專利名稱：自動化攫握零件的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及借助于攫握機械手的零件自動化攫握。它可以被應用 在所有需要借助于攫握機械手單獨操作零件的工業(yè)。
背景技術(shù)：
為了單獨操作零件，常用包括關(guān)節(jié)聯(lián)結(jié)的臂的多關(guān)節(jié)攫握機械 手，該機械臂端部安裝有適合被攫握零件幾何外形的援握工具，例如 鉗子或者同類工具。
當被攫握零件在機械手工作空間中具有一個位置和可能的隨機 定位時，由攫握工具進行的每個零件的自動化攫握較為復雜，因為它 迫使攫握工具根據(jù)被攫握零件自動處理位置(平移三個分量)以及方 位(旋轉(zhuǎn)三個分量)，以及攫握移動時被擭握零件和攫握工具的碰撞 問題，以及工作環(huán)境因素(例如存放零件的貨物箱壁，零件的運輸傳 送帶……)。
同樣地，當被攫握零件被隨意地散裝時，產(chǎn)生零件攫握的順序問題。
在歐洲專利申請EP1428 634中，提出 一種散裝零件由攫握機械 手自動化攫握的方法，上述方法允許自動處理零件攫握順序并且還允 許處理機械手攫握臂的碰撞。
該文件上提出的方法以兩個傳感器組合的方式重新提出
-3D^L覺傳感器
-測距傳感器。
3D視覺傳感器[文件EP 1 428 634的附圖中的標記(4) I安裝 在機械手的攫握臂的端部并且組合發(fā)射光束的裝置和一個允許探測 物品反射的光束的視頻攝像機。
測距傳感器[文件EP 1 428 634的附圖中的標記(10)固定在工
作場景上面。該測距傳感器(10)利用超聲波。
在最復雜的版本中，文件EP 1 428 634內(nèi)描述的攫握方法以實施 以下步驟為基礎
-步驟Sl至S3:借助于3D視覺傳感器獲取工作情景圖象并且為 每個被檢測零件在獲取的圖像中計算傳感器瞄準線；(瞄準線)得出 的Wk測量數(shù)據(jù)被保存在存儲器中。
-步驟S4至S5:通過掃描獲取一批散裝物品表面的地形圖并且 以測距傳感器測量高度。該表面地形圖(數(shù)據(jù)hij)被保存在存儲器中。
-步驟S6: —方面根據(jù)Wk數(shù)據(jù)(瞄準線)和另一方面根據(jù)表面 地形圖的數(shù)據(jù)(hij)，(通過與每個零件關(guān)聯(lián)的每條WKk瞄準線和 地形圖表面元件Sij的交點)確定每個零件在表面地形圖上的位置。 可以獲得例如文件EP 1 438 634中圖2的曲線(表面地形圖以及通過 交點零件40的定位)。
-步驟S7:為每個被檢測零件確定零件的近似方位(Fk)。
-步驟SS:根據(jù)例如以下兩項標準選取被攫握零件最高的零件 (標準1)以及該零件的Fk方位便于攫握(標準2 )。
-步驟S9:計算機械手的合適位置(臨近步驟8中選取的被攫握 零件的位置)以便借助于3D視覺傳感器更接近地測量。
-步驟SIO:在步驟S9中計算出的更接近的測量位置上，檢查機 械手的攫握臂(特別是機械手攫握臂上裝的3D視覺傳感器)與環(huán)境 之間的碰撞危險。
-步驟Sll:如果不存在碰撞問題，定位(位置和方向(方位)) 攫握臂在步驟S9中計算出的更接近的測量位置上，并借助于機載3D 視覺傳感器檢測在被攫握零件空間中的3D位置和方向。
-步驟S12:根據(jù)上述步驟Sll中進行的接近測量，確定攫握臂 的位置和方向以便攫握零件。
-步驟S13:檢查機械手攫握臂(特別是的機械手攫握臂上裝有 的3D視覺傳感器)與環(huán)境(包括其他散裝零件)之間的碰撞危險；
提倡的方法是在攫握臂周圍確定一塊禁止區(qū)域，當機械臂在其零件攫 握位置時，該區(qū)域內(nèi)不應出現(xiàn)場景中的任何其他元件。如果檢測到一
處碰撞，應再采取步驟S8中的措施(選取另一個被攫握零件)。 -步驟S":控制機械手以便通過機械手進行零件的攫握。 應注意文件EP 1 428 634，因為文件中描述的攫握方法允許 -自動管理零件攫握順序(參見步驟S8). -自動管理對于援握器的攫握最佳配置(參見步驟S12)。 -管理攫握器和其環(huán)境的碰撞(參見步驟SIO以及Sll)。 其間，該方法表現(xiàn)出若干缺點。零件攫握管理過于復雜，因為它
基于組合3D視覺傳感器的測距傳感器的使用以及借助于3D視覺傳
感器裝置的獲取的兩個步驟第一個步驟，選取并且大概定位被援握
零件，第二個步驟在攫握前獲得被選取零件較清晰的接近圖片。
這些裝置(測距傳感器與3D視覺傳感器相組合)同樣使碰撞的
自動管理復雜化。特別是在該方法中碰撞管理僅僅為攫握器和其環(huán)境
實施，而不考慮由攫握工具攫握的零件。
該方法也不允許根據(jù)在使用中易于造成攫握障礙的零件進行零
件恢復的檢測。
在歐洲專利申請EP 1 442 848中還提出 一種借助于攫握機械手 定位和攫握散裝零件的自動化解決方法。在該解決方法中，使用安裝 在機械手攫握臂端部的攝象機CCD類型的3D傳感器，在第一步驟中， 將3D傳感器定位于遠離被攫握零件的位置并且捕獲零件整體的圖 像。在零件整體的圖像中，自動檢測檢測以及定位零件。在第二步驟 中，使3D傳感器接近被攫握零件，并且捕獲該零件的圖片以便對該 零件進行自動攫握。在該解決方法中，通過捕獲在不同的位置不同類 型零件的3D圖片，事先建造被攫握零件的模型是非常必要的。這些 零件的模型被應用于上述零件自動檢測以及定位步驟，以及自動攫握 上述選取的零件的步驟。 一方面，使用來自于捕獲在不同位置的零件 的圖象的模型，使該攫握解決方法能夠很精確，但不適用于復雜結(jié)構(gòu) 零件的攫握。另一方面，該通過捕獲圖片事先建造零件模型是枯燥的。
攫握物品半自動化裝置還在文章"Model Based Vision as feedback for Virtual Reality Robotics Environments ，，E. Natonek等 人， Proceedings of the virtual reality annual international symposium research triangle park, IEEE, 1995年3月11日，pages 110-117中提出。
該機械手被關(guān)聯(lián)在一個與操作人員可以交互的虛擬環(huán)境內(nèi)。在該 技術(shù)解決方法中，操作人員特別是使用機械手以及物品的3D模型， 在虛擬環(huán)境中建立并且手動定位與真實機械手以及真實被援握物品 相對應的虛擬機械手以及虛擬物品，在虛擬環(huán)境中確定機械手的最佳 路線。該虛擬環(huán)境， 一旦由操作人員手工建立，便可被使用以在援握 物品時自動控制以及修正真實機械手的路線。該技術(shù)解決方法每次必 須手動建立與機械手相關(guān)的虛擬環(huán)境，特別是與真實被攫握物品相對 應的虛擬物品，并且不支持完全自動攫握，特別是真實被攫握物品的 自動定位。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出借助于包括攫握工具的機械手自動攫握 至少一個零件的新的技術(shù)方案；相對于在歐洲專利申請EP 1 428 634 以及EP 1 442 848中描述的攫握方法而言，本發(fā)明使得能夠更完美地 以及性能更好地自動定位要攫握的零件，當存在多個零件的情況下， 控制性能更完善并且零件攫握順序性能更好。
本發(fā)明的第一目的在于借助于真實攫握工具自動攫握位于真實 工作環(huán)境中的至少一個真實零件(Pj)的方法。該方法包括以下連續(xù) 步驟
(a) 將由真實工作環(huán)境和在該工作環(huán)境中呈現(xiàn)的每個真實零件 (Pj)構(gòu)建的實際工作場景(STR)的表面以3D點[Ni(Xi，Yi，Zj)的云
的形式(N)進行3D數(shù)字化，
(b) 借助于每個真實零件(Pj)和真實工作環(huán)境(5 )的CAO 3D 數(shù)字模型，在步驟(a)中產(chǎn)生的點的云(N)中自動定位每個虛擬零 件(P，j)和虛擬工作環(huán)境，200780002892.7
說明書第5/19頁
(c) 自動構(gòu)建與真實工作場景(STR)相對應、并且由在步驟(b) 中定位的每個虛擬零件(P，j)和虛擬工作環(huán)境構(gòu)建的三維虛擬工作 場景(STV)，上述構(gòu)建借助于每個真實零件(Pj)和真實工作環(huán)境 的CAO 3D數(shù)字模型、以及在步驟(b)確定的每個虛擬零件(P， j)和 虛擬工作環(huán)境的定位數(shù)據(jù)(x，y，z) ;(a，p，力l自動進行，
(d) 在步驟(c )產(chǎn)生的虛擬工作場景(STV )中自動選擇虛擬零 件(P， j)，
(e) 控制真實擭握工具(11),以便自動攫握與步驟(d)中選 擇出的虛擬零件(P' j)對應的真實零件(Pj)。
本發(fā)明的方法特別用于在隨意交迭的一批零件(散裝零件)中自 動攫握一個零件，但盡管如此，該方法同樣可以用于單個零件的攫握 或者不交迭的 一群零件中的 一個零件的攫握。
在本發(fā)明范圍內(nèi)，被攫握零件可以相同(這種情況下使用該零件 的單一CA0 3D模型)或者不同(這種情況下使用多個CAO模型， 對于每種類型零件有一個模型)。
在本發(fā)明范圍內(nèi)，要被攫握的零件應被固定在擭握才幾械手的工作 空間(例如放置在箱內(nèi)或者工作平臺上的零件)或者可以移動(例如 零件放置在移動傳輸帶上)。在這種零件移動的情況下，傳輸帶的移 動規(guī)則應是已知的，以適于更準確地控制進行攫握的機械手；即，使 機械手的移動與傳送帶的移動同步。
按照本發(fā)明的更佳但非強制性的，本發(fā)明的攫握方法包括以下單 獨的或者組合的技術(shù)特征
-真實工作環(huán)境至少包括兩個真實零件(Pj)，并且自動重復步
驟(a)至(e)直至真實工作環(huán)境中再沒有零件；
-真實工作環(huán)境包括至少兩個真實零件(pj),并且在步驟(d)
中的虛擬零件(P，j)選取最終生效前，事先通過使用預定義的覆蓋標 準在虛擬工作場景(STV)中檢查上述虛擬零件(P，j)是否被臨近的 虛擬零件局部覆蓋，并且在上述虛擬零件(P，j )根據(jù)預定義覆蓋標準 被臨近虛擬零件覆蓋的情況下，則不應選擇該零件； -在步驟(d)中虛擬零件(P，j)的選取最終生效前，事先在虛
擬工作場景(STV)中檢查在上述虛擬零件(P，j)與工作環(huán)境之間或 者上述虛擬零件(P，j)與其他虛擬零件之間是否存在碰撞，在檢測到 碰撞的情況下，不選擇該零件；
-在步驟(d)中的虛擬零件(P，j)選取最終生效前，應將虛擬 攫握工具安置在虛擬工作場景(STV)中，該工具借助于真實援握工 具的CA0 3D數(shù)字模型被定義，并使得該虛擬攫握工具以至少一種預 定義的援握配置相對于上述虛擬零件(P，j)被安置；檢查至少該虛擬 攫握工具和虛擬工作環(huán)境之間、和/或至少該虛擬攫握工具和另 一個虛 擬零件之間是否存在碰撞，并且在檢測到碰撞的情況下，不選擇該零
件(P，j);
-應用該方法用于在散裝零件群中自動攫握至少一個零件(Pj)。 本發(fā)明同樣適用其他目的
-系統(tǒng)能夠自動摱握至少一個安置在真實工作環(huán)境中的真實零件 (Pj)，上述擭握系統(tǒng)包括裝備至少 一 個真實攫握工具的攫握機械手， 至少能夠控制該攫握機械手的控制裝置，為實現(xiàn)先前確定的攫握方法 的步驟(a)而設計的3D數(shù)字化裝置，為自動實現(xiàn)先前定義的攫握方 法的步驟(b)至(d)而設計的計算裝置；為根據(jù)通過計算裝置計算 的數(shù)據(jù)實現(xiàn)先前定義的攫握方法的步驟(e)而設計的控制裝置。
-記錄在存儲介質(zhì)上或者存儲器中的計算程序，其中一部分由攫 握系統(tǒng)的可編程計算裝置自動執(zhí)行，該攫握系統(tǒng)還包括裝備至少 一個 真實攫握工具的攫握機械手，至少能夠控制攫握機械手的控制裝置， 和能夠以3D點Ni(Xi，Yi，Zi)]的云的形式(N)對真實物體或者真實物 體群的表面進行三維數(shù)字化的3D數(shù)字化裝置；當該計算程序被上述 計算裝置執(zhí)行時，能夠自動實現(xiàn)先前定義的攫握方法的步驟(b)至(d)。


本發(fā)明的其他特點以及優(yōu)勢將在閱讀以下本發(fā)明最佳實施方式 的詳細描述中更清楚的表示出來，該描述以本發(fā)明的非限制和非排它
的例子并參考以下附圖給出
-圖1以示意表示本發(fā)明的攫握系統(tǒng)，包括一個安裝在多關(guān)節(jié)機 械手側(cè)板上的攫握工具。
-圖2是被圖1攫握機械手的攫握工具攫握并且操作的零件模型 3D圖示。
-圖3是圖1的機械手攫握工具以第一攫握配置攫握與圖2所示 相同的零件的3D圖示。
-圖4是圖1的機械手攫握工具以第二攫握配置擭握與圖2所示 相同的零件的3D圖示。
-圖5表示借助于圖1的攫握系統(tǒng)的獲取裝置得到的3D點云圖。
-圖6是根據(jù)圖5中的點云自動建立的虛擬工作場景(STV)的 3D圖示。
-圖7是包括一批與圖2相同的多個零件的虛擬工作場景(STV) 的3D圖示，上述零件被散裝存放在箱內(nèi)，某些零件部分相互交疊， 在上述第一攫握配置中并且與其他零件無覆蓋的情況下，其中一個零 件被圖1中的機械手攫握工具攫握。
-圖8是包括與圖7相同一批散裝零件的虛擬工作場景(STV) 的3D圖示，在圖3的上迷第一攫握配置中并且在其他臨近零件覆蓋 的情況下， 一個零件被圖1中的機械手攫握工具擭握。
-圖9是包括與圖7相同一批散裝零件的虛擬工作場景(STV) 的3D圖示，在圖4的上迷第二攫握配置中并且與其他零件無覆蓋的 情況下， 一個零件被圖1中的機械手攫握工具攫握。
-圖IO是包括與圖7相同一批散裝零件的虛擬工作場景(STV) 的3D圖示，在圖4的上述第二攫握配置中并且在具有攫握工具碰撞 問題的情況下， 一個零件被圖1中的機械手攫握工具攫握。
-圖ll是與圖2相同的、在箱內(nèi)隔間中單獨排列的一批多個零件 的3D圖示。
-圖12是與圖2相同的一批多個零件的3D圖示，上述零件半散 裝的按照相同方向置(相同的可視上表面)扁平地存放，例如這些零
件都按照相同的方式排列，但是在運輸?shù)臅r候被移動。
-圖13是說明實施本發(fā)明自動化攫握方法的特殊變型的主要步 驟的流程圖。
具體實施例方式
在圖1中表示根據(jù)本發(fā)明的攫握系統(tǒng)的例子。
攫握系統(tǒng)
該攫握系統(tǒng)包括
-多關(guān)節(jié)攫握機械手l，
-三維數(shù)字化裝置2，
-控制裝置3，
-計算裝置4，
在圖1特別應用中，攫握系統(tǒng)可用作一個接著另一個的自動攫握 被存放在箱5內(nèi)的真實零件Pj。
在以下例子中，所有零件Pj應與圖2的零件相同。然而，本發(fā) 明可用于具有與圖2中零件不同幾何外形的零件Pj和/或不完全相同 的零件Pj。
本發(fā)明不限于攫握在一個箱子中存放的零件，而是作為一種普遍 使用，能夠在工作環(huán)境中自動攫握至少一個零件，上述工作環(huán)境可以 不必是箱子5，并且上迷零件可以如附圖中特例那樣是靜止狀態(tài)，或 者是在工作環(huán)境中移動，如放置在相對于攫握機械手1移動的機械傳 送帶上。
在下列描述中，箱子5將同樣并且更普遍的被表示為"真實工作 環(huán)境"；在真實工作環(huán)境5中呈現(xiàn)的由真實工作環(huán)境5和真實零件Pj 構(gòu)成的整體被表示為"真實工作場景"。在圖1中，真實工作場景表示 為STR。
攫握機械手(1)
攫握機械手的結(jié)構(gòu)是已知的。該機械手包括一個在端部上安裝有 可被驅(qū)動的攫握鉗ll的多關(guān)節(jié)聯(lián)結(jié)的臂IO，以及控制臂10移動的機
動裝置。
本發(fā)明不限制于圖1中的機械手1以及攫握工具11的特例，并 且作為一種普遍方式可應用于所有其他類型的機械手以及其他類型 的攫握工具。特別是，根據(jù)為了攫握工具的移動所希望的自由度數(shù)量 選取的機械手類型。為了在工作區(qū)工具能夠進入的原因，機械手將固 定在地面或者而懸掛在天花板上。攫握工具11可以不是鉗子的形式， 并可以被選擇以適合被攫握和操作的零件幾何外形。
三維數(shù)字化裝置(2)
3D數(shù)字化裝置2能夠，將物體的表面上( 一般表示為"皮膚，，)以 3D點云形式進行普遍的數(shù)字化。
本發(fā)明-故應用于以3D點[Ni(Xi，Yj，Zi)l云形式(N)對真實工作 場景STR的構(gòu)建物體表面(皮膚)，也就是真實工作環(huán)境(圖中箱 子5)的表面以及在真實環(huán)境中的真實零件(Pj)進行3D數(shù)字化。 該3D點[Ni(Xi，Yi，Zi)云(N)是真實工作場景STR的構(gòu)建物體的皮 膚的三維幾何外形的離散表示。
在圖1中所示的具體例子中，3D數(shù)字化裝置包括一個3D數(shù)字 化傳感器21和一個視覺自動裝置20。
視覺自動裝置20包括一個處理器，至少一個存儲器，存儲由本 處理器執(zhí)行的、稱為"數(shù)字化程序"的本地程序， 一個與處理器的輸 入/輸出接口，能夠使與3D數(shù)字化傳感器21、控制裝置3以及以后提 到的計算裝置4進行通信。
數(shù)字化程序處理器的運行允許視覺自動裝置20控制數(shù)字傳感器 21，使得傳感器21獲得測量結(jié)果。視覺傳感器20以傳感器21參考 系中編碼表示為3D點Ni(Xj，Yi，Zi)的云形式(N)處理來自傳感器 21的這些原始測量結(jié)果。這樣進行的3D數(shù)字化是真實工作場景STR 構(gòu)建物體的表面(皮膚)的離散表示。3D數(shù)字化之后，視覺自動裝 置20向計算裝置4發(fā)送3DNi點[(Xj，Yi，Zi)的云(N)。
在本發(fā)明范圍內(nèi)，3D數(shù)字化傳感器21可以根據(jù)傳感器的類型、 接觸測量或者不接觸測量，由不同類型的傳感器構(gòu)成。
在這些能夠接觸測量的傳感器中，能夠引用所有可以移動以接觸 真實工作場景STR的構(gòu)成物體的表面(在圖1中箱子5的壁以及真 實零件Pj)的機械傳感器。
為了實現(xiàn)本發(fā)明，卻最好使用能夠不接觸測量的3D數(shù)字化傳感 器21，例如
-配合激光類型的發(fā)光源的至少一個攝象機(CCD或則其他類 型)，該攝象機能夠捕獲通過位于攝象范圍內(nèi)的要被數(shù)字化的物體表 面反射的光束；該類型的傳感器可進行三角測量。
-能夠進行距離遙測并且可使用激光，超聲波，微波......的傳感
器
在無接觸傳感器的情況下，可以根據(jù)相對于真實工作場景STR 固定或者移動的情況進行。
在圖1的具體例子中，使用安裝在機械手1的攫握臂IO上的數(shù) 字攝象機和激光源作為3D數(shù)字化傳感器21。可在另一個本發(fā)明的變 型中使用安置與攫握機械手l獨立的支撐上的、移動或者固定的數(shù)字 化傳感器21。
在另一個本發(fā)明的變型中，還可使用至少兩個具有不同測量方向 的3D數(shù)字化傳感器21，以便獲得至少兩個能夠相互補充的3D點云 狀物，因為兩個傳感器相對于真實工作場景STR的位置和方位不同， 借助于第一個傳感器獲得3D點云狀物的隱藏表面例如在借助于第二 個傳感器獲得另一個3D點云狀物上可以被看見。
控制裝置(3)
機械手的控制裝置3是公知的，并不詳述。通常的表示方式為 控制機柜，包括一個處理器、存儲可由該處理器執(zhí)行的、稱為"控制" 的本地程序的至少一個存儲器、和一個輸入/輸出接口?？刂蒲b置3 的處理器與機械手的機動裝置、攫握工具11的驅(qū)動裝置以及3D數(shù)字 化裝置2的視覺自動裝置20通信。
控制程序是通用的因此并不詳述。在由控制裝置3的處理器執(zhí)行 時，它能夠
-通過傳送給視覺自動裝置20的控制啟動3D數(shù)字化。
-引導機械手多關(guān)節(jié)臂10的移動并且控制攫握機械手1的攫握鉗
11 (打開/閉合)。
計算裝置(4)
計算裝置4能夠通過所有類型的程序處理單元實現(xiàn)。例如，能夠 以微處理器或者微控制器電子卡的方式實現(xiàn)該計算裝置，主要部分是 處理單元，包括一個處理器、包括通過處理器運行的至少一個本地程 序的存儲器、以及一個(輸入/輸出)通信接口，該接口能夠使處理器 與控制裝置3的處理器通信，和在圖1的具體例子中與視覺自動裝置 20的處理器通信。
該計算裝置4能夠借助于微型計算機或者借助于一個或者幾個 特殊電子卡實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明，計算裝置4包括或者不包括屏幕類型 的可視界面都是無差別的。
在計算裝置4的存儲器中存儲有專用于本發(fā)明的計算程序。
由計算裝置4處理器執(zhí)行該計算程序，配合可視自動裝置20的 數(shù)字化程序的執(zhí)行以及控制裝置3的控制程序的執(zhí)行，使得實施本發(fā) 明的自動化攫握方法。
攫握程序-圖13
實施本發(fā)明自動攫握方法的具體變型將在圖13的流程圖中詳細表示。
歩驟130-工作場景數(shù)字化
控制裝置3傳送給視覺自動裝置20—個數(shù)字化控制。視覺自動 裝置20的處理器控制3D數(shù)字化傳感器21,以便自動進行真實工作 場景STR表面的3D數(shù)字化(執(zhí)行數(shù)字化程序)。
在圖1中，該真實工作場景STR由包括六個散裝的相同的真實 零件P1至P6的箱子5構(gòu)成。
對該數(shù)字化產(chǎn)生的3D點[Ni(Xi，Yi，Zi)l云狀物N編碼的數(shù)據(jù)通過 視覺自動裝置20直接傳輸至計算裝置4。在另一個實施變型中，當視 覺自動裝置21沒有與計算裝置4連接時，該3D點[Ni(Xi，Yi,Zi)云狀 物N將由視覺自動裝置20通過控制裝置3傳輸至計算裝置4。
根據(jù)被使用的3D數(shù)字傳感器21的類型，該數(shù)字操作可能在有 必要時需要相對于真實工作場景STR移動傳感器21以便對上述真實 工作場景STR的表面進行掃描。
同樣，對于給定傳感器21并且根據(jù)數(shù)字化期望精確度，數(shù)字化 周期時間以及真實工作場景STR的真實尺寸，對于本發(fā)明，借助于 傳感器捕獲真實工作場景STR的整體(相對于真實工作場景STR對 傳感器進行必要的移動)或者將真實工作場景STR分為幾個較小尺 寸的工作場景都是無區(qū)別的。在第二種情況下，圖13流程圖的步驟 130在較小尺寸的工作場景中進行(例如僅僅包括箱子5中的一部分 以及其中的真實零件Pj)并且圖13的攫握方法以重復的方式在每個 較小尺寸的工作場景上進行。
在下面的描述中，應考慮在步驟130時，進行由箱子5整體及其 所有內(nèi)含組成的真實工作場景STR的表面的3D數(shù)字化。
作為例子在圖5中示出由圖1的真實工作場景STR (包括六個 散裝零件Pl至P6的箱子5 )的3D數(shù)字化得到的3D點[Ni(Xi，Yi，Zi)j 云狀物(N)的例子。
步驟131-定位
從步驟131開始，攫握方法通過計算裝置4的處理器執(zhí)行的計算 程序?qū)嵤?br> 在計算裝置4的存儲器中存儲
-包括一個真實零件Pj的CAO 3D數(shù)字化模型的文件或者等同
物，
-包括真實工作環(huán)境，即在附圖中的箱子5的CAO 3D數(shù)字化模 型的文件或者等同物。
通過一個真實零件Pj(真實零件Pj或者真實工作環(huán)境5 )的CAO 3D數(shù)字化模型，確定以數(shù)學的方式描述物體表面(平面，柱形，錐 形，B6zier表面，NURBS表面......)幾何外形的所有數(shù)據(jù)
在附圖例子中，所有零件Pj是相同的，對于所有的零件使用一 個CAO 3D數(shù)字模型。在本發(fā)明應用于被攫握零件Pj都是不同(形
狀或者尺寸不同)的情況下，在計算裝置4的存儲器中保存對于每個 類型的真實零件Pj的CA0 3D數(shù)字模型。
真實零件Pj的CAO 3D數(shù)字模型以及真實工作環(huán)境5的CAO 3D數(shù)字模型通常借助于由設計許可的繪圖程序生成。然而，它們可 以用自己已知的方式重建，從它們表面3D數(shù)字化開始。在131定位 步驟的過程中，計算裝置4的處理器對3D點[Ni(Xi，Yi,Zj)云(N)進 行處理，以便用真實零件Pj和真實工作環(huán)境5的CAO 3D數(shù)字模型 進行定位與真實零件Pj相應的每個虛擬零件P，j和與真實工作環(huán)境5 相應的虛擬工作環(huán)境5，。在該定位步驟的過程中，對于在3D點云狀
(N)中定位的每個虛擬零件P，j以及虛擬工作環(huán)境5，，計算裝置4 能夠自動確定空間定位數(shù)據(jù)，例如在數(shù)字傳感器21參考系中的位置
(x，y，z)以及方位(a, P， y)。 能夠?qū)嵤┎煌亩ㄎ环椒ā?br> 本發(fā)明非限制并且非排它的例子中，該定位能夠根據(jù)每個CAO 3D數(shù)字化模型由連續(xù)的兩個步驟完成
(1 ) 3D點Ni(Xi，Yi，Zi)I云(N)與(真實零件Pj或者真實工作 環(huán)境5的)CAO 3D數(shù)字模型相對應的第一步驟；
(2 ) 在CAO 3D數(shù)字模型上排列或者修正3D點Ni(Xi，Yi，Zi)j 云(N)的第二步驟。
(1)對應步驟
不同的已知技術(shù)能夠在3D點Nj(Xi，Yi，Zi)云N中找出虛擬零件 P，j或者虛擬工作環(huán)境5，的近似位置(x，y，z)和方位(a， p， y)。該 不同技術(shù)的基本原理在于提取與真實零件Pj或者真實工作環(huán)境5在 空間中位置和方位無關(guān)的局部幾何特征。所考慮的標準從3D點 [Ni(Xi，Yj，Zi)]云N和CAO 3D數(shù)字模型開始計算。
為CAO 3D數(shù)字模型建立關(guān)系軸并且為3D點[Ni(Xi，Yi，Zi)云N 建立關(guān)系軸，并且為了在與CAO 3D數(shù)字模型相應的物體3D點云N 中定位，最好連接提取的不同局部幾何特性，比較CA0 3D數(shù)字模型 的提取關(guān)系軸和3D點[Ni(Xi，Yi，Zj)云狀N的提取關(guān)系軸。 為了提取局部幾何特性的第一方案在于提取在適于CAO 3D數(shù) 字模型以及3D點[Nj(Xj，Yi，Zi)云N的局部區(qū)域集合內(nèi)的幾何參數(shù)例 如平均曲率，高斯曲率，平均標準......
第二方案在于通過表面集合近似CAO 3D數(shù)字模型以及3D點 [Ni(Xi，Yi，Zi)云N的表面，表面集合簡單的說，即平面，柱面，錐面， 圓環(huán)面......。NURBS或者B&ier類型的復雜表面應例如由幾個簡單
表面進行近似。最佳近似CA0 3D數(shù)字模型的表面的簡單表面直接決 定于它的曲線；在曲率小時，平面適合；在曲率不可被忽略但相對恒 定時，柱面適合。根據(jù)點云狀物，每個局部區(qū)域通過簡單表面進行近 似。簡單表面的選擇同樣根據(jù)估算的曲率。
第三方案在于根據(jù)標準最大曲率、曲率符號的改變、曲率的拐
點......，只提取CAO 3D數(shù)字模型以及3D點[Ni(Xi,Yi，Zi)I云N的特征點。
為了加速處理速度，零件Pj以及真實工作環(huán)境5的CA0 3D數(shù) 字模型的提取的幾何數(shù)據(jù)的計算只進行一次并且在執(zhí)行圖13的流程 圖前進行。每個CAO數(shù)字模型的提取幾何數(shù)據(jù)都存儲在計算裝置4 的存儲器中。由此可得出圖13的定位131步驟不直接自零件Pj以及 工作環(huán)境5的CAO 3D數(shù)字模型開始運行，而是從CAO 3D數(shù)字模型 的提取的存儲的幾何數(shù)據(jù)開始運行。 (2)排列或者修正步驟
在對應步驟(1)結(jié)束后，對于每個虛擬零件P，j以及虛擬工作 環(huán)境5，，應當已經(jīng)找到按照各自情況的一個或者幾個可能的定位(位 置以及方位)方案。
每個方案被利用CAO 3D數(shù)字模型自動檢測以便尋找一個立體 變換(transformation solide )。迭代計算通過使在CAO 3D數(shù)字模型 表面和3D點[Ni(Xi，Yi,Zi)I云(N)之間距離的最小二乘意義上最小， 確定最佳立體變換。在實際應用中，在計算結(jié)束時得到的平均偏差代 表3D點[Ni(Xi，Yi，Zi)j云的每個選定點和CAO 3D數(shù)字模型表面之間 的平均距離。偏差與測量系列的不精確性以及真實零件Pj或者真實
工作環(huán)境5與他們的CAO 3D數(shù)字模型相比較的誤差直接相關(guān)聯(lián)。
關(guān)于利用CA03D數(shù)字模型自動識別物體的更多信息，本領域的
技術(shù)人員可以參考例如標題為《Automated extraction of features
from CAD models for 3D object recognition》文章，作者Jan Bdhm，
Claus Brenner, Jens Gtthring和Dieter Fritsch， ISPRS， Vol XXXIII，
Amsterdam 2000.
關(guān)于表面模型點的云狀物的排列算法的更多信息，本領域的技術(shù)
人員可以參考例如標題為《A method for registration of 3-d shapes》
文章,P.J Besl和N.D. McKay, IEEE Trans. Pat. Anal.和Mach.
Intel. 14(2).頁碼239-256， 1992年2月。
使用物體(真實零件Pj或者真實工作環(huán)境5 ) CA03D數(shù)字模型
用于在上述能夠過濾測量噪聲(異常點)的物體的3D點云狀物中進
行定位。
歩驟132-建立虛擬工作場景STV
在定位的131步驟結(jié)束后，計算裝置4包括存儲的空間定位數(shù)據(jù)， 例如位置(x，y，z)和方位(a，P，力，它們能夠在3D數(shù)字化傳感器21的3D 參考系中定位虛擬工作環(huán)境5'以及每個虛擬零件P，j。
計算裝置4根據(jù)在步驟131中定位的虛擬工作環(huán)境5，以及每個零 件Pj的空間定位數(shù)據(jù)[位置(x，y，z)和方位(a，p，力1以及它們的CAO 3D數(shù)字4莫型，構(gòu)建數(shù)字虛擬工作場景(STV)。
該數(shù)字虛擬工作場景STV由與真實零件Pj相應的虛擬零件P，j 以及與真實工作環(huán)境5相應的數(shù)字虛擬工作環(huán)境5，(箱子的虛擬壁) 構(gòu)成。在該數(shù)字虛擬工作場景STV中，虛擬數(shù)字物體為由表面描述 的3D物體。
因為使用CAO 3D數(shù)字模型，當建造數(shù)字虛擬工作場景STV時， 有利地考慮3D數(shù)字化傳感器21看不見的物體隱藏表面。 測試133
如果在虛擬工作場景STV中沒有顯示任何虛擬零件P，j，計算裝 置4停止計算程序，工作環(huán)境(箱子5)為空。攫握過程完成。
測試134
如果在虛擬工作場景STV中顯示至少一個虛擬零件P，j，計算裝 置4檢查是否在這些零件中存在至少一個零件沒有被選擇(在先前迭 代時進行的步驟135的過程中)。
在否定情況下(所有被定位的零件都被選擇)，計算裝置4產(chǎn)生 例如錯誤數(shù)據(jù)并且計算程序被中止。
在肯定情況下(存在一個沒有被選擇的零件)，計算裝置4繼續(xù) 運行計算程序(步驟135及后續(xù))。
步驟135
計算裝置4能夠按照一個或多個預定的選擇標準，在沒有被選擇 的零件中自動選擇一個虛擬零件P，j。
在一個實施變型中，例如可以進行隨機選擇。
在另 一個實施變型中，例如計算裝置4在還未被選擇的零件中通 過比較依據(jù)垂直軸(Y)上述零件的高度位置(y)來選擇最高的零 件P，j。
測試136
計算裝置4根據(jù)至少一個預定義的重疊標準，自動檢查在步驟 132中建造的數(shù)字虛擬工作場景STV中，在步驟135中被選的虛擬零 件P，j是否至少有一部分被臨近虛擬零件重疊。
重疊標準應為所有類型或者無類型，無論任何兩個零件的表面重 疊，重疊都應,皮檢測。
重疊標準同樣能夠計算零件重疊的預定義的最小表面。在這種情 況下，設計該計算程序，以使重疊測試136以或大或小的預設誤差進 行并且最好可由使用者參數(shù)化，為了考慮零件重疊表面，重疊僅僅在 零件重疊表面大于預設值時被檢查。另一個重疊標準通過例如對不允 許重疊的情況定義體積(圓柱形，平行六面體......)而被定義。通常
考慮攫握工具的幾何形狀，來定義這些物體的體積。
在檢測重疊時，計算裝置4在134測試再次循環(huán)以^更挑選另一個零件。
在無重疊的情況下，計算裝置4繼續(xù)計算程序(測試137......)
圖8示出一個數(shù)字虛擬工作場景STV的例子，在該場景中在步 驟135中被選取的虛擬零件為P，4,并且自動計算裝置4在進行重疊 測試136時自動檢查與虛擬零件P，5的重疊問題。
應強調(diào)的是按照本發(fā)明進行重疊測試是非強制的。最好在被攫握 零件隨意散裝放置并且具有重疊的可能時進行重疊測試，例如圖8中 的情況。相反地，該測試在沒有零件重疊的危險的情況下是無用的， 例如圖11或者圖12中的情況。
測試137以及歩驟138
在附圖中的真實零件Pj應能夠被攫握工具ll按照兩個預定義的 不同攫握配置攫握，這在圖3和4當中已分別說明，并且在特例說明 中用攫握鉗11的間距調(diào)節(jié)進行區(qū)別說明。這兩個攫握配置被預記錄 在計算裝置4的存儲器中。對于每個攫握配置，使用者可以例如借助 于已知的CAO軟件定義攫握工具在零件上的定位。對于每個配置， 攫握工具在參考系中的立體變化被保存在存儲器中。攫握工具的CAO 數(shù)字模型對于所有配置或者不同配置(相同的鉗子但張開不同，不同 的鉗子......)可能是唯一的。
當零件P，j被選取(步驟135 )并且被測試為無重疊(測試136 ), 計算裝置將自動檢查(測試137)是否存在用于上述零件P，j的(當 先前迭代步驟時)未被測試的攫握配置。
在否定的情況下(對于該零件對所有攫握配置已進行測試)，計算 裝置4在測試134重新循環(huán)以便選取另一個零件。
在肯定的情況下，計算裝置4為該零件在未進行測試的配置中 自動選取(步驟138 )攫握配置。
測試139 (碰撞)以及步驟140
一旦選取了攫握配置，在步驟132中建立的虛擬工作場景STV 中，計算裝置4根據(jù)在步驟134中選取的零件P，j定位虛擬攫握工具 11，(與真實攫握工具ll相對應)，與步驟138中選取的攫握配置一 致。
該計算借助于真實攫握工具11的CA0 3D數(shù)字模型、以及被選 取的虛擬零件P，j的空間定位數(shù)據(jù)位置(x，y，z)和方位(a，p，力1進行。 以例子的方式表現(xiàn)
-圖7中，在虛擬工作場景STV中相對于被選擇的虛擬零件P'3 的以第一攫握配置的虛擬攫握工具ll，的模擬，
-圖8中，在虛擬工作場景STV中相對于被選擇的虛擬零件P'4 的以第一攫握配置的虛擬攫握工具ll，的模擬結(jié)果，
-圖9中，在虛擬工作場景STV中相對于被選擇的虛擬零件P'5 的以第二攫握配置的虛擬攫握工具ll，的模擬結(jié)果，和
-圖10中，在虛擬工作場景STV中相對于被選擇的虛擬零件P，l 的以第二攫握配置的虛擬攫握工具ll，的模擬結(jié)果。
計算裝置4在包括擭握就位在被逸取的虛擬零件P，j上的虛擬攫 握工具ll，的虛擬工作場景STV中檢查
(i) 是否存在相對于被選取零件P，j虛擬定位的虛擬攫握工具 ll，形成的整體表面和至少一個其他虛擬零件表面之間的交叉；
(ii) 是否存在相對于被選取零件P，j虛擬定位的虛擬攫握工具 11，形成的整體表面和虛擬工作環(huán)境表面5，之間的交叉。
如果至少存在一個上述條件(i)或者(ii)(存在交叉)，應檢 測碰撞(例如圖10的情況/虛擬攫握工具ll，和虛擬工作環(huán)境5'的一 個壁的碰撞)，并且計算裝置4在測試134上重新循環(huán)以便選取另一 個零件。出于安全因素，無碰撞測試應考慮在測試(i)和(ii)代替 交叉測試時的誤差或者最小距離。這回到物理上保證真實場景中的兩 個被測試元件之間的最小距離。
在計算程序的優(yōu)化版本中，通過模擬虛擬援握工具ll，和選取零
件P，j形成的整體的縮進移動，以及檢查對于沿著縮進軌跡的整體的 不同位置的碰撞(i)和(ii),計算上述碰撞檢測(i)和(ii)。
如果上述兩種情況(i)和(ii)是否定的(沒有檢查到碰撞)， 例如圖7以及9中的情況，計算裝置4使零件P，j以及被選取的攫握 配置生效，并且向控制裝置3發(fā)送(步驟140):生效的攫握配置和
在與已生效的虛擬零件P，j對應的真實零件Pj的攫握機械手1的參考
系中的定位數(shù)據(jù)[位置(x，，y，，z，)和方位(a，，p，,Y，)。 步驟141
該步驟141由控制裝置3的處理器(控制程序)執(zhí)行。 控制裝置3以適當并且已知的方式引導攫握機械手1的機動裝置 以及真實攫握工具11，以便在真實攫握工具11的空間內(nèi)移動以及在 已傳遞至控制裝置3的攫握配置中攫握定位數(shù)據(jù)已傳送至控制裝置3 的真實零件Pj。
一旦由攫握機械手1從真實工作環(huán)境5獲得真實零件Pj，計算 裝置4在步驟130上重新循環(huán)。
執(zhí)行攫握方法直至(測試133以及"循環(huán)結(jié)束")計算程序在步驟 132建立的虛擬工作場景STV中不再能檢測到零件為止。
權(quán)利要求
1.一種借助于真實攫握工具(11)自動攫握位于真實工作環(huán)境(5)中的至少一個真實零件(Pj)的方法，其特征在于該方法包括以下連續(xù)步驟(a)將由真實工作環(huán)境(5)和在該真實工作環(huán)境中呈現(xiàn)的每個真實零件(Pj)構(gòu)成的實際工作場景(STR)的表面以3D點[Ni(Xi，YX，Zi)]的云(N)的形式進行3D數(shù)字化，(b)借助于每個真實零件(Pj)和真實工作環(huán)境(5)的CAO3D數(shù)字模型，在步驟(a)中產(chǎn)生的點的云(N)中自動定位每個虛擬零件(P’j)和虛擬工作環(huán)境(5’)，(c)自動構(gòu)建與真實工作場景(STR)相對應、并且由在步驟(b)中定位的每個虛擬零件(P’j)和虛擬工作環(huán)境(5’)構(gòu)成的三維虛擬工作場景(STV)，上述構(gòu)建借助于每個真實零件(Pj)和真實工作環(huán)境(5)的CAO3D數(shù)字模型、以及在步驟(b)確定的每個虛擬零件(P’j)和虛擬工作環(huán)境(5’)的定位數(shù)據(jù)[(x，y，z)；(α，β，γ)]自動進行，(d)在步驟(c)產(chǎn)生的虛擬工作場景(STV)中自動選擇虛擬零件(P’j)，(e)控制真實攫握工具(11)，以便自動獲取與步驟(d)中選擇出的虛擬零件(P’j)對應的真實零件(Pj)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于真實工作環(huán)境(5) 包括至少兩個真實零件(Pj)，并且自動重復步驟(a)至(e)直至真 實工作環(huán)境(5)中再沒有零件。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于真實工作環(huán)境 (5)包括至少兩個真實零件(Pj)，并且在步驟(d)所述虛擬零件 (P，j)的選取最終生效之前，至少使用一個預定義重疊標準預先檢查在虛擬工作場景(STV)中所述虛擬零件(P，j)是否至少局部地被一 個臨近虛擬零件覆蓋，并且在所述虛擬零件(P，j )被臨近虛擬零件的 覆蓋符合所述預定義重疊標準的情況下，不選取該零件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于在步 驟(d)所述虛擬零件(P，j)的選取最終生效之前，預先檢查在虛擬 工作場景(STV)中在至少所述虛擬零件(P，j)和虛擬工作場景(5，) 之間、和/或在至少所述虛擬零件(P，j)和另一個虛擬零件之間是否 存在碰撞，并且在檢測出碰撞的情況下，不選擇該零件。
5，根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于在步 驟(d)所述虛擬零件(P，j)的選取最終生效之前，在虛擬工作場景 (STV)中定位借助于真實攫握工具(11)的CA0 3D數(shù)字模型定義 的虛擬攫握工具(11，)，并使得所述虛擬攫握工具(1,1，)以至少一 種預定義的攫握配置相對于所述虛擬零件(P，j)被安置；檢查在至少 所述虛擬攫握工具(11，)和虛擬工作環(huán)境(5，)之間、和/或至少所 迷虛擬攫握工具(11，)和另一個虛擬零件之間是否存在碰撞，并且在 檢測到碰撞的情況下，不選擇該零件(P，j)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于該方 法被用于在一群散裝零件中自動獲取至少一個零件(Pj)。
7. —種用于自動攫握位于真實工作環(huán)境(5)中的至少一個零件 (Pj)的系統(tǒng)，所述攫握系統(tǒng)包括裝備至少一個真實攫握工具(11)的攫握機械手(1)，和用于控制至少所迷攫握機械手(1)的控制裝 置(3)，其特征在于所述系統(tǒng)包括為實現(xiàn)權(quán)利要求1至6中任一項 所述的攫握方法的步驟(a)而設計的3D數(shù)字裝置(2)和為自動實 現(xiàn)權(quán)利要求1至6中任一項所述的攫握方法的步驟(b)至(d)而設 計的計算裝置(4)，其中所述控制裝置(3)被^L計為才艮據(jù)計算裝置 (4)計算的數(shù)據(jù)實現(xiàn)權(quán)利要求1至6中任一項所述的攫握方法的步 驟(e)。
8. 記錄在存儲介質(zhì)上或者存儲器中的計算程序，其中一部分由 攫握系統(tǒng)的可編程計算裝置(4)自動執(zhí)行，該攫握系統(tǒng)還包括裝備至 少一個真實攫握工具(11)的攫握機械手(1)、至少能夠控制所述攫 握機械手(1)的控制裝置(3)、和能夠以3D點[Ni(Xi,Yi，Zi)]的云 (N)的形式對真實物體或者真實物體群的表面進行三維數(shù)字化的3D 數(shù)字化裝置(2);當所迷計算程序被所述計算裝置U)執(zhí)行時，能 夠自動實現(xiàn)權(quán)利要求1至6中任一項所述的攫握方法的步驟(b)至(d)。
全文摘要
一種方法包括以下連續(xù)的步驟(a)將實際工作場景(STR)的表面以3D點[N_i(X_i，Y_i，Z_i)]的云(N)的形式進行3D數(shù)字化，(b)借助于每個真實零件(Pj)和真實工作環(huán)境(5)的CAO 3D數(shù)字模型，在步驟(a)中產(chǎn)生的點的云(N)中自動定位每個虛擬零件(P’j)和虛擬工作環(huán)境(5’)，(c)借助于每個真實零件(Pj)和真實工作環(huán)境(5)的CAO 3D數(shù)字模型、以及在步驟(b)確定的每個虛擬零件(P’j)和虛擬工作環(huán)境(5’)的定位數(shù)據(jù)[(x，y，z)；(α，β，γ)]，自動構(gòu)建三維虛擬工作場景(STV)，(d)在虛擬工作場景(STV)中自動選擇虛擬零件(P’j)，(e)控制真實攫握工具(11)，以便自動獲取與步驟(d)中選擇出的虛擬零件(P’j)對應的真實零件(Pj)。
文檔編號B25J9/16GK101370624SQ200780002892
公開日2009年2月18日 申請日期2007年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月23日
發(fā)明者偌鴻慕·葛赫布瓦 申請人:偌鴻慕·葛赫布瓦