專利名稱：基于視覺的手眼式低伺服精度機(jī)器人移動(dòng)目標(biāo)抓取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人視覺控制領(lǐng)域，特別涉及一種基于視覺的手眼式低伺 服精度機(jī)器人移動(dòng)目標(biāo)抓取方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，人們對(duì)機(jī)器人技術(shù)提 出了更高的要求，希望機(jī)器人具有更高的智能和更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，機(jī)器 人視覺伺服研究正是為了滿足這一要求而展開的。機(jī)器人視覺伺服最早出現(xiàn)
于20世紀(jì)80年代，在90年代中后期發(fā)展迅速。這是因?yàn)闄C(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域 的擴(kuò)展以及計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的突飛猛進(jìn)，極大地提高了圖像處理的速度，大幅 降低了專用圖像處理設(shè)備的費(fèi)用。視覺伺服控制與基于傳統(tǒng)傳感器的機(jī)器人 控制相比，具有比較明顯的優(yōu)點(diǎn)更高的靈活性，更高的精度，能夠?qū)C(jī)器 人標(biāo)定誤差具有強(qiáng)的魯棒性等。
如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中的機(jī)器人視覺伺服控制方法，按照如下步驟進(jìn)
行
步驟1機(jī)械臂上的攝像機(jī)捕捉目標(biāo)物體的圖像特征參數(shù)； 步驟2根據(jù)的得到的圖像特征提取圖像信息，并從圖像信息估計(jì)目標(biāo)物 體與攝像機(jī)之間的相對(duì)位姿；
步驟3笛卡兒空間控制，求出機(jī)械臂對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角； 步驟4機(jī)器人控制器根據(jù)控制算法輸出機(jī)械臂的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角；
步驟5機(jī)械臂接收信號(hào)接近目標(biāo)物體，實(shí)現(xiàn)抓取。
所以現(xiàn)有技術(shù)中的機(jī)器人視覺伺服控制方法，從被測(cè)定的圖像中提取信 息，并從圖像信息估計(jì)目標(biāo)物體與攝像機(jī)之間的相對(duì)位姿，然后利用它與期 望位姿的誤差對(duì)機(jī)器人進(jìn)行反饋控制的方法，主要適用位置精度比較高的機(jī) 器人，而對(duì)于機(jī)器臂位置控制精度比較差的系統(tǒng)，存在抓取精度很差，抓取 過程中出現(xiàn)超調(diào)，甚至導(dǎo)致抓取失敗。目前低位置伺服精度機(jī)械臂基于視覺 伺服的方法是一直以來人們渴望攻克的技術(shù)難點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供了一種基于視覺的手眼 式低伺服精度機(jī)器人移動(dòng)目標(biāo)抓取方法，能夠?qū)σ苿?dòng)目標(biāo)的抓取的軌跡生成 規(guī)劃提高抓取精度最終實(shí)現(xiàn)抓取。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明采取的技術(shù)方案是 一種基于視覺的手眼式低 伺服精度機(jī)器人移動(dòng)目標(biāo)抓取方法，按照如下步驟進(jìn)行
步驟IO機(jī)械臂上的攝像機(jī)捕捉目標(biāo)物體的圖像特征參數(shù)，根據(jù)的得到的 圖像特征提取圖像信息，并從圖像信息估計(jì)目標(biāo)物體與攝像機(jī)之間的相對(duì)位 姿；
步驟20應(yīng)用卡爾曼濾波器，預(yù)測(cè)目標(biāo)物體在下一個(gè)時(shí)鐘周期在機(jī)械臂基 座標(biāo)系下的位姿；
步驟30對(duì)移動(dòng)目標(biāo)物體的抓取生成軌跡規(guī)劃，根據(jù)預(yù)測(cè)的下一時(shí)刻的目
標(biāo)物體位姿及機(jī)械臂末端當(dāng)前位姿，按照運(yùn)動(dòng)誤差計(jì)算補(bǔ)償公式
<formula>formula see original document page 4</formula>得到機(jī)械臂位姿的實(shí)際輸入值，生成軌跡規(guī)劃，機(jī)器人控 制器控制機(jī)械臂接近目標(biāo)物體實(shí)現(xiàn)抓取。
所述步驟30中的軌跡規(guī)劃包括跟蹤調(diào)節(jié)階段和抓取調(diào)節(jié)階段的軌跡規(guī) 劃；跟蹤調(diào)節(jié)階段軌跡規(guī)劃是使得機(jī)械臂末端由初始位置運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)物體前 方的/處；抓取調(diào)節(jié)階段的軌跡規(guī)劃是保證機(jī)械臂的手爪始終正對(duì)目標(biāo)物體的 把手并接近目標(biāo)物體，當(dāng)目標(biāo)物體與機(jī)械臂末端的相對(duì)位姿小到一定程度時(shí)， 對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行抓取。
本發(fā)明的有益效果是相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明一種基于視覺的手眼式低 伺服精度機(jī)器人移動(dòng)目標(biāo)抓取方法，能夠?qū)σ苿?dòng)目標(biāo)的抓取的軌跡生成規(guī)劃 提高抓取精度最終實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)的抓取，解決了一直以來無法突破的低精度 機(jī)械臂基于視覺伺服的技術(shù)難點(diǎn)。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的機(jī)器人視覺伺服控制方法的實(shí)現(xiàn)框圖； 圖2是本發(fā)明所述基于視覺的手眼式低伺服精度機(jī)器人移動(dòng)目標(biāo)抓取方 法的實(shí)現(xiàn)框圖3是本發(fā)明所述的基于視覺的手眼式低伺服精度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)誤差計(jì)算與補(bǔ)償原理圖4是利用本發(fā)明的機(jī)器人的手爪與目標(biāo)物體的把手在抓取時(shí)的位置關(guān)
系圖5是利用本發(fā)明的機(jī)器人在抓取移動(dòng)目標(biāo)過程的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不作為對(duì)本發(fā)明 的限定。
如圖2所示， 一種基于視覺的手眼式低伺服精度機(jī)器人移動(dòng)目標(biāo)抓取方
法，按照如下步驟進(jìn)行
步驟10通過手眼視覺系統(tǒng)攝像機(jī)捕捉得到目標(biāo)物體相對(duì)于機(jī)械臂末端的
位姿i;即圖像特征參數(shù)，通過機(jī)械臂的位置檢測(cè)元件得到機(jī)械臂的當(dāng)前的關(guān)節(jié) 角e。由機(jī)械臂的當(dāng)前關(guān)節(jié)角度0，可以計(jì)算機(jī)械臂當(dāng)前的位姿 ；，則目標(biāo) 物體相對(duì)于機(jī)械臂基座坐標(biāo)系的位姿7>7;,7;。將目標(biāo)物體的姿態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅W拉 角的形式，則目標(biāo)物體相對(duì)于機(jī)械臂基座坐標(biāo)系的位姿為《=(^^2,,",，^,^)
(參見圖3)。
步驟20笛卡兒空間位姿估計(jì)，應(yīng)用卡爾曼濾波器，預(yù)測(cè)目標(biāo)物體在下一 個(gè)時(shí)鐘周期在機(jī)械臂基座標(biāo)系下的位姿。
步驟30對(duì)移動(dòng)目標(biāo)物體的抓取生成軌跡規(guī)劃，根據(jù)預(yù)測(cè)的目標(biāo)物體位姿 及相對(duì)位姿，按照運(yùn)動(dòng)誤差計(jì)算補(bǔ)償公式《+1 +^/),得到機(jī)械臂的實(shí) 際位姿輸入值，生成軌跡規(guī)劃，利用軌跡規(guī)劃對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，機(jī)器人控 制器控制機(jī)械臂接近目標(biāo)物體實(shí)現(xiàn)抓取。
如圖3所示，機(jī)械臂的實(shí)際到達(dá)的位姿7;，將z;;的姿態(tài)轉(zhuǎn)化為歐拉角的 形式，可得到機(jī)械臂的實(shí)際位姿為^( ^,、,^,/^,^)。機(jī)械臂的期望位 姿為^ ，將^的姿態(tài)轉(zhuǎn)化為歐拉角的形式，則機(jī)械臂期望位姿
且A-z;+m,。其中m,為第i次軌跡規(guī)劃值相對(duì)于 當(dāng)前時(shí)刻機(jī)械臂末端的位姿《的增量。機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃的輸出位姿^+'，機(jī)
械臂第i個(gè)時(shí)間周期的實(shí)際位姿與軌跡規(guī)劃輸出位姿的誤差ad, 為
了補(bǔ)償誤差，為i+i次規(guī)劃的輸出修正為之,+^i;+Mw+AA。為了更好的控制
機(jī)械臂，可以用系數(shù)k乘以ad,，則=尸 ,, + + md, 。 *的值可由實(shí)驗(yàn)確定，一般取*=1.0。 射第i時(shí)間周期，機(jī)械臂末端的期望位姿，第i時(shí)間周期，機(jī)械臂末端的實(shí)際到達(dá)的位姿， 戶 ,,:第i時(shí)間周期，機(jī)械臂末端的實(shí)際位姿，第i時(shí)間周期，機(jī)械臂的期望位姿， 《第i時(shí)間周期，軌跡規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂末端輸出位姿， AD,:第i時(shí)間周期，機(jī)械臂末端的期望位置與實(shí)際位置與的誤差， M,:第i次軌跡規(guī)劃的期望值相對(duì)于當(dāng)前時(shí)刻機(jī)械臂末端的位姿i;的增如圖4-5所示，所述步驟30中的軌跡規(guī)劃包括跟蹤調(diào)節(jié)階段9和抓取調(diào) 節(jié)階段8的軌跡規(guī)劃；跟蹤調(diào)節(jié)階段9軌跡規(guī)劃是使得機(jī)械臂末端由初始位 置運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)物體前方的Z處；抓取調(diào)節(jié)階段8的軌跡規(guī)劃是保證機(jī)械臂手爪6始終正對(duì)目標(biāo)物體7的把手并接近目標(biāo)物體，當(dāng)目標(biāo)物體與機(jī)械臂末端的相 對(duì)位姿小到一定程度時(shí)，對(duì)目標(biāo)物體7進(jìn)行抓取。跟蹤調(diào)節(jié)階段9:如圖4-5所示，根據(jù)視覺信息，機(jī)械臂在初始時(shí)刻，預(yù)測(cè)目標(biāo)物體7下 一個(gè)時(shí)間周期后的位置，并確定目標(biāo)物體7位置前方/處的位姿《。用直線連 接當(dāng)前機(jī)械臂末端位置^,和《，選擇該直線上一點(diǎn)記為凡^、+A^，4=4。保證機(jī)械臂下個(gè)時(shí)刻4不超速。機(jī)械臂走完后，預(yù)測(cè)下一個(gè)時(shí)間周期的位姿，并確定目標(biāo)物體7在該位姿下前方/的位姿《，用直線連接此時(shí)機(jī) 械臂末端位姿々和《，在該直線上選擇一點(diǎn)^:P"+A^，取4:^+ytAA， t為調(diào)節(jié)系數(shù)， 一般取1.0，具體值可通過試驗(yàn)確定。用直線連接S和為，開 環(huán)規(guī)劃該直線間路徑。依次類推下面的點(diǎn)。當(dāng)機(jī)械臂與在目標(biāo)物體7前方/處 附近一定范圍內(nèi)時(shí)，機(jī)械臂進(jìn)入抓取調(diào)節(jié)階段。其中《i時(shí)刻預(yù)測(cè)的i+l個(gè)時(shí)鐘周期目標(biāo)物體7前方/的位姿。抓取調(diào)節(jié)階段8:抓取調(diào)節(jié)階段8的軌跡規(guī)劃方法與跟蹤調(diào)節(jié)階段9規(guī)劃算法類似，只是 抓取調(diào)節(jié)階段首先保證機(jī)械臂與目標(biāo)物體7姿態(tài)一致，然后消除y方向誤差， 接著消除x方向誤差，最后消除z方向誤差。保證機(jī)械臂在抓取過程中與目標(biāo)物體7不發(fā)生碰撞。本發(fā)明一種基于視覺的手眼式低伺服精度機(jī)器人移動(dòng)目標(biāo)抓取方法，能 夠?qū)σ苿?dòng)目標(biāo)的抓取的軌跡生成規(guī)劃提高抓取精度最終實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)的抓 取，解決了一直以來無法突破的低精度機(jī)械臂基于視覺伺服的技術(shù)難點(diǎn)。以上所述的實(shí)施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實(shí)施方式
的一種，本領(lǐng)域 的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā) 明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于視覺的手眼式低伺服精度機(jī)器人移動(dòng)目標(biāo)抓取方法，其特征在于，按照如下步驟進(jìn)行步驟10機(jī)械臂上的攝像機(jī)捕捉目標(biāo)物體的圖像特征參數(shù)，根據(jù)的得到的圖像特征提取圖像信息，并從圖像信息估計(jì)目標(biāo)物體與攝像機(jī)之間的相對(duì)位姿；步驟20應(yīng)用卡爾曼濾波器，預(yù)測(cè)目標(biāo)物體在下一個(gè)時(shí)鐘周期在機(jī)械臂基座標(biāo)系下的位姿；步驟30對(duì)移動(dòng)目標(biāo)物體的抓取生成軌跡規(guī)劃，根據(jù)預(yù)測(cè)的下一時(shí)刻的目標(biāo)物體位姿及機(jī)械臂末端當(dāng)前位姿，按照運(yùn)動(dòng)誤差計(jì)算補(bǔ)償公式<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mover><mi>P</mi><mo>^</mo> </mover> <msub><mi>m</mi><mrow> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn></mrow> </msub></msub><mo>=</mo><msub> <mi>P</mi> <msub><mi>m</mi><mi>i</mi> </msub></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub> <mi>R</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>+</mo><mi>kΔ</mi><msub> <mi>D</mi> <mi>i</mi></msub> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2008102245620002C1.tif" wi="40" he="6" top= "99" left = "22" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>得到機(jī)械臂位姿的實(shí)際輸入值，生成軌跡規(guī)劃，機(jī)器人控制器控制機(jī)械臂接近目標(biāo)物體實(shí)現(xiàn)抓取。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于視覺的手眼式低伺服精度機(jī)器人移動(dòng) 目標(biāo)抓取方法，其特征在于所述步驟30中的軌跡規(guī)劃包括跟蹤調(diào)節(jié)階段 和抓取調(diào)節(jié)階段的軌跡規(guī)劃；跟蹤調(diào)節(jié)階段軌跡規(guī)劃是使得機(jī)械臂末端由初 始位置運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)物體前方的/處；抓取調(diào)節(jié)階段的軌跡規(guī)劃是保證機(jī)械臂的 手爪始終正對(duì)目標(biāo)物體的把手并接近目標(biāo)物體，當(dāng)目標(biāo)物體與機(jī)械臂末端的 相對(duì)位姿小到一定程度時(shí)，對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行抓取。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于視覺的手眼式低伺服精度機(jī)器人移動(dòng)目標(biāo)抓取方法，按照如下步驟進(jìn)行步驟10捕捉目標(biāo)物體的圖像特征參數(shù)，并估計(jì)目標(biāo)物體與攝像機(jī)之間的相對(duì)位姿；步驟20預(yù)測(cè)目標(biāo)物體在下一個(gè)時(shí)鐘周期后的位姿；步驟30對(duì)移動(dòng)目標(biāo)物體的抓取生成軌跡規(guī)劃，機(jī)器人控制器控制機(jī)械臂接近目標(biāo)物體實(shí)現(xiàn)抓取。本發(fā)明能夠?qū)σ苿?dòng)目標(biāo)的抓取的軌跡生成規(guī)劃，提高抓取精度最終實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)的抓取，解決了一直以來無法突破的低精度機(jī)械臂基于視覺伺服的技術(shù)難點(diǎn)。
文檔編號(hào)B25J9/16GK101402199SQ20081022456
公開日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2008年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月20日
發(fā)明者輝 李, 蔣志宏, 強(qiáng) 黃, 黃遠(yuǎn)燦 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)