基于手势引导的工业机器人示教技术研究及应用

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1、基于手势引导的工业机器人示教技术研究及应用第1章绪论为保证机器人在面对不同作业环境时有较高的示教效率，同时降低示教者示教门槛，传统的示教模式显然无法满足要求。手势作为人机交互的一种方式，具有识别难度低、语义表达丰富等特点。因此在面向工业机器人的示教过程中，加入手势引导的示教过程变得更加友好和高效，使得示教者将示教的重点放在作业任务本身而非示教操作及指令的学习上。为此，本文以实验室课题组与亚龙教育装备股份有限公司合作开发的"多品牌工业机器人虚拟操作示教仿真系统"为依托，在实现工业机器人示教盒示教功能的同时，以手势作为人机交互媒介，

2、添加手势引导示教。将机器人作业环境分为自由空间下和作业约朿下，针对不同的作业环境采用符合各自作业特点的方法，完成手势引导下的示教任务。第2章基于手势识别的工业机器人轨迹生成2.1引言实现手势引导机器人运动跟踪，必须建立两者之间的坐标转换。本文通过KnectV2采集手部关节点（拇指，指尖，手记）进行手部坐标系建模，通过建立KincetV2坐标系与虚拟机器人光标系之间的转换，实现手部平标系与机器人末端执行器坐标系之间的姿态映射关系。采用相对位置与自适应比例映射法完成手部与机器人末端执行位置映射关系。为提高跟踪的稳定性，对动态手势轨迹

3、采用卡尔曼滤波。最后通过实验验证并分析了此机器人运动跟踪方法的可行性。图2.1空闰点的表示2.2机器人运动学分析机器人运动学是研究机器人运动轨迹跟踪的基础。运动学分析的目的主要是为了建立机器人末端执行器（工具）的位移、速度、加速度与各关节坐标系下的位移、速度、加速度之间的联系。运动学主要分为两个部分：第一部分力正运动学，即在己知各关节角度的前提下，计算出机器人末端执行器相对于基坐标系下的位姿状态；第二部分是逆运动学，即在已知末端执行器相对于基坐标系下，反求出各个关节角度的大小。在进行机器人运动学分析之前，盂要建立数学棋型，通过数

4、学模型来描述机器人连杆结构，运动学的本质就是分析这些连杆机构之间的位置与姿态关系。第3章面向自由空间的手势引导示教路径优化303.1引言...303.2基于手势点位控制的工业机器人作业区域引导...313.3手势引导轨迹预处理...32第4章面向作业约朿的手势引导示教意图再现...454.1引言...454.2作业对象与作业环境的描述...464.3基于手势行为特征的引导轨迹分割...47第5章工业机器人虛拟示教仿真系统开发及应用...595.1引言...595.2示教仿真系统开发工具及总体设计框架...59第5章工业机器人虚拟

5、示教仿真系统开发及应用5.1引言本文的研究IAJ容是基于实验室课题姐与亚龙教育装备股份有限公司合作开发的"以品牌工业机器人虛拟操作示教仿真系统"项0。该示教系统集成了ABB、发那科、安川和广数五款主流工业机器人。通过使用该工业机器人虛拟操作示教仿真平台使参与示教培训的学习者，无耑操作实体示教盒，仅通过仿真软件的学习即可以与实际示教盒相同的示教操作流程。这不仅提高了学习者学习工业机器人示教操作的效率，而且验证了学习的安全性。本项0成员共有三人，本人独立完成广数机器人示教系统开发，并与其他项目成员合作开发库卡和ABB两款示教系统，本

6、章重点阐述对广数机器人示教系统的开发。该虚拟操作示教系统主要包括机器人虚拟建撰、运动控制仿真、手动示教、编程示教、再现示教、手势引导示教等功能。手势引导示教功能主要面类作业环境（自由空间和作业约朿），该功能使得示教过程更加高效友好，降低示教门槛。耑要说明的是，原始示教盒功能的实现为手势引导示教功能奠定重要基础。5.2示教仿其系统开发工其及总体设计框架人机交互层主要用于提供用户操作虚拟操作示教仿真系统的交互接口，包括登入界面、场景界面、示教盒界面和手势引导界面五个部分。由于虚拟示教盒交互方式与真实示教盒完全一致，且通过图形化交互形

7、式表达，使得示教者通过虚拟示教金的学习过程更加真实可靠。第6章总结与展望本文深入研宄手势引导在工业机器人示教屮的若干关键问题。完成基于手势识别机器人运动跟踪，并以此为基础，完成面向不同作业环境下手势引导机器人示教过程，包括妞向自由空间的手势引导示教优化和面向作业约朿手势引导示教意画再现。最后，依托"多品牌工业机器人虚拟操作示教仿真系统"项目，将传统示教念示教功能与手势引导示教功能栖结合，实现示教功能的扩展，使得对机器人的示教交互过程更加高效和友好。本文的研究成果和创新点如下：（1）提出基于手势识别的机器人运动轨迹生成方法首先对机

8、器人运行学进行分析，针对机器人逆运动出现多解的情况，提出基于连抒加权与二范数的运动学逆解筛选方法。提出利用KinectV2构建人手坐标系与机器人末端执行器坐标系的映射关系，实现了基于手势跟踪的机器人运动轨迹实时生成。为保证跟踪的稳定性，力手势轨迹添加卡尔曼滤波。