(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210501168.5 (22)申请日 2022.05.09 (71)申请人 重庆大学 地址 400044 重庆市沙坪坝区沙坪坝正 街 174号 (72)发明人 林景栋　张天赐　闫冠松　黎杨　 章家伟　高杨　 (74)专利代理 机构 北京同恒源知识产权代理有 限公司 1 1275 专利代理师 廖曦 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) G06T 7/246(2017.01) G06K 9/62(2022.01) G06V 10/44(2022.01)G06V 10/25(2022.01) G06V 10/764(2022.01) (54)发明名称 一种工业四轴机器人运动目标跟踪抓取方 法 (57)摘要 本发明涉及一种工业四轴机器人运动目标 跟踪抓取方法， 属于机器人技术领域。 该方法具 体包括： 1)工业四轴机器人的设计与建模； 2)运 动目标的跟踪与定位算法设计； 3)机器人轨迹规 划及抓取策略设计； 4)机器人运动目标跟踪 抓取 系统的整体布局设计与整体架构设计。 本发明设 计了工业四轴机器人， 选取KCF算法作为跟踪算 法， 提出了结合输送线编码器数据用于目标区域 重构的方法， 改善了目标区域丢失的问题。 采用 了由跟踪 算法输出ROI的方法， 基于ROI区域进行 图像处理获取运动目标形心， 减少了图像处理的 数据量， 改善算法实时性。 通过3 ‑4‑5次多项式规 划了典型的四轴机器人抓取运动路径， 通过最小 二乘法预测形心在抓取时刻的位置， 解决了抓取 延迟的问题。 权利要求书3页 说明书8页 附图2页 CN 114770513 A 2022.07.22 CN 114770513 A 1.一种工业四轴机器人运动目标跟踪抓取 方法， 其特 征在于： 该 方法包括以下步骤： S1： 设计工业四轴机器人的结构； S2： 建立系统的运动目标跟踪与定位 算法； S3： 建立系统的在线轨 迹规划与追踪抓取 策略； S4： 建立工业四轴机器人的软硬件系统架构。 2.根据权利要求1所述的一种工业 四轴机器人运动目标跟踪抓取方法， 其特征在于： 所 述S1中， 工业四轴机器人的参数为： 抓取对象为重量为1kg以内的物体， 有效负载大于 12.25N， 额定负载大于12.32N， 机器人的最大合成速度为1.5m/min， 机器人的重复定位精确 度为±2mm， 机器人的工作半径为5 50mm； 工业四轴机器人为四轴串联机器人， 四个轴 分别为： JT1、 JT2、 JT3、 JT4； 从第JT1到JT4 都是单杆连接形式， 每两个轴都组成一个平面转动副， 每个转动副 实际驱动为一个步进电 机和一个减速器； JT1与机器人底座连接， JT2、 JT3安装在JT1的正上 方， JT4为机器人末端。 3.根据权利要求2所述的一种工业 四轴机器人运动目标跟踪抓取方法， 其特征在于： 所 述S2中， 运动目标跟踪与定位 算法使用基于核相关滤波的目标追踪算法KCF， 流 程如下： 1)从当前帧中， 获取初始化的目标区域R0； 2)以目标区域 为中心， 扩展一定区域， 构建循环样本矩阵； 3)提取HO G特征， 训练得到分类 器； 4)计算响应值， 找出响应值 最大的候选模板； 5)输出跟踪结果并更新分类 器， 更新下一帧目标区域； 6)转到第2)步； 在步骤2)中， 使用基于循环的位移采样算法， 该算法具体如下： 循环矩阵的一维形式是由一个n维向量每次向右循环移动一个元素， 共移动m次， 直到 生成一个m ×n的矩阵； 设向量x表示包含感兴趣目标的目标块， 称为基础样本， 针对一个一 维基础样本， 基于循环 矩阵采样描述如下： 一维基础样本： x＝[x1， x2， x3， ...， xn]T       (6) 转置矩阵： 对x进行向右循环 移动： Px＝[xn， x1， x2， ...， xn‑1]T    (8) 将基础样本x经过n ‑1次向右循环移动， 生成n ‑1个新向量， 然后将原基础样本和新向量 组成一个n ×n的循环矩阵C； 在步骤3)中， 方向梯度直方图HOG特征是使用图像局部区域内的梯度方向直方图作为 特征描述； 基于核相关滤波的目标跟踪算法， 在构建了循环样本矩阵之后， 是通过提取候选 样本的HOG特征来训练算法中的分类器， 再利用分类器对每一帧的候选模板计算响应值， 响 应值最大的候选模板 输出为跟踪目标位置；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114770513 A 2在步骤3)中， 使用和岭回归方法训练分类 器。 4.根据权利要求3所述的一种工业 四轴机器人运动目标跟踪抓取方法， 其特征在于： 所 述S3中， 当接收到目标位置点后， 机器人将从当前位置点出发， 沿着一组由期 望轨迹的内插 函数所获得的时间序列值所构成的中间位置点 运动， 最终到 达目标位置点； 使用3‑4‑5次多项式方法进行轨 迹规划， 该 方法具体描述如下： 先进行归一化处理， 令τ＝t/T， H＝s/S， V＝v/(s/T)， A＝a/(s/t2)； 其中t是轨迹执行时 间， T是运动的总时间， s为末端当前运行位移， S为末端轨迹总 位移， v为末端速度， a为末端 加速度； 由当前位置点、 目标位置点的加速度、 速度为 零有： H＝0， V＝0， V A＝0 τ ＝0    (15) H＝1， V＝0， V A＝0 τ ＝1    (16) 位移H为5次多 项式： H＝a0+a1τ +a2τ2+a3τ3+a4τ4+a5τ5    (17) 速度V为4次多项式： 加速度A为3次多 项式： 将(15)和(16)带入(17)、 (18)、 (19)， 求解得到： a0＝0， a1＝0， a2＝0， a3＝10， a4＝‑15， a5 ＝6； 即3‑4‑5次多项式规划为： H＝10 τ3‑15 τ4+6 τ5   (20) V＝30 τ2‑60 τ3+30 τ4    (21) A＝60 τ‑180 τ2+120 τ3    (22) 进而求得最大速度Vmax和加速度Amax为： Vmax＝1.8750， Amax＝5.7735    (23) 实际最大加速度amax＝(1.5m/min)/0.2s＝125mm/s2， 则加速度的归一化比例系数为 amax/Amax＝66.66， 则轨迹规划方程 为： s(t)＝66.66(10 τ3‑15 τ4+6 τ5)T2    (24) v(t)＝66.66(30 τ2‑60 τ3+30 τ4)T    (25) a(t)＝66.66(60 τ‑180 τ2+120 τ3)    (26) 对式(26)中加速度a(t)求一阶导， 求得加速度的跃度， 跃度是反应加速度变化速率的 物理量， 跃度的表达式如下： j(t)＝66.66(60‑360 τ +360 τ2)    (27) 得出在3‑4‑5次多项式轨迹规划下， 依据工业四轴机器人 “门”字型运动轨 迹； 跟踪抓取策略的目的是， 根据实 际任务的要求， 考虑机器人的抓取精度和抓取实时性 来建立相关控制算法， 最终 实现准确的跟踪抓取； 使用基于最小二乘法的运动目标跟踪抓取 策略， 具体如下： 使用的输送线高度是水平不变的， 即机器人在抓取时Z方向的坐标值是常量， 对X、 Y方 向的坐标值进行预测； 设已知前n个时刻运动目标形心坐标历史数据为(xi， yi)， i＝1，权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114770513 A 3