1.一种基于高斯函数刚度变换的机械臂位置控制装配方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)相机标定:使用深度相机,采用眼在手的手眼标定法对相机相对于末端执行器的位置进行标定,末端执行器坐标系相对于机械臂基座标系的齐次变换矩阵由机械臂自身获得,末端执行器坐标系与机械臂基座标系的关系,如式(1‑1)所示:Pb=Ab2ePe (1‑1)
通过式(1‑1)得出机械臂初始位置下末端执行器坐标系相对于机械臂基座标系的齐次变换矩阵,记为Ab2e_start,初始位置下末端执行器坐标系与机械臂基座标系的关系如式(1‑
3)所示:
Pb=Ab2e_startPe (1‑3)世界坐标系相对于相机坐标系的旋转平移矩阵,通过Aruco码标定的方法获得,世界坐标系与相机坐标系的关系如式(1‑5)所示:Pc=Ac2wPw (1‑5)
世界坐标系相对于机械臂基座标系的旋转平移矩阵由手动测量得知,世界坐标系与机械臂基座标系的关系,如式(1‑7)所示:Ab2wPw=Pb (1‑7)
相机坐标系与末端执行器坐标系的关系,如式(1‑9)所示:
Pe=Ae2cPc (1‑9)
联立式(1‑3)、(1‑5)、(1‑7)、(1‑9)得出相机坐标系相对于末端执行器坐标系的齐次变换矩阵,如式(1‑11)所示:其中,Pe,Pc,Pw,Pb分别表示末端执行器的坐标系向量、相机坐标系向量、世界坐标系向量和机械臂基座标系向量;Ab2e、Ab2e_start、Ae2c、Ac2w、Ab2w分别表示末端执行器坐标系相对于机械臂基座标系的齐次变换矩阵、初始位置末端执行器坐标系相对于机械臂基座标系的齐次变换矩阵、相机坐标系相对于末端执行器坐标系的齐次变换矩阵、世界坐标系相对于相机坐标系的齐次变换矩阵、世界坐标系相对于机械臂基座标系的齐次变换矩阵;Rb2e、Tb2e分别表示末端执行器坐标系相对于机械臂基座标系的旋转矩阵和平移矩阵;Rb2e_start、Tb2e_start分别表示初始位置下末端执行器坐标系相对于机械臂基座标系的旋转矩阵和平移矩阵;Re2c、Te2c分别表示相机坐标系相对于末端执行器坐标系的旋转矩阵和平移矩阵;Rc2w、Tc2w分别表示世界坐标系相对于相机坐标系的旋转矩阵和平移矩阵;Rb2w、Tb2w分别表示世界坐标系相对于机械臂基座标系的旋转矩阵和平移矩阵;
像素坐标系与相机坐标系的关系如式(1‑12)所示:
由相机官方实例代码得出相机内参如式(1‑13)所示:
再将像素坐标系转到相机坐标系中,联立式(1‑12)、(1‑13)可得式(1‑14):其中,u、v分别表示像素坐标;xc、yc、zc分别表示相机坐标;K表示相机内参;fx、fy分别表示相机x和y方向上的焦距;cx、cy分别表示相机光轴在图像坐标系中x和y方向上的偏移量;
联立(1‑1)、(1‑9)、(1‑11)、(1‑14),即可得到像素坐标系与机械臂基座标系的关系,如式(1‑15)所示:
2)目标检测和定位:使用YOLOv5目标检测,区分出装配物体和基座,并获取装配物体和基座的中心点坐标和中心点的深度信息分别记为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2);
3)姿态估计:通过6Dof‑Graspnet算法计算出可视局部点云的所有持握姿态,并通过评估网络推理得出最佳持握姿态,得到装配物体和基座的姿态,分别记为R1、R2;
4)串口通讯:负责视觉处理的上位机通过串口通讯将步骤2)得到的2个位置信息(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)和步骤3)得到的2个姿态信息R1、R2发送至负责机械臂控制的上位机;
5)机械臂位置控制:根据步骤4)传输获得的装配物体的位置信息(x1,y1,z1),通过机械臂控制柜给机械臂发送指令,令其到达(x1,y1,z1)点;
6)抓取:到达(x1,y1,z1)点后,当与装配物体发生接触时,设置刚度下限值;通过步骤
4)传输获得的装配物体位姿信息R1,调整机械臂末端执行器的姿态,闭合夹爪对物体进行抓取;
7)机械臂位置控制:抓取成功后,根据步骤4)传输获得的基座的位置信息(x2,y2,z2),通过机械臂控制柜给机械臂发送指令,令其到达(x2,y2,z2)点;
8)装配:到达(x2,y2,z2)点后,通过步骤4)传输获得的基座位姿信息R2,调整机械臂末端执行器的姿态,完成装配动作;
9)复位:装配完成后,松开末端执行器,命令机械臂回到初始位置,结束整个装配过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于高斯函数刚度变换的机械臂位置控制装配方法,其特征在于,所述步骤4)中,机械臂控制柜在一开始就打开等待视觉处理的上位机发送的位姿信息,判断收到才会进行下面的步骤,否则一直等待。
3.根据权利要求1所述的一种基于高斯函数刚度变换的机械臂位置控制装配方法,其特征在于,所述步骤5)中,机械臂PD控制方程如式(1‑16)所示:高斯函数如(1‑17)所示:
其中,τ表示机械臂的力矩;J表示雅克比矩阵;Kp表示PD控制的比例增益,在机械臂控制中表示机械臂的刚度矩阵;Kd表示PD控制的微分控制,在机械臂控制中表示机械臂的阻尼矩阵;xd表示期望位置;x表示实际位置; 表示期望速度;表示实际速度;Kg表示高斯函数的增益,是y轴放大系数;slide是x轴的缩放系数;t表示时间;μ是x轴的平移量;σ表示标准方差。