基于光学动作捕捉的示教机器人数据采集系统
专利汇可以提供基于光学动作捕捉的示教机器人数据采集系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种基于光学 动作捕捉 的示教 机器人 数据采集 系统，模 块 主要划分为标定模块、交换机通信模块、 数据处理 模块、监控模块以及示教机器人模块。数据处理模块通过交换机模块向标定模块发送采集命令，来获取示教动作数据，示教动作数据为标定模块中采集到的作业工具在示教动作过程中的 位姿 ，通过数据处理模块获取作业工具的位姿并进行坐标变换和生成机器人可以执行的运动指令，将此指令通过WiFi发送到机器人模块，监控模块向各个模块分发控制命令并监视整个系统，以使示教机器人完成与示教动作相同的动作从而实现示教。系统采用光学动作捕捉系统进行实时采集，与 现有技术 相比，具有良好的远程控制性能，采集到的数据具有高 精度 ，示教具有 稳定性 。，下面是基于光学动作捕捉的示教机器人数据采集系统专利的具体信息内容。
1.一种基于光学动作捕捉的示教机器人数据采集系统，其特征在于：数据处理模块通过交换机通信模块对标定模块发送采集命令，监控模块向各个模块分发控制命令并监视整个系统，实现机器人运动控制数据的实时在线采集，各模块的具体构成是：
标定模块，标定模块包括光学动作捕捉系统、作业工具和示教机器人，标定模块中光学动作捕捉系统通过电缆线与交换机模块相连接，光学动作捕捉系统中摄像头接收到通过交换机模块中传输来的数据采集命令，在光学动作捕捉系统中开始对作业工具进行光学动作捕捉，同时通过交换机模块传输采集到的作业工具的运动轨迹数据；由于作业工具是基于光学捕捉系统坐标系，而机器人是处于世界坐标系下，因此需要将机器人置于光学动作捕捉系统中进行标定后保存机器人在光学动作捕捉系统坐标系中的相对位置，使得光学动作捕捉系统中可识别出机器人并对其进行操作，坐标变换过程如下：
其中，{V}为光学动作捕捉系统原点坐标系，{mar}为桌面参考物坐标系，{UR}为机器人坐标系，{tool}为作业工具坐标系， 为4×4为UR坐标系相对于V坐标系的齐次变换，为mar坐标系相对于坐标系的齐次变换， 为UR坐标系相对于mar坐标系的齐次变换，为tool坐标系相对于UR坐标系的齐次变换， 为 的逆变换， 为tool坐标系相对于V坐标系的齐次变换； 表示了一般的旋转和平移，来定义一个坐标系， 为3×3旋转矩阵，是{UR}相对于{V}的表达；标量rij，其中i＝1，2…9，j＝1，2…9，表示UR中每个矢量在其A
参考系V中单位方向上投影的分量来表示；PURORG为确定坐标系{UR}的原点的位置矢量；
其余齐次变换与 类似， 表示用坐标系V表达时的坐标系UR主轴
方向的单位矢量；在ROS中利用tf工具监听到光学动作捕捉系统原点坐标系、机器人底座桌面上标记物的坐标系，而机器人基座坐标系亦可通过tf工具监听到，因此根据发布的标记物与机器人基座的位置关系，通过坐标变换可得到光学动作捕捉系统原点坐标系与机器人基座坐标系的相对位置关系，从而实现了机器人在光学动作捕捉系统原点坐标系的标定，标定完成后，标定模块采集接收作业工具的运动轨迹数据信息并将采集到的信息通过交换机模块发送到数据处理模块；
数据处理模块，数据处理模块通过WiFi与交换机模块相连，接收标定模块中采集到的作业工具的运动轨迹数据和空间姿态数据信息，将采集到的位姿信息写入文件中，在ROS系统中读写文件，发送个机器人末端，通过逆运动学求解，得到各个关节角度信息，机器人逆运动学求解过程如下：
机械臂的关节角度分别为基座为第一关节角θ1，肩部为第二关节角θ2，肘部为第三关节角θ3，手腕1为第四关节角θ4，手腕2为第五关节角θ5，手腕3为第六关节角θ6；具体的计算方法如下：
当机器人末端位姿的数值已知时，通过下列方程解出角度θi，i＝1，2，3，4，5，6；
其中， 是末端坐标系6到基座固定坐标系0的变换矩阵，它的数值是已知的，nx、ny、nz为末端坐标系6的每个矢量在参考坐标系固定坐标系0中x单位方向上的投影，ox、oy、oz为末端坐标系6的每个矢量在参考坐标系固定坐标系中的y单位方向上的投影，ax、ay、az为末端坐标系6的每个矢量在参考坐标系固定坐标系0中的z单位方向上的投影，根据式
可以求出θ1，可以表示为：
另外：
其中，其中c代表cos，s代表sin，αi：绕xi-1坐标轴，从zi-1旋转到zi的角度；ai：沿xi-1坐标轴，从zi-1移动到zi的角度；θi：绕zi坐标轴，从xi-1旋转到xi的角度；di：沿zi坐标轴，从xi-1移动到xi的角度； 是末端坐标系6到基座固定坐标系1的变换矩阵，它的数值是已知的，1nx、
1ny、1nz为末端坐标系6的每个矢量在参考坐标系固定坐标系1中x单位方向上的投影，1ox、
1oy、1oz为末端坐标系6的每个矢量在参考坐标系固定坐标系中的y单位方向上的投影，1ax、
1 1
ay、az为末端坐标系6的每个矢量在参考坐标系固定坐标系1中的z单位方向上的投影，对比式(1-6)和式(1-7)，两个式子第2行第4列的值为常数，即可获得求解θ1需要的一元方程：
-pxs1+pyc1＝d2+d3+d4 (1-8)
根据三角函数的万能公式，可以求出θ1：
θ1＝atan2(py,px)-atan2(E,±F) (1-9)
E＝d2+d3+d4； 接着对比公式(1-6)和(1-7)，可以求解θ5和θ6；由矩阵的
第二行的前三列的元素可以求解：
-nxs1+nyc1＝-s5c6 (1-10)
-oxs1+oyc1＝s5c6 (1-11)
-axs1+ayc1＝-c5 (1-12)
联立(1-10)、(1-11)，消除变量，得：
求出θ5：
θ5＝atan2(s5,axs1-ayc1) (1-14)
当s5＝0时，即θ5＝0或θ5＝π时，机构会发生奇异性，这样就不能求出θ6的角度了；当s5≠
0，即θ5≠0而且θ5≠π时，可以求出θ6：
对比公式(1-6)和(1-7)，根据矩阵第一行第三列的元素和第三行第三列元素，这两列元素可以推导出以下的方程：
axc1+ays1＝-c234s5 (1-16)
az＝s234s5 (1-17)
当s5＝0时，即θ5＝0或θ5＝π时，机构会发生奇异性，这样就不能求出θ2+θ3+θ4的角度了；
当s5≠0，即θ5≠0而且θ5≠π时，可以求出θ2+θ3+θ4：
对比公式(1-6)和(1-7)，由矩阵第一行第四列和第三行第四列这两列的元素可以推导出以下方程：
pxc1+pys1＝a3c23+a2c2-d5s234 (1-19)
pz-d1＝-a3s23-a2s2-d5c234 (1-20)
消除θ2+θ3，从而可以求解出θ2的值：
解出θ2之后，再次联立(1-19)和(1-20)，可以求出θ2+θ3因此求出θ3与θ4；由以上的逆运动学的求解公式，就可以求出每个关节角的角度；
交换机通信模块，交换机通信模块包括以太网交换机、路由器和电缆线，以太网交换机通过电缆线接收数据处理模块发送的采集命令，并将标定模块采集到的轨迹及姿态数据信息发送到数据处理模块，交换机通信模块通过WiFi与数据处理模块及标定模块建立无线连接，由路由器开启WiFi热点，采用TCP通信协议模式建立无线连接，并通过WiFi透传模式快速传输数据；交换机通信模块为光学动作捕捉系统中的摄像头提供电源及数据通信，并将采集完成的数据通过WiFi发送到数据处理模块；
监控模块，监控模块通过WiFi经由交换机通信模块与机器人、光学捕捉系统组成局域网，负责向各个模块分发控制命令，同时带有监视功能，将各模块工作状态显示出来用于观察整个系统是否顺利运行，也有助于在系统运行出现问题时，能帮助用户顺利定位到出问题的模块；
示教机器人模块，示教机器人模块通过WiFi接入数据处理模块，接受在数据处理模块中末端轨迹姿态转换为各个关节角的角度值，使得机器人完成与作业工具动作相对应的动作。
2.根据权利要求1所述的基于光学动作捕捉的示教机器人采集系统，其特征在于：所述的标定模块包括光学动作捕捉系统、作业工具和示教机器人，光学动作捕捉系统包括八个摄像头及捕捉系统主机；对示教机器人在光学动作捕捉系统中进行标定，使得示教机器人完成与作业工具动作相对应的动作；标定模块中光学动作捕捉系统提供的实时光学数据，可以应用于实时在线的运动捕捉和分析；光学动作捕捉系统的摄像头镜头通过收集作业工具上的反射光，在摄像头的传感器平面上形成聚焦图像，增加捕捉距离和捕捉稳定性。
3.根据权利要求1所述的基于光学动作捕捉的示教机器人采集系统，其特征在于：所述的数据处理模块与标定模块之间采用ROS发布/订阅消息通信机制，每个模块以ROS中节点的形式存在，将传递的数据以消息的形式发布到相应的主题上，其他的功能模块通过订阅该主题获取到消息，以此达到模块之间的数据传输。
基于光学动作捕捉的示教机器人数据采集系统
技术领域
背景技术
104924313[P]. 2015-09-23),使用搭载在机器人上的动作检测装置采集各连杆的状态信息，将信息应用到模仿学习算法，指导机器人系统模仿学习示教行为，但是操作过程复杂，使用的学习算法性能不太高，用户操作繁琐不便。郭颜京天等提出一种工业机器人示教系统和方法(郭颜京天，程凡宇，刘昊.一种工业机器人示教系统和方法:中国，108214495[P].2018.06.29)，该系统采用基于红外激光扫描定位的手持定位器来获取空间数据，并将空间数据发送到数据处理服务器。但是基于光学动作捕捉相比，得到的数据不够稳定，红外激光扫描距离不够远。
发明内容
具体实施方式
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 基于SCADA系统的风电场故障数据采集系统及采集方法 | 2020-05-08 | 150 |
| 基于网络的直升机风洞试验控制架构及控制方法 | 2020-05-08 | 510 |
| 高速动车组牵引电机轴承全寿命衰退仿真试验装置 | 2020-05-12 | 679 |
| 一种人工智能预警系统 | 2020-05-19 | 768 |
| 一种发酵自动记录分析系统 | 2020-05-23 | 413 |
| 一种改善冷轧机主缸磁尺卡顿断带的方法 | 2020-05-17 | 856 |
| 基于北斗电力应用的新能源电厂调度数据采集系统 | 2020-05-08 | 879 |
| 一种用于燃料电池汽车氢安全试验的密闭舱系统 | 2020-05-19 | 1025 |
| 一种电力灾害监控和模拟系统 | 2020-05-11 | 692 |
| 一种制药数字化车间管理系统 | 2020-05-15 | 66 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
