(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 202210582771.0 (22)申请日 2022.05.26 (71)申请人 青岛科技大 学 地址 266000 山东省青岛市崂山区松岭路 99号 (72)发明人 张明月　赵惠　李庆党　罗莎　 (74)专利代理 机构 山东重诺律师事务所 372 28 专利代理师 林婷 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 机械臂路径规划快速原型系统 (57)摘要 本发明涉及一种机械臂路径规划快速原型 系统及方法， 其包括相机、 计算机及机械臂； 相机 与计算机通过数据线 连接， 机械臂与相机采用眼 在手外的安装 方式， 机械臂与计算机利用网线 连 接， 用于实现Matlab与机械臂的通信； 本发明设 计合理。 权利要求书2页 说明书5页 附图5页 CN 115107021 A 2022.09.27 CN 115107021 A 1.一种机 械臂路径规划快速原型系统， 其特 征在于： 包括相机、 计算机及机 械臂； 相机与计算机通过数据线连接， 机械臂与相机采用眼在手外的安装方式， 机械臂与计 算机利用网线连接， 用于实现Matlab与机 械臂的通信。 2.根据权利要求1所述的机 械臂路径规划快速原型系统， 其特 征在于： 相机采用ZED2双目相机， 包括左右两个摄像头， 用于拍摄场景图片；  机械臂具有外部 通信接口， 能够方便地与外 部设备进行通信； 计算机的软件部分用于图像处 理和路径规划算法的仿真。 3.根据权利要求2所述的机械臂路径规划快速原型系统， 其特征在于： 图像处理即利用 视觉方法获取到机械臂工作场景内所有障碍物的位置， 首先， 用任意 目标检测算法识别并 定位出所有的障碍物； 然后， 利用手眼标定方法实现障碍物 位置的转换。 在已知障碍物信息 的情况下， 在Mat lab中编程 实现路径规划算法， 为机械臂规划出一条可行路径， 令机械臂在 不与障碍物接触的情况 下运动至指定位置 。 4.根据权利要求3所述的机械臂路径规划快速原型系统， 其特征在于： 所述路径规划算 法， 为改进的RRT算法， 在双向扩展的基础上提出三点改进策略， 利用随机点择优思想减小 采样点的随机性， 利用引力可调节步长策略加快搜索速度， 利用路径优化策略来优化路径。 5.一种机 械臂路径规划快速原型系统， 其特 征在于： 执 行以下步骤， 步骤1： 对双目相机进行标定， 获取相机的参数后， 用计算机控制双目相机拍摄场景图 片； 步骤2： 用目标检测算法识别并定位出场景中的障碍物； 步骤3： 利用手眼标定方法实现障碍物位置的转换； 步骤4： 结合步骤3中得到的障碍物信息， 在Matlab中编写脚本文件实现路径规划算法， 得到一条 可行路径； 步骤5： 建立 起机械臂与计算机中Matlab之间的通信， 将路径信息发送给机 械臂； 步骤6： 机 械臂根据接收到的路径信息运动至指定位置 。 6.根据权利要求5所述的机械臂路径规划快速原型系统， 其特征在于：  在步骤1中， 首 先， 利用张氏标定法对双目相机进行标定： 用双目相机拍摄不同角度棋盘格标定板的图片， 将图片输入Matlab中， 利用相机标定工具箱获取双目相机的参数； 其次， 用双目相机拍摄机 械臂工作场景的图片。 7.根据权利要求5所述的机械臂路径规划快速原型系统， 其特征在于： 在步骤2中， 首 先， 用label  image软件制作数据集； 然后， 利用Faster  R‑CNN算法对数据集进行训练得到 障碍物的模型； 其次， 将机械臂工作场景的图片传输到计算机中， 利用训练好的模型检测出 机械臂工作场景中的障碍物， 得到障碍物的像素坐标， 并利用双目相 机获取到相 机到障碍 物的深度值； 最后， 通过坐标变换计算得到障碍物的三维坐标。 8.根据权利要求5所述的机械臂路径规划快速原型系统， 其特征在于：  在步骤3中， 采 用眼在手外的手眼标定方法确定好机械臂与双目相机的位置， 令机械臂的位姿改变10次以 上， 记录位姿 数据并求解出相机外参， 进而求出手眼变换矩阵， 将障碍物信息转换到机械臂 基坐标系下。 9.根据权利要求5所述的机械臂路径规划快速原型系统， 其特征在于：  在步骤4中， 首 先， 结合步骤3中得到的障碍物信息， 在Mat lab中编写脚本文件实现改进的RRT算法， 首先采权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115107021 A 2用双向扩展； 然后， 利用随机点择优思想减小采样点的随机性， 利用引力可调节步长策略加 快搜索速度， 利用路径优化策略来优化路径； 最终， 得到一条满足设定条件的可 行路径； 随机点择优策略， 首先设置一个概率 阈值bias， 当随机数大于bi as时， 用随机函数同时 生成两个待选随机点， 计算两个待选随机点与目标点之间的距离， 然后确定与目标点距离 更近的一个节点作为 最终的随机点； 而当随机数小于bias时， 仍然将目标点设置为随机点； 引力可调节步长策略， 将引力思想加入算法中， 并根据机械臂在前进过程中是否遇到 障碍物来自适应地调节引力系数的值来改变步长以达到快速避障的目的： 当随机树在 扩展 时没有遇到障碍物， 则保持的初值不变来进 行扩展； 当随机树在 扩展过程中遇到了障碍物， 则令的值变小， 进而令引力方向的步长变小， 再次循环得到新节点， 若仍然接触到障碍物， 继续令的值变小， 当减小为0时， 新节点的扩展完全由随机点来决定， 最终能够令新节点成 功避开障碍物。 路径优化策略是用二次B样条曲线对初始路径进行平 滑。 在改进RRT算法流程中， 首先， 初始化两棵随机树， 在机械臂的关节空间中利用随机点 择优策略确定一个随机点； 然后， 找到第一棵树中离随机点最近的最近点， 利用引力可调节 步长策略得到一个新节点， 计算新节点处的笛卡尔位置， 并进行碰撞检测， 若没有碰撞， 则 将新节点加入随机树中， 判断两棵树是否连接， 若没有连接， 则交换两棵树进行扩展， 若成 功连接， 则输出路径， 并用二次B样条曲线来平 滑初始路径， 最终得到平 滑后的路径。 10.根据权利要求5所述的机 械臂路径规划快速原型系统， 其特 征在于： 在步骤5中： 首先， 得到路径信息后， 将Matlab作为服务器端， 机械臂作为客户端； 然后， 将计算机的IP、 Matlab中服务器的IP、 机械臂示教器中的IP设置为同一地址， 并设置好端 口， 并且要与机械臂本身的IP处在同一网段下， 即可建立起机械臂与计算机中Matlab的 socket通信； 在步骤6中， 在通信成功后， 将路径信息发送给机 械臂， 令机械臂运动至指定位置 。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115107021 A 3