專利名稱：任意多面體的無傳感器定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機器人應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是不用傳感器，以機器人把一個在平面上的任意多面體從任意狀態(tài)定位到唯一的給定狀態(tài)的方法。
背景技術(shù)：
我國是一個制造大國，但由于自動化程度不高，還不是制造強國。要保持我國制造大國的地位和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的勢頭，就必須大大提高制造業(yè)的自動化，而機器人是首選。
機器人在制造業(yè)的應(yīng)用已被研究了三十年。但是，機器人并未廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)中。把零件從運輸帶上的任意狀態(tài)抓到一個確定的穩(wěn)定狀態(tài)上，是自動化的第一步，也是機器人在制造業(yè)應(yīng)用的第一步?，F(xiàn)在，這一環(huán)節(jié)一般都是人工在做。
機器人抓取的研究主要集中于被抓取物體穩(wěn)定性的研究[Sanz，etc 2005；Chinellato，etc 2005；Y.Liu etc，2004；Liu etc，2004，而對于物體從什么樣的初始條件可以抓到穩(wěn)定狀態(tài)并未深入研究。特別是通過一系列的抓取動作，不用傳感器，物體有無可能從任意初始方向抓到一個確定的狀態(tài)并未深入研究。
這方面的前期工作包括美國著名大學(xué)的科學(xué)家們通過抓取實現(xiàn)多邊形在二維空間的定位工作[Goldberg，1993][Rao and Goldberg，1995]，而對于不用傳感器的三維空間一般物體定位的研究基本上還是空白。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種任意多面體的無傳感器定位的方法，該方法不用傳感器，通過一系列機器人手爪的抓取動作，將三維空間的物體從任意初始方向抓到一個確定的狀態(tài)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種任意多面體的無傳感器定位方法，是用機器人抓取物體并定位的方法，其包括對于一個已知的多面體物體，根據(jù)多面體物體形狀計算出其在三維狀態(tài)空間(θx，θy，d)的可行域；機器人先利用多面體物體最大的“碗狀約束域”，通過轉(zhuǎn)動和把物體放在支撐面上，把至少兩個以上可能的穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)到同一穩(wěn)定狀態(tài)，該穩(wěn)定狀態(tài)對應(yīng)于最大的“碗狀約束域”的最低點；再反復(fù)一系列的轉(zhuǎn)動和把物體放在支撐面上，把一個在支撐平面上的任意多面體物體從任意初始狀態(tài)，定位到預(yù)先給定的穩(wěn)定狀態(tài)。
所述的方法，其所述可行域，是由“碗狀約束域”組成的，即使不知多面體物體的實際狀態(tài)，但多面體物體對應(yīng)于某個“碗狀約束域”的某個點；預(yù)先給定的穩(wěn)定狀態(tài)，是唯一的任意穩(wěn)定狀態(tài)。
所述的方法，其具體步驟如下(a)開始，把多面體物體放在支撐平面上；(b)在操控機器人的顯示屏上，計算出已知多面體物體在三維狀態(tài)空間(θx，θy，d)的可行域；其中，θx，θy是多面體物體的底面與支撐平面的夾角在x，y上的投影；d是多面體物體底面中心點到支撐平面的距離；(c)在顯示的可行域中，沿θx，θy方向上移動狀態(tài)空間圖，使至少二個以上現(xiàn)有穩(wěn)定狀態(tài)落入同一個“碗狀約束域”；沿θx，θy方向上的移動量θx，θy就是機器人應(yīng)轉(zhuǎn)動多面體物體的反角度，即-θx，-θy；(d)機器人手爪拿起多面體物體，沿反角度-θx，-θy轉(zhuǎn)動，此時，幾個穩(wěn)定狀態(tài)處于同一個“碗狀約束域”中，再把多面體物體輕輕放在支撐平面上；由于物體的重力作用，任意一個在前幾個穩(wěn)定狀態(tài)的多面體物體都落入“碗狀約束域”的最低點對應(yīng)的唯一狀態(tài)；(e)然后重復(fù)(c)、(d)步驟，直到把所有的穩(wěn)定狀態(tài)都吸引到同一個給定的狀態(tài)為止。
所述的方法，其所述(c)步中同一個“碗狀約束域”，是現(xiàn)有階段最大的“碗狀約束域”。
所述的方法，其所述支撐平面，為平面?zhèn)魉蛶Щ蚱脚_。
所述的方法，其所述最大的“碗狀約束域”，是在構(gòu)成可行域的“碗狀約束域”中，具有最大碗口面積的“碗狀約束域”為“最大碗狀約束域”。
本發(fā)明的有益效果是1、推進(jìn)了把零件從運輸帶上的任意狀態(tài)抓到一個確定的可加工狀態(tài)的自動化程度。
2、與用視覺系統(tǒng)的定位方法相比，本發(fā)明方法有更廣泛的實用范圍。同時，攝像頭不能提供三維物體全部的狀態(tài)信息。
3、填補了國際上不用傳感器三維空間物體定位的空白。


圖1為一個三維多面體物體放在支撐平面上，建立三維坐標(biāo)系的示意圖；圖2為本發(fā)明方法的流程圖；圖3為四面體在狀態(tài)空間的可行域示意圖。
具體實施例方式
對于一個已知的多面體物體，根據(jù)多面體物體形狀計算出其在三維狀態(tài)空間(θx，θy，d)的可行域，如圖3所示，其中，多面體物體為四面體，其四頂點坐標(biāo)是(1，1，-1)、(1，-1，-1)、(-1，1，-1)、(0，0，1)；機器人先利用多面體物體最大的“碗狀約束域”，通過轉(zhuǎn)動和把物體放在支撐面上，把兩個以上可能的穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)到同一穩(wěn)定狀態(tài)，該穩(wěn)定狀態(tài)對應(yīng)于最大的“碗狀約束域”的最低點；再反復(fù)一系列的轉(zhuǎn)動，把一個在支撐平面上的任意多面體物體從任意初始狀態(tài)，定位到預(yù)先給定的穩(wěn)定狀態(tài)。
則(1)對于一個給定的多面體物體，不管它的初始狀態(tài)如何，機器人都可在不知物體初始狀態(tài)的條件下，僅僅根據(jù)物體的形狀，利用“碗狀約束域”設(shè)計一系列的操作，使多面體物體被轉(zhuǎn)到一個預(yù)先給定的穩(wěn)定狀態(tài)。
同一穩(wěn)定狀態(tài)，即對應(yīng)同一組(θx，θy，d)，其中，θx，θy是多面體物體的底面與支撐平面的夾角在x，y上的投影；d是多面體物體底面中心點到支撐平面的距離。
該三維狀態(tài)空間的可行域是由“碗狀約束域”組成的，即使不知多面體物體的實際狀態(tài)，但多面體物體對應(yīng)于某個“碗狀約束域”的某個點。
“碗狀約束域”是指在狀態(tài)空間的約束域的形狀像“碗”，更廣義地說，在這樣一個區(qū)域里，存在一個與狀態(tài)無關(guān)的時不變輸入使系統(tǒng)從這個區(qū)域的任意一點都可收斂到一個穩(wěn)定點。
該穩(wěn)定狀態(tài)是指多面體物體有一面在支撐平面上，并對應(yīng)與某個“碗狀約束域”的最低點?！巴霠罴s束域”的最低點，就是這個“碗狀約束域”里的碗底的那個點。
(2)機器人總是先利用最大的“碗狀約束域”，通過一系列的轉(zhuǎn)動，把一個在支撐平面上的任意多面體物體從任意初始狀態(tài)定位到唯一的預(yù)先給定的穩(wěn)定狀態(tài)。
給定的多面體物體在狀態(tài)空間的可行域是確定的，我們證明它的可行域是由許多“碗狀約束域”構(gòu)成的，在這些“碗狀約束域”中，我們稱具有最大碗口面積的“碗狀約束域”為“最大碗狀約束域”。
如圖1所示，一個三維多面體物體放在平面?zhèn)魉蛶Щ蛉我庵纹矫嫔?，建立三維多面體物體的坐標(biāo)系，其中，x，y建立在平面?zhèn)魉蛶Щ蛑纹矫嫔?；z垂直于支撐平面，向上。
圖2所示的是本發(fā)明方法的流程圖，其具體實施步驟如下(a)開始，把多面體放在支撐平面上。
(b)在操控機器人的顯示屏上，給出多面體物體在三維狀態(tài)空間(θx，θy，d)的可行域；其中，θx，θy是多面體物體的底面與支撐平面的夾角在x，y上的投影；d是多面體物體底面中心點到支撐平面的距離。
(c)在顯示的可行域中，沿θx，θy方向上移動狀態(tài)空間圖，使盡可能多(至少2個)現(xiàn)有可能穩(wěn)定狀態(tài)(是計算機給出的，不同的物體不同。)落入同一個“碗狀約束域”；這個“碗狀約束域”應(yīng)該是現(xiàn)有階段最大的“碗狀約束域”。沿θx，θy方向上的移動量θx，θy就是機器人應(yīng)轉(zhuǎn)動多面體物體的反角度，即-θx，-θy。
(d)機器人手爪拿起多面體物體，沿反角度-θx，-θy轉(zhuǎn)動，此時，幾個可能的穩(wěn)定狀態(tài)都處于同一個“碗狀約束域”，再把多面體物體輕輕放在支撐平面上；由于物體的重力作用，任意一個在前幾個可能的穩(wěn)定狀態(tài)的多面體物體都會落入“碗狀約束域”的最低點對應(yīng)的唯一狀態(tài)。
(e)然后重復(fù)(c)、(d)步驟，直到把所有的可能的穩(wěn)定狀態(tài)都吸引到同一個給定的狀態(tài)為止。
權(quán)利要求
1.一種任意多面體的無傳感器定位方法，是用機器人抓取物體并定位的方法，其特征在于，包括對于一個已知的多面體物體，根據(jù)多面體物體形狀計算出其在三維狀態(tài)空間(θx，θy，d)的可行域；機器人先利用多面體物體最大的“碗狀約束域”，通過轉(zhuǎn)動和把物體放在支撐面上，把至少兩個以上可能的穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)到同一穩(wěn)定狀態(tài)，該穩(wěn)定狀態(tài)對應(yīng)于最大的“碗狀約束域”的最低點；再反復(fù)一系列的轉(zhuǎn)動和把物體放在支撐面上，把一個在支撐平面上的任意多面體物體從任意初始狀態(tài)，定位到預(yù)先給定的穩(wěn)定狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述可行域，是由“碗狀約束域”組成的，即使不知多面體物體的實際狀態(tài)，但多面體物體對應(yīng)于某個“碗狀約束域”的某個點；預(yù)先給定的穩(wěn)定狀態(tài)，是唯一的任意穩(wěn)定狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，具體步驟如下(a)開始，把多面體物體放在支撐平面上；(b)在操控機器人的顯示屏上，計算出已知多面體物體在三維狀態(tài)空間(θx，θy，d)的可行域；其中，θx，θy是多面體物體的底面與支撐平面的夾角在x，y上的投影；d是多面體物體底面中心點到支撐平面的距離；(c)在顯示的可行域中，沿θx，θy方向上移動狀態(tài)空間圖，使至少二個以上現(xiàn)有可能穩(wěn)定狀態(tài)落入同一個“碗狀約束域”；沿θx，θy方向上的移動量θx，θy就是機器人應(yīng)轉(zhuǎn)動多面體物體的反角度，即-θx，-θy；(d)機器人手爪拿起多面體物體，沿反角度-θx，-θy轉(zhuǎn)動，此時，幾個穩(wěn)定狀態(tài)處于同一個“碗狀約束域”中，再把多面體物體輕輕放在支撐平面上；由于物體的重力作用，任意一個在前幾個穩(wěn)定狀態(tài)的多面體物體都落入“碗狀約束域”的最低點對應(yīng)的唯一狀態(tài)；(e)然后重復(fù)(c)、(d)步驟，直到把所有的可能的穩(wěn)定狀態(tài)都吸引到同一個給定的狀態(tài)為止。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述(c)步中同一個“碗狀約束域”，是現(xiàn)有階段最大的“碗狀約束域”。
5.如權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述支撐平面，為平面?zhèn)魉蛶Щ蚱脚_。
6.如權(quán)利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述最大的“碗狀約束域”，是在構(gòu)成可行域的“碗狀約束域”中，具有最大碗口面積的“碗狀約束域”為“最大碗狀約束域”。
全文摘要
本發(fā)明一種任意多面體的無傳感器定位方法，涉及機器人應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，是用機器人抓取物體并定位的方法，包括對于一個已知的多面體物體，根據(jù)多面體物體形狀計算出其在三維狀態(tài)空間(θ
文檔編號B25J9/10GK101041236SQ20061001153
公開日2007年9月26日 申請日期2006年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月22日
發(fā)明者喬紅 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所