中的一个或多个，将旋转结构变换为机器人的旋转关节，将其需要计算的每个旋转参数，如图1示例的θ₁、θ₂、θ₃，视为虚拟机器人每个旋转关节需要旋转的角度。根据载具位移结构的具体情况，可选但不仅限于为：位移结构的数量、每个位移结构的位置、伸缩范围、伸缩方向等参数中的一个或多个，将位移结构变换为机器人的伸缩关节，将其需要计算的每个位移参数，如图1示例的x、y、z，视为虚拟机器人每个伸缩关节需要伸缩的位移量。

更为具体的，以图1示例的标准三维三轴载具为例，根据载具的旋转关节和伸缩关节的分布，建立虚拟坐标系，使得载具的旋转关节对应旋转轴、伸缩关节对应横纵竖三维轴，对载具所构成的虚拟机器人进行建模，构建其运动学模型。

具体的，在运动学模型基础上，在载具处于初始位姿时，对虚拟机器人的每个旋转关节，获得该关节的关节中心的位置以及表示该关节旋转正方向的方向向量，构建出表示该关节的旋量，如图1所示的旋转关节θ₁、θ₂、θ₃的旋量S₁、S₂、S₃。以图1示例的载具为例，旋转关节θ₁对应的旋量S₁，用一个六维向量表示，代表旋转关节θ₁的改变，对载具末端设备的旋转姿态和位置所造成的影响。

S3：获取载具末端设备的初始旋转姿态R_o和初始位置T₀；

具体的，可选但不仅限于根据载具末端设备在六维空间中的当前位置，确定其初始旋转姿态R_o和初始位置T₀，以载具末端设备为图像采集设备为例，即为图像采集设备的当前镜头在六维空间中的位置。更为具体的，该初始旋转姿态R_o和初始位置T₀，可选但不仅限于通过角度测量仪、尺、传感器等获知。

更为具体的，初始旋转姿态R_o和初始位置T₀，统称为初始位姿P₀，可选但不仅限于如公式(1)所示，用一个4*4矩阵表示，其中初始旋转姿态R_o以一个3*3矩阵表示、初始位置T₀以一个3*1向量表示，以确定其在六维空间中的唯一初始位姿P₀。

S4：获取载具末端设备的目标旋转姿态R_d和目标位置T_d；

具体的，以载具末端设备为图像采集设备为例，可选但不仅限于根据待识别工件/物件的形状、尺寸等确定图像采集设备的最佳拍摄位置，即其镜头的最佳捕捉位置，以计算图像采集设备应当所处的最佳旋转姿态和位置，作为目标旋转姿态R_d和目标位置T_d。

更为具体的，目标旋转姿态R_d和目标位置T_d，统称为目标位姿P_d，可选但不仅限于如公式(2)所示，用一个4*4矩阵表示，其中目标旋转姿态R_d以一个3*3矩阵表示、目标位置T_d以一个3*1向量表示，以确定其在六维空间中的唯一目标位姿P_d。

S5：根据载具末端设备的初始旋转姿态R_o、初始位置T₀、目标旋转姿态R_d、目标位置T_d和载具的运动学模型以及每个旋转关节的旋量，确定载具的旋转参数和位移参数。

本发明的载具末端设备的定位方法，打破常规方式，突破性的将载具视为一个虚拟机器人，将其旋转结构视为机器人的旋转关节，位移结构视为机器人的伸缩关节，构建载具的运动学模型，并计算每个旋转关节的旋量。在此基础上，能够根据载具末端设备的初始旋转姿态R_o、初始位置T₀、目标旋转姿态R_d、目标位置T_d和载具的运动学模型以及每个旋转关节的旋量，精确计算出载具的旋转参数和位移参数，使得操作工人的工作从不断目测调节载具、再目测调节载具的反复劳动中，转变为根据相应旋转参数和位移参数，将载具的各关节对准调节至相应参数即可，从而极大的降低了对安装工人的经验要求，又提高了安装效率和安装精度，是一种快速、精准的载具末端设备定位方法。值得注意的，上述步骤S1-S5以及后面的序号标记，仅为标注说明，并不对该定位方法的步骤，做任何限定。示例的，步骤S1-S2和步骤S3、S4，可同时执行，也可无顺序限制的先后执行。

具体的，步骤S5，可选但不仅限于包括：

S51：计算初始旋转姿态R_o和目标旋转姿态R_d的差值ΔR；

S52：根据初始旋转姿态R_o和目标旋转姿态R_d的差值，计算每个旋转参数；

具体的，以图1示例的标准三维三轴载具为例，其旋转参数包括：θ₁、θ₂、θ₃三维角度，且根据该载具的运动学模型可知，其旋转关节的旋转轴分别对应坐标系的x、y、z轴，两两垂直设置，那么可选但不仅限于采用公式(3)计算初始旋转姿态R_o和目标旋转姿态R_d的差值ΔR；采用roll-pitch-yaw方式的欧拉角表示形式，即公式(4)-(6)计算每个旋转参数Θ₁、Θ₂、Θ₃。

θ₁＝roll＝arctan(ΔR₃₂，ΔR₃₃) (4)

θ₃＝yaw＝arctan(ΔR₂₁，ΔR₁₁) (6)

其中，ΔR_ij表示ΔR中的第i行第j列的元素。

S53：根据载具末端设备的初始位置T₀、旋转参数和每个旋转关节的旋量，确定载具末端设备的过渡位置T₁；

具体的，若按照步骤S52计算的旋转参数调节载具的旋转关节，则载具末端设备的旋转姿态已经达到目标旋转姿态R_d，与此同时由于旋转关节的变动，载具末端设备的当前位置，已然不再是其初始位置T₀，而是由于旋转关节的运动，而同样的运动到过渡位置T₁，也就是说载具末端设备的当前位置已经是过渡位置T₁了，发生改变了。此时，该过渡位置T₁，即可通过载具末端设备的初始位置T₀、步骤S42计算的旋转参数和步骤S1确定的每个旋转关节的旋量而计算得到。

更为具体的，同样的以图1示例的标准三维三轴载具为例，在其运动学模型和旋量基础上，即可通过公式(7)-(8)反推计算过渡位置T₁。

其中，P₁为载具末端设备的过渡位姿，[S₁]、[S₂]、[S₃]表示与旋量S₁、S₂、S₃对应的反对称矩阵(skew-symmetric matrix)，θ₁、θ₂、θ₃表示旋转参数。

S54：计算目标位置T_d和过渡位置T₁的差值ΔT，作为位移参数。

具体的，目标位置T_d和过渡位置T₁的差值ΔT，即为载具末端设备剩余需要移动的位移量，也就是需要计算的载具的位移参数，可选但不仅限于采用公式(9)计算得到。更为具体的，ΔT的每行元素，即为载具每个位移结构在每个维度上所需要移动的位移量，即位移参数。

更为具体的，以图1示例的标准三维三轴载具为例，ΔT为三维向量，分别表示x、y、z上的位移参数。

ΔT＝T_d-T₁ (9)

在该实施例中，给出了步骤S51-S54如何计算旋转参数和位移参数的优选实施例，但并不以此为限。同时，以标准三维三轴载具为例，给出了具体计算公式，但并不以此为限。本领域技术人员可以理解的，载具的形式多种多样，旋转结构或/和位移结构的不同，其构建的运动学模型必然不同，在此基础上其计算公式略有差异，但是其具体计算步骤仍是以S51-S54为基础，针对不同模型而变化，在此不再一一例举，仅以标准三维三轴载具为基础给出适应性举例。

另一方面，本发明还提供一种载具末端设备的定位装置，用于执行上述任意的载具末端设备的定位方法，包括：模型构建模块、旋量计算模块、第一获取模块、第二获取模块和参数确定模块，分别执行上述步骤S1-S5。具体的，各模块划分仅为功能性划分，并不对其物理划分做任何限定；本领域技术人员可以理解的，第一获取模块、第二获取模块，可选但不仅限于为输入设备，以输入各旋转姿态、位置等；或为采集设备，实时采集各旋转姿态、位置等；或为通讯设备，以实时获取各旋转姿态、位置。模型构建模块、旋量计算模块、和参数确定模块，可选但不仅限于为计算机程序，以执行上述功能。

另一方面，本发明还提供一种计算机存储介质，存储有可执行程序代码；所述可执行程序代码，用于执行上述任意的载具末端设备的定位方法。

另一方面，本发明还提供一种终端设备，包括存储器和处理器；所述存储器存储有可被处理器执行的程序代码；所述程序代码用于执行上述任意的载具末端设备的定位方法。

示例性的，所述程序代码可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述程序代码在终端设备中的执行过程。

所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所述处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器可以是终端设备的内部存储单元，例如硬盘或内存。所述存储器也可以是终端设备的外部存储设备，例如终端设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器还可以既包括终端设备的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器用于存储所述程序代码以及终端设备所需的其他程序和数据。所述存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

上述载具末端设备的定位装置、载具、计算机存储介质和终端，基于上述载具末端设备的定位方法而创造，其技术作用和有益效果在此不再赘述，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。