一种被机械手夹取的物体的姿态变化检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种被机械手夹取的物体的姿态变化检测装置及方法；检测装置包括：机械手夹取系统，所述机械手夹取系统包括机械手和两个机械手指；所述机械手为横杆，两个机械手指均为与横杆垂直的竖杆，两个机械手指分别安装在横杆的两端；所述两个机械手指用于夹持物体；其中一个机械手指上内嵌第一滑觉传感器sensor1和第二滑觉传感器sensor2，另外一个机械手指上内嵌第三滑觉传感器sensor3；每个滑觉传感器均用于检测滑动位移量和滑动方向；每个滑觉传感器均通过对应的A/D转换器与存储器连接，所述存储器与DSP连接，所述DSP通过USB接口与控制计算机连接。从而实现物体姿态变化的定量检测。检测方法可以进一步用于被夹取物体连续轨迹监测和跟踪。

【技术实现步骤摘要】
一种被机械手夹取的物体的姿态变化检测装置及方法
本专利技术涉及一种被机械手夹取的物体的姿态变化检测装置及方法，涉及机器人操控领域。
技术介绍
机器人在非结构环境中实现对物体的稳定、灵活夹取，是机器人技术发展中最具挑战的研究领域之一。在实际夹取操作中，被夹取物体不可避免会出现倾斜、滑移、旋转等姿态变化等情况，如沿x、y、z轴的平移和绕三轴的转角变化等。如果能对被夹取物体的姿态变化进行实时定量检测并反馈给机械手，机械手控制器会根据这些实时数据做出相应的操作，则可大大提高夹取的稳定性和操作的灵活性。目前，对被夹取物体的姿态变化检测方法主要有两类：一是采用视觉方法，即通过在机械手外部布置相机来监测被夹取物体的姿态变化，这种方法缺点是相机光路易被工件或机械手遮挡，影响适用范围，另外，检测效果对环境照明也比较敏感；二是采用触觉传感器方法，即通过机械手指与被抓物体的触觉传感信息来判断被夹取物体的姿态变化，这种方法尽管可以克服视觉方法的缺点，其缺点是只能定性的检测，只能检测被夹取物体姿态变化是平移、旋转还是翻滚，无法对姿态变化进行定量测量。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足，提出一种被机械手夹取的物体的姿态变化检测装置及方法，本方法通过嵌入到机械手指内的三个滑觉传感器来实现，其原理是首先采用滑觉传感器检测姿态变化前后物体表面滑动位移量大小及方向，然后通过几何空间变换得到被夹取物体沿x、y、z方向的平移距离和绕x、y、z轴的转角变化，从而实现物体姿态变化的定量检测。检测方法可以进一步用于被夹取物体连续轨迹监测和跟踪。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种被机械手夹取的物体的姿态变化检测装置，包括：机械手夹取系统，所述机械手夹取系统包括机械手和两个机械手指；所述机械手为横杆，两个机械手指均为与横杆垂直的竖杆，两个机械手指分别安装在横杆的两端；所述两个机械手指用于夹持物体；其中一个机械手指上内嵌第一滑觉传感器sensor1和第二滑觉传感器sensor2，另外一个机械手指上内嵌第三滑觉传感器sensor3；三个滑觉传感器均为全方向性滑觉传感器，每个滑觉传感器均用于检测滑动位移量和滑动方向；每个滑觉传感器均通过对应的A/D转换器与存储器连接，所述存储器与DSP连接，所述DSP通过USB接口与控制计算机连接。一种被机械手夹取的物体的姿态变化检测方法，包括如下步骤：步骤(1)：建立机械手坐标系O-XYZ；建立被夹取物体坐标系o-xyz；将三个滑觉传感器分别安装到机械手指中；步骤(2)：机械手上的机械手指夹取物体，每个滑觉传感器采集被夹取物体的坐标值；在当前状态state(n-1)下，第i个滑觉传感器输出的坐标值为：其中，i＝1,2...,3，对应于sensor1,sensor2,sensor3三个滑觉传感器；在被夹取物体在机械手指上产生滑动之后的状态state(n)下，第i个滑觉传感器输出的坐标值为：步骤(3)：将sensor1,sensor2,sensor3三个滑觉传感器检测输出的坐标值表示为点集P＝{p1,p2,p3}，则对应于state(n-1)状态，sensor1,sensor2,sensor3三个滑觉传感器检测输出的点集Pstate(n-1)表示为：其中，表示state(n-1)状态下第一滑觉传感器sensor1检测输出的坐标值；表示state(n-1)状态下第二滑觉传感器sensor2检测输出的坐标值；表示state(n-1)状态下第三滑觉传感器sensor3检测输出的坐标值；对应于state(n)状态，sensor1,sensor2,sensor3三个传感器检测输出的点集Pstate(n)表示为：其中，表示state(n)状态下第一滑觉传感器sensor1检测输出的坐标值；表示state(n)状态下第二滑觉传感器sensor2检测输出的坐标值；表示state(n)状态下第三滑觉传感器sensor3检测输出的坐标值；则，两个点集Pstate(n-1)与Pstate(n)之间的关系式表示为：Pstate(n)＝R·Pstate(n-1)+T，(1)；其中，是两个点集之间的旋转矩阵；T＝[t11t12t13]T是两个点集之间的平移矩阵；旋转矩阵包含着被测物体由状态state(n-1)到state(n)时的旋转信息；平移矩阵包含着被测物体由状态state(n-1)到state(n)时的平移信息；步骤(4)：基于交叉协方差矩阵的奇异值分解方法求解旋转矩阵R和平移矩阵T，分别由旋转矩阵R和平移矩阵T计算得到被夹取物体在x、y、z轴方向的直线位移Δx、Δy、Δz及绕三个坐标轴的转角θx、θy、θz；从而实现物体的姿态变化的检测；Δx＝t11，(2)；Δy＝t12，(3)；Δz＝t13，(4)；θx＝atan2(r32,r33)，(5)；θz＝atan2(r21,r11)，(7)；其中，atan2()是反正切函数。所述步骤(4)基于交叉协方差矩阵的奇异值分解方法求解旋转矩阵R和平移矩阵T的步骤为：步骤(401)：定义旋转向量：其中，q0＞0，且，定义平移向量：由和构建完整的状态向量：步骤(402)：构建目标方程通过迭代，使趋向于0，步骤(403)：计算点集Pstate(n-1)的质心计算点集Pstate(n)的质心则，点集Pstate(n-1)和Pstate(n)的交叉协方差矩阵∑p表示为：用交叉协方差矩阵∑p计算最佳旋转矩阵，并计算最佳平移向量，步骤为：构建反对称矩阵并用反对称矩阵的循环分量构成列向量：Δ＝[A23A31A12]T，用列向量Δ＝[A23A31A12]T进一步构造4*4对称矩阵Q(∑p)：其中，I3是3*3单位矩阵，对应于矩阵Q(∑p)最大特征值的特征向量为旋转向量利用旋转向量的分量得到旋转矩阵R，计算平移向量计算平移矩阵T：步骤(5)：检测被夹取物体的多姿态连续变化情况，利用式(1)，使n＝1，2，……，得到被夹取物体的连续轨迹变化，实现对被夹取物体的监测和跟踪。优选的，所述步骤(1)中，建立机械手坐标系O-XYZ的步骤为：以与竖杆的竖直方向中心线平行的方向为Y轴，以与横杆和Y轴均垂直的方向为X轴，以与X轴和Y轴均垂直的方向为Z轴；优选的，所述步骤(1)中，建立被夹取物体坐标系o-xyz的步骤为：以被夹持物体的纵切面上中心轴线为x轴，以被夹持物体的横切面上与Z轴平行的线z轴，以被夹取物体的纵切面上与x轴和z轴均垂直的线为y轴；优选的，所述步骤(1)中，将三个滑觉传感器分别安装到机械手指中的位置：在Y轴方向上，三个滑觉传感器组成的三角形应与O-XZ面平行；第三滑觉传感器sensor3在X轴方向上位于机械手指的中心；第一滑觉传感器sensor1和第二滑觉传感器sensor2在X方向上关于机械手指竖直中心线对称分布。本专利技术的有益效果：1.本专利技术可以定量地检测被夹取物体的姿态变化量，包括平移距离、旋转角度等，利用这些检测量，可以容易地实现对被夹取物体的连续轨迹监测和跟踪。2.本专利技术通过嵌入在机械手指内部的滑觉传感器来实现，结构简单，不受外部环境影响，抗干扰能力强。附图说明图1为本专利技术检测系统的组成；图2(a)为滑觉传感器sensor1的检测原理示意图；图2(b)为滑觉传感器sensor2的检本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种被机械手夹取的物体的姿态变化检测装置，其特征是，包括：机械手夹取系统，所述机械手夹取系统包括机械手和两个机械手指；所述机械手为横杆，两个机械手指均为与横杆垂直的竖杆，两个机械手指分别安装在横杆的两端；所述两个机械手指用于夹持物体；其中一个机械手指上内嵌第一滑觉传感器sensor1和第二滑觉传感器sensor2，另外一个机械手指上内嵌第三滑觉传感器sensor3；三个滑觉传感器均为全方向性滑觉传感器，每个滑觉传感器均用于检测滑动位移量和滑动方向；每个滑觉传感器均通过对应的A/D转换器与存储器连接，所述存储器与DSP连接，所述DSP通过USB接口与控制计算机连接。

【技术特征摘要】
1.一种被机械手夹取的物体的姿态变化检测装置，其特征是，包括：机械手夹取系统，所述机械手夹取系统包括机械手和两个机械手指；所述机械手为横杆，两个机械手指均为与横杆垂直的竖杆，两个机械手指分别安装在横杆的两端；所述两个机械手指用于夹持物体；其中一个机械手指上内嵌第一滑觉传感器sensor1和第二滑觉传感器sensor2，另外一个机械手指上内嵌第三滑觉传感器sensor3；三个滑觉传感器均为全方向性滑觉传感器，每个滑觉传感器均用于检测滑动位移量和滑动方向；每个滑觉传感器均通过对应的A/D转换器与存储器连接，所述存储器与DSP连接，所述DSP通过USB接口与控制计算机连接。2.一种被机械手夹取的物体的姿态变化检测方法，其特征是，包括如下步骤：步骤(1)：建立机械手坐标系O-XYZ；建立被夹取物体坐标系o-xyz；将三个滑觉传感器分别安装到机械手指中；步骤(2)：机械手上的机械手指夹取物体，每个滑觉传感器采集被夹取物体的坐标值；在当前状态state(n-1)下，第i个滑觉传感器输出的坐标值为：其中，i＝1,2...,3，对应于sensor1,sensor2,sensor3三个滑觉传感器；在被夹取物体在机械手指上产生滑动之后的状态state(n)下，第i个滑觉传感器输出的坐标值为：步骤(3)：将state(n-1)状态和state(n)状态下，sensor1,sensor2,sensor3三个滑觉传感器检测输出的坐标值表示为点集P＝{p1,p2,p3}，则，两个点集Pstate(n-1)与Pstate(n)之间的关系式表示为：Pstate(n)＝R·Pstate(n-1)+T，(1)；其中，是两个点集之间的旋转矩阵；T＝[t11t12t13]T是两个点集之间的平移矩阵；旋转矩阵包含着被测物体由状态state(n-1)到state(n)时的旋转信息；平移矩阵包含着被测物体由状态state(n-1)到state(n)时的平移信息；步骤(4)：基于交叉协方差矩阵的奇异值分解方法求解旋转矩阵R和平移矩阵T，分别由旋转矩阵R和平移矩阵T计算得到被夹取物体在x、y、z轴方向的直线位移Δx、Δy、Δz及绕三个坐标轴的转角θx、θy、θz；从而实现物体的姿态变化的检测。3.如权利要求2所述的方法，其特征是，所述步骤(4)中，Δx＝t11，(2)；Δy＝t12，(3)；Δz＝t13，(4)；θx＝atan2(r32,r33)，(5)；θz＝atan2(r21,r11)，(7)；其中，atan2()是反正切函数。4.如权利要求2所述的方法，其特征是，所述步骤(3)中，对应于state(n-1)状态，sensor1,sensor2,sensor3三个滑觉传感器检测输出的点集Pstate(n-1)表示为：其中，表示state(n-1)状态下第一滑觉传感器sensor1检测输出的坐标值；表示state(n-1)状态下第二滑觉传感器sensor2检测输出的坐标值；表示sta...

【专利技术属性】
技术研发人员：李学勇，赵凯，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37