摘 要：在機(jī)械手執(zhí)行任務(wù)的過程中，控制機(jī)械手定位到目標(biāo)位置是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。本文提出了一種基于雙目立體視覺的機(jī)械手自動(dòng)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，由雙目立體視覺系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)物的二維圖像計(jì)算出目標(biāo)物的三維坐標(biāo)，然后根據(jù)此三維坐標(biāo)去控制機(jī)械手自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)能提高排爆機(jī)器人機(jī)械手的易操作性，大大提高了機(jī)械手的性能。
關(guān)鍵詞：雙目立體視覺，標(biāo)定，運(yùn)動(dòng)控制
機(jī)器人技術(shù)是涉及機(jī)械學(xué)、傳感器技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的一門綜合性高新技術(shù)， 既是光機(jī)電一體化的重要基礎(chǔ)， 又是光機(jī)電一體化技術(shù)的典型代表， 它是多學(xué)科科技革命的必然結(jié)果。 近年來， 隨著機(jī)器人研究的不斷發(fā)展， 機(jī)器人技術(shù)開始源源不斷地向人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域滲透， 結(jié)合這些領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)， 各種各樣的具有不同功能的機(jī)器人被研制出來，并且在不同的應(yīng)用領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。例如，美國Wolstenholme 機(jī)器公司生產(chǎn)的MR5和MR7排爆機(jī)器人，能用于戶內(nèi)及戶外環(huán)境、適應(yīng)各種地形活動(dòng)，完成排爆功能，已被美國軍方廣泛使用。 排爆機(jī)器人是特種機(jī)器人的一種，主要用于在事發(fā)現(xiàn)場排除處理爆炸物及其他危險(xiǎn)物品。 排爆機(jī)器人的多功能機(jī)械手，作為排爆機(jī)器人的完成抓取任務(wù)的主要執(zhí)行器，應(yīng)能完成包括抓取爆炸物在內(nèi)的一系列任務(wù)，對(duì)于排爆機(jī)器人來講尤為重要。 排爆是一個(gè)充滿變化而復(fù)雜的過程，在排爆機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的過程中， 最關(guān)鍵的一步就是控制機(jī)器人的多功能機(jī)械手去抓取目標(biāo)物，即控制機(jī)械手精確的定位到目標(biāo)物位置，完成抓取動(dòng)作。 目前世界上已投入使用的排爆機(jī)器人，在工作方式上， 都需要一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的操作員，對(duì)機(jī)械手進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)控制，達(dá)到機(jī)械手精確定位的目的。這種工作方式，一方面對(duì)操作員的要求非常高，另一方面，手動(dòng)控制也很難達(dá)到很高的精度。因此，若能通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的自動(dòng)精確定位，而不需要去手動(dòng)控制機(jī)械手的各個(gè)關(guān)節(jié)，將會(huì)在很大程度上提高排爆機(jī)器人的性能。
本文詳細(xì)描述了基于雙目立體視覺的排爆機(jī)器人的多功能機(jī)械手自動(dòng)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
該系統(tǒng)首先由雙目立體視覺技術(shù)計(jì)算出目標(biāo)物在視覺坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)， 并將該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到機(jī)器人坐標(biāo)系， 然后根據(jù)該坐標(biāo)控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位。本文對(duì)該機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和雙目立體視覺子系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的描述。最后進(jìn)行了實(shí)際的抓取實(shí)驗(yàn)，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。
1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
該排爆機(jī)器人的主要功能部件為一輛能被遠(yuǎn)程操控的運(yùn)動(dòng)小車和一個(gè)多關(guān)節(jié)多功能機(jī)械手。該機(jī)器人的裝配示意圖見圖1所示。
圖1 系統(tǒng)裝配示意圖
在排爆機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的過程中，該小車將會(huì)被遙控到危險(xiǎn)物所在的環(huán)境中，使危險(xiǎn)目標(biāo)物處于機(jī)械手的工作空間中，機(jī)械手便可以開始工作，完成抓取目標(biāo)的任務(wù)。該機(jī)械手的設(shè)計(jì)仿照人類手臂的構(gòu)造，總共有六個(gè)自由度，包括腰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，肩轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，肘轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，腕轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，手爪旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與手爪開閉關(guān)節(jié)。這種多自由度的設(shè)計(jì)使得機(jī)械手具有較大的靈活度，以適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境的要求。
兩個(gè)攝像頭被安裝在機(jī)械手小臂上，用來充當(dāng)雙目立體視覺系統(tǒng)的雙目。為實(shí)現(xiàn)機(jī)械手目標(biāo)自動(dòng)定位的功能，除了在現(xiàn)場工作的該機(jī)器人本體之外，還需要一臺(tái)不在現(xiàn)場的后臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行支持。兩攝像頭將攝取的目標(biāo)物的圖像傳遞到后臺(tái)計(jì)算機(jī)，后臺(tái)計(jì)算機(jī)上的立體視覺子系統(tǒng)通過該兩幅二維圖像，計(jì)算出目標(biāo)物在攝像頭坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，將其轉(zhuǎn)換為在機(jī)器人坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，并將其傳給機(jī)器人本體上的嵌入式計(jì)算機(jī)，并由該嵌入式計(jì)算機(jī)完成手臂的運(yùn)動(dòng)控制，控制手臂運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)物位置，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)目標(biāo)定位的功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)裝配示意圖
2、雙目立體視覺子系統(tǒng)
雙目立體視覺是指用兩臺(tái)性能相當(dāng)、位置固定的CCD攝像機(jī)， 獲取同一景物的兩幅圖像，通過兩個(gè)攝像頭所獲取的二維圖像，來計(jì)算出景物的三維信息。在原理上比較類似人類的雙目視覺。組建一個(gè)完整的雙目立體視覺系統(tǒng)一般需要經(jīng)過攝像機(jī)標(biāo)定，圖像匹配，深度計(jì)算等步驟。
2.1 攝像機(jī)標(biāo)定
在攝像機(jī)成像過程中，物體成像在圖像上的位置與空間中該物體表面相應(yīng)點(diǎn)的幾何位置有關(guān)，這些位置的相互關(guān)系，由攝像槍成像幾何模型所決定，該幾何模型的參數(shù)稱為攝像機(jī)參數(shù)。這些參數(shù)必須由試驗(yàn)和計(jì)算決定，試驗(yàn)和計(jì)算的過程稱為攝像槍標(biāo)定。一般，攝像機(jī)的成像模型可用以下函數(shù)關(guān)系來描述：
其中Ileft，Iright， 分別為目標(biāo)的左，右圖像坐標(biāo)，Cleft，Cright則為目標(biāo)分別在左攝像機(jī)坐標(biāo)系和右攝像機(jī)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，而函數(shù)Hleft與Hright則代表了左攝像機(jī)和右攝像機(jī)的成像模型。利用張氏平面法可以方便的對(duì)Hleft與Hright進(jìn)行估計(jì)。
在分別對(duì)左右攝像頭進(jìn)行標(biāo)定后，還需對(duì)該雙目立體視覺系統(tǒng)進(jìn)行立體標(biāo)定，目標(biāo)是得到兩攝像頭之間的相對(duì)位置關(guān)系，由旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T來描述。
若得到多個(gè)空間點(diǎn)的Cleft，Cright數(shù)據(jù)，則可以通過最小二乘法得到旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T的估計(jì)值。
該雙目立體視覺系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果如圖3所示。
圖3 標(biāo)定結(jié)果
2.2 深度計(jì)算
當(dāng)進(jìn)行了單攝像頭標(biāo)定和立體標(biāo)定之后，該雙目立體視覺系統(tǒng)的模型被建立起來，兩攝像頭的二維圖像坐標(biāo)與空間三維坐標(biāo)之間有以下關(guān)系：
若得到空間任一點(diǎn)分別在兩攝像頭成像中的圖像坐標(biāo)Ileft，Iright，則可以通過解上述方程得到該空間點(diǎn)在左攝像機(jī)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)Cleft，同理，也可得到其在右攝像機(jī)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)Cright。同一點(diǎn)的兩圖像坐標(biāo)則由圖像匹配過程獲得。
3、嵌入式控制子系統(tǒng)
位于機(jī)器人本體上的嵌入式計(jì)算機(jī)用于對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。包括手臂的整體運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與各關(guān)節(jié)
直流電機(jī)的位置控制。當(dāng)嵌入式計(jì)算機(jī)收到后臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)來的目標(biāo)物的三維坐標(biāo)后，便會(huì)根據(jù)該三維坐標(biāo)對(duì)手臂各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃，并實(shí)施底層的電機(jī)位置控制。如圖4所示。
圖4 嵌入式控制子系統(tǒng)
該嵌入式控制系統(tǒng)硬件上采用了PC104嵌入式計(jì)算機(jī)，軟件上采用The Mathworks 公司的xPC內(nèi)核。
4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
將一目標(biāo)物置于機(jī)械手的工作范圍內(nèi)，利用本系統(tǒng)實(shí)施自動(dòng)抓取實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，先手動(dòng)控制機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)，使得可以通過兩攝像頭觀察到目標(biāo)物，然后啟動(dòng)雙目立體視覺系統(tǒng)，通過兩攝像頭所攝得的目標(biāo)物的圖像計(jì)算目標(biāo)物的三維坐標(biāo)，再將三維坐標(biāo)傳給機(jī)器人本體上的嵌入式計(jì)算機(jī)，由其控制手臂自動(dòng)定位到目標(biāo)物位置，實(shí)施抓取。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如右表所示，實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以獲得較高的定位精度。
5 結(jié)論
目前投入使用的排爆機(jī)器人在實(shí)際排爆過程中都需要對(duì)機(jī)械手的各關(guān)節(jié)實(shí)施手動(dòng)控制，以完成目標(biāo)定位，進(jìn)而抓取目標(biāo)的功能。這種操作方式一方面對(duì)操作員的要求非常搞，另一方面也很難達(dá)到較高的定位精度。基于雙目立體視覺技術(shù)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的自動(dòng)定位控制，則可以克服傳統(tǒng)的手動(dòng)操作方式的缺點(diǎn)，提高排爆機(jī)器人的性能與易操作性。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：
通過雙目立體視覺技術(shù)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的自動(dòng)定位控制，即利用兩攝像頭拍攝的目標(biāo)物的二維圖像坐標(biāo)，計(jì)算出目標(biāo)物的三維坐標(biāo)，然后根據(jù)根據(jù)此三維坐標(biāo)對(duì)機(jī)械手的個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)施控制，達(dá)到自動(dòng)定位的目的。該方式提高了排爆機(jī)器人的易操作性和精確程度，提高了排爆機(jī)器人的性能，有望在實(shí)戰(zhàn)中獲得應(yīng)用。
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