基于機械手的視覺伺服控制及其應(yīng)用研究.pdf

1、為了使機器人能夠工作在動態(tài)變化的環(huán)境中，代替人類從事各種危險的工作，必須提高機器人的感知能力，提高機器人感知能力的方法是：給機器人配置各種各樣的傳感器，例如，力傳感器、觸覺傳感器、接近覺傳感器、距離傳感器和視覺傳感器。 對于自治機器人來說，視覺傳感器起著非常重要的作用，它能夠無接觸地測量環(huán)境的變化，為機器人提供豐富的環(huán)境信息，輔助以其它傳感器的信息，機器人能夠進行決策，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，視覺傳感

2、器工作在開環(huán)的系統(tǒng)中，對目標(biāo)物體的位置和方位(即，姿態(tài))進行測量，機器人根據(jù)測得的姿態(tài)對目標(biāo)物體進行操作，其精度完全依賴于視覺系統(tǒng)的精度和機器人本體的精度，當(dāng)目標(biāo)物體做未知運動時，機器人的操作就會失敗。將視覺傳感器加入到機器人控制回路中形成閉環(huán)控制，利用視覺信息控制機器人本體(例如，車輛、飛行器和潛水器)或機械手末端執(zhí)行器相對于目標(biāo)物體的位置和方位，就是所謂的視覺伺服控制。視覺伺服以視覺信息引導(dǎo)機器人完成對物體的跟蹤、抓取和裝配等作業(yè)任

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

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

5、系統(tǒng)對機械手進行視覺伺服控制。因此，本文分別對單目Eye-in-Hand、雙目Eye-in-Hand和雙目Eye-to-Hand配置下的機械手視覺伺服控制進行研究，通過對上述幾種視覺伺服方法的組合應(yīng)用，提高機器人在未知環(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)、多特征點情況下圖像雅可比矩陣的

6、組合、基于任務(wù)函數(shù)的機械手控制算法，以及基于雙目立體視覺的機械手視覺伺服控制，并分別給出了基于Eye-in-Hand和Eye-to-Hand配置下的仿真實驗， 接著給出了基于多攝像機系統(tǒng)的視覺伺服控制的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了硬件實驗平臺。 最后給出了機械手視覺伺服控制的兩個應(yīng)用實例，一個是基于立體視覺的機械手未知平面內(nèi)曲線跟蹤，另一個是基于視覺和力覺信息混合控制。 本文的創(chuàng)新之處和貢獻主要有以下幾點： 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行視覺伺服控制常常不能使機械手收斂到目標(biāo)位置，針對這一問題，本文提出了一種簡單的估計旋轉(zhuǎn)誤差的方法，將估計結(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，實現(xiàn)了對帶有旋轉(zhuǎn)分量的物體的定位，通過仿真實驗，驗證了該方法的有效性。 2)通過仿真實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)起始位置和目標(biāo)位置存在深度上的差別時，僅僅依靠視覺伺服控制不能使其收斂到目標(biāo)位置，必須

8、通過深度估計技術(shù)對該深度誤差進行補償，在消除深度影響的情況下，才能依靠視覺伺服實現(xiàn)對物體的定位。 3)提出了一種新的基于多攝像機的視覺伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)由一套主動雙目立體視覺系統(tǒng)和單目Eye-in-Hand攝像機組成，其中雙目立體視覺系統(tǒng)安裝在能夠做pan/tilt運動的云臺上，豐富了現(xiàn)有的視覺伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 4)針對實際應(yīng)用中的非接觸型作業(yè)任務(wù)的特點，提出了基于雙目立體視覺的未知平面內(nèi)曲線跟蹤的方法，在假設(shè)立體

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