基于機(jī)械手的視覺(jué)伺服控制及其應(yīng)用研究.pdf

1、為了使機(jī)器人能夠工作在動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中，代替人類從事各種危險(xiǎn)的工作，必須提高機(jī)器人的感知能力，提高機(jī)器人感知能力的方法是：給機(jī)器人配置各種各樣的傳感器，例如，力傳感器、觸覺(jué)傳感器、接近覺(jué)傳感器、距離傳感器和視覺(jué)傳感器。 對(duì)于自治機(jī)器人來(lái)說(shuō)，視覺(jué)傳感器起著非常重要的作用，它能夠無(wú)接觸地測(cè)量環(huán)境的變化，為機(jī)器人提供豐富的環(huán)境信息，輔助以其它傳感器的信息，機(jī)器人能夠進(jìn)行決策，并執(zhí)行相應(yīng)的操作，完成指定的作業(yè)任務(wù)。在傳統(tǒng)方式中，視覺(jué)傳感

2、器工作在開(kāi)環(huán)的系統(tǒng)中，對(duì)目標(biāo)物體的位置和方位(即，姿態(tài))進(jìn)行測(cè)量，機(jī)器人根據(jù)測(cè)得的姿態(tài)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行操作，其精度完全依賴于視覺(jué)系統(tǒng)的精度和機(jī)器人本體的精度，當(dāng)目標(biāo)物體做未知運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人的操作就會(huì)失敗。將視覺(jué)傳感器加入到機(jī)器人控制回路中形成閉環(huán)控制，利用視覺(jué)信息控制機(jī)器人本體(例如，車輛、飛行器和潛水器)或機(jī)械手末端執(zhí)行器相對(duì)于目標(biāo)物體的位置和方位，就是所謂的視覺(jué)伺服控制。視覺(jué)伺服以視覺(jué)信息引導(dǎo)機(jī)器人完成對(duì)物體的跟蹤、抓取和裝配等作業(yè)任

3、務(wù)，提高了機(jī)器人的操作精度和機(jī)器人的自治能力。 根據(jù)視覺(jué)信息在控制回路中的作用方式可以將視覺(jué)伺服分為基于位置的視覺(jué)伺服、基于圖像的視覺(jué)伺服和2.5D視覺(jué)伺服；根據(jù)攝像機(jī)的安裝位置，可以將機(jī)械手視覺(jué)伺服控制分為Eye-in-hand和Eye-to-Hand(也稱為standalone)配置下的視覺(jué)伺服控制；根據(jù)攝像機(jī)的數(shù)目可以將其分為：?jiǎn)文?、雙目和多目配置下的視覺(jué)伺服控制。 本文提出了一種新的基于多攝像機(jī)的機(jī)械手視覺(jué)伺服系

4、統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其視覺(jué)系統(tǒng)由雙目立體視覺(jué)和單目Eye-in-Hand組成，雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)安裝在能夠進(jìn)行pan/tilt運(yùn)動(dòng)的云臺(tái)上，當(dāng)雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)用于跟蹤運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，就構(gòu)成了類似于雙目Eye-in-Hand配置的兩關(guān)節(jié)機(jī)械手視覺(jué)伺服系統(tǒng)；當(dāng)雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)用于機(jī)械手的視覺(jué)伺服控制時(shí)，構(gòu)成了雙目Eye-to-Hand配置的機(jī)械手視覺(jué)伺服系統(tǒng)：當(dāng)機(jī)械手處于目標(biāo)物體上方對(duì)其進(jìn)行定位、跟蹤和抓取等作業(yè)任務(wù)時(shí)，主要依靠單目Eye-in-Hand視覺(jué)

5、系統(tǒng)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行視覺(jué)伺服控制。因此，本文分別對(duì)單目Eye-in-Hand、雙目Eye-in-Hand和雙目Eye-to-Hand配置下的機(jī)械手視覺(jué)伺服控制進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)上述幾種視覺(jué)伺服方法的組合應(yīng)用，提高機(jī)器人在未知環(huán)境中的自治能力。 本文首先給出了單目Eye-in-Hand配置和雙目立體配置下的視覺(jué)伺服控制模塊的基本原理。主要內(nèi)容包括：基于單目Eye-in-Hand配置下的圖像雅可比矩陣的推導(dǎo)、多特征點(diǎn)情況下圖像雅可比矩陣的

6、組合、基于任務(wù)函數(shù)的機(jī)械手控制算法，以及基于雙目立體視覺(jué)的機(jī)械手視覺(jué)伺服控制，并分別給出了基于Eye-in-Hand和Eye-to-Hand配置下的仿真實(shí)驗(yàn)， 接著給出了基于多攝像機(jī)系統(tǒng)的視覺(jué)伺服控制的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 最后給出了機(jī)械手視覺(jué)伺服控制的兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例，一個(gè)是基于立體視覺(jué)的機(jī)械手未知平面內(nèi)曲線跟蹤，另一個(gè)是基于視覺(jué)和力覺(jué)信息混合控制。 本文的創(chuàng)新之處和貢獻(xiàn)主要有以下幾點(diǎn)： 1)

7、在當(dāng)前姿態(tài)和目標(biāo)姿態(tài)之間存在旋轉(zhuǎn)分量的情況下，單單地依靠圖像空間的位置誤差進(jìn)行視覺(jué)伺服控制常常不能使機(jī)械手收斂到目標(biāo)位置，針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出了一種簡(jiǎn)單的估計(jì)旋轉(zhuǎn)誤差的方法，將估計(jì)結(jié)果疊加在常用的控制方法上，例如，本文所使用的基于任務(wù)函數(shù)的方法上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)帶有旋轉(zhuǎn)分量的物體的定位，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的有效性。 2)通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)起始位置和目標(biāo)位置存在深度上的差別時(shí)，僅僅依靠視覺(jué)伺服控制不能使其收斂到目標(biāo)位置，必須

8、通過(guò)深度估計(jì)技術(shù)對(duì)該深度誤差進(jìn)行補(bǔ)償，在消除深度影響的情況下，才能依靠視覺(jué)伺服實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的定位。 3)提出了一種新的基于多攝像機(jī)的視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)由一套主動(dòng)雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)和單目Eye-in-Hand攝像機(jī)組成，其中雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)安裝在能夠做pan/tilt運(yùn)動(dòng)的云臺(tái)上，豐富了現(xiàn)有的視覺(jué)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 4)針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的非接觸型作業(yè)任務(wù)的特點(diǎn)，提出了基于雙目立體視覺(jué)的未知平面內(nèi)曲線跟蹤的方法，在假設(shè)立體

9、視覺(jué)精度能夠滿足要求的情況下，通過(guò)估計(jì)未知平面的法線方向和曲線的起始點(diǎn)，確定了機(jī)械手末端執(zhí)行器的姿態(tài)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性。 5)在實(shí)際的接觸型作業(yè)任務(wù)中，需要在控制位置的同時(shí)，控制末端執(zhí)行器與環(huán)境之間的接觸力，針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出了一種基于視覺(jué)/力覺(jué)的混合控制算法，采用雙目Eye-to-Hand配置下的視覺(jué)伺服控制技術(shù)確定機(jī)械手在X和Y方向上的運(yùn)動(dòng)，采用平面約束和力控制的方法確定機(jī)械手在Z方向上的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)仿真