基于單目視覺(jué)的機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

1、郵局訂閱號(hào):82-946360元/年技術(shù)創(chuàng)新機(jī)器人技 術(shù)PLC 技術(shù)應(yīng)用200例您的論文得到兩院院士關(guān)注1引言機(jī)器人視覺(jué)是智能機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一,對(duì)機(jī)器人的智能化起著決定性的作用。目前,許多視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)采用基于位置的控制方式,當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的軌跡易于用直角坐標(biāo)表達(dá)時(shí)多采用這種控制方式。但是該控制方式對(duì)三維物點(diǎn)與二維像點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系十分敏感。因此,建立攝像機(jī)圖像像素位置與場(chǎng)景點(diǎn)位置之間的關(guān)系是機(jī)器人視覺(jué)研究的基本問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)前提。機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題就是已知機(jī)器人的手爪位姿求解各關(guān)節(jié)變量的值。它是機(jī)器人軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié),也是機(jī)器人研究的熱點(diǎn)。本文以實(shí)驗(yàn)室KDL-600機(jī)器人為實(shí)驗(yàn)對(duì)象

2、,運(yùn)用數(shù)學(xué)建模方法確定從圖像到實(shí)際工作空間的映射關(guān)系,從而求解出各關(guān)節(jié)角變量的值。2數(shù)學(xué)基礎(chǔ)2.1機(jī)器人位姿描述文獻(xiàn)中采用位置矢量描述點(diǎn)的位置,而用旋轉(zhuǎn)矩陣描述物體的方位。要完全描述剛體B 在空間的位姿(位置和姿態(tài),通常將物體B 與某一坐標(biāo)系B相固接。B的坐標(biāo)原點(diǎn)一般選在物體B 的特征點(diǎn)上,如質(zhì)心等。相對(duì)參考坐標(biāo)系B,坐標(biāo)系B的原點(diǎn)位置和坐標(biāo)軸的方位分別由位置矢量和旋轉(zhuǎn)矩陣描述。這樣剛體B 的位姿可由坐標(biāo)系B來(lái)描述,即有B=。2.2齊次坐標(biāo)變換對(duì)于任意一點(diǎn)在兩坐標(biāo)系A(chǔ)和B中的描述和具有以下變換關(guān)系,此變換式對(duì)于點(diǎn)而言是非齊次的,但是可以表示成等價(jià)的齊次變換形式,其中,41的列矢量表示三維空間的

3、點(diǎn),稱為點(diǎn)的齊次坐標(biāo),仍然記為和?？砂焉鲜綄?xiě)成矩陣形式,其中表示齊次變換矩陣,它綜合地表示了齊次變換和旋轉(zhuǎn)變換。2.3變換方程必須建立機(jī)器人各連桿之間,機(jī)器人與周?chē)h(huán)境之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,用于描述機(jī)器人的操作。在圖1所示的有向變換圖中,B代表基坐標(biāo)系,T代表工具系,S代表工作站系,G代表目標(biāo)系,它們之間的位姿關(guān)系可用相應(yīng)的齊次變換來(lái)描述:表示工作站系S相對(duì)于基坐標(biāo)系B的位姿;表示目標(biāo)系G相對(duì)于S的位姿;表示工具系T相對(duì)于基坐標(biāo)系B的位姿。則工具系T相對(duì)于基坐標(biāo)系B的描述可用下列變換矩陣的乘積來(lái)表示。圖1有向變換圖3運(yùn)動(dòng)學(xué)分析3.1單目攝像機(jī)定標(biāo)基于單目視覺(jué)的機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析The analyse

4、 of robot kinematics based on monocular vision(武漢大學(xué)黎文安邱從明LI Wen-an QIU Cong-ming摘要:本文介紹了一種通過(guò)單目視覺(jué)測(cè)量,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主定位的數(shù)學(xué)方法。利用運(yùn)動(dòng)學(xué)建模確立了目標(biāo)從圖像到實(shí)際工作空間的映射關(guān)系,得到目標(biāo)的實(shí)際位置和姿態(tài),并利用三點(diǎn)法對(duì)KLD-600機(jī)器人進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解。實(shí)驗(yàn)表明,該方法操作簡(jiǎn)單,計(jì)算準(zhǔn)確,運(yùn)算速度快。關(guān)鍵詞:機(jī)器視覺(jué);自主定位;逆運(yùn)動(dòng)學(xué);機(jī)器人中圖分類(lèi)號(hào):TP242.6+2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A Abstract:This paper introduces a method through t

5、he measurement by monocular vision which is used in the self -localization bymathematic method.By means of kinematics modeling,the relationship between image and real working space is built,then the abso -lute position and attitude of the object are obtained.It uses the three points method to deal w

6、ith the inverse kinematics of robot KDL-600.The method is experimentally verified which is simple operation,accurate calculation and fast operation speed.Key words:robot sense;self-localization;inverse kinematics;robot文章編號(hào):1008-0570(200810-2-0219-03黎文安:副教授基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目名稱:多端口歸一化模擬單元電路導(dǎo)出與實(shí)現(xiàn)方法研究(5057

7、7046219-技術(shù)創(chuàng)新中文核心期刊微計(jì)算機(jī)信息(嵌入式與SOC 2008年第24卷第10-2期360元/年郵局訂閱號(hào):82-946現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用200例機(jī)器人技術(shù)圖2攝像機(jī)針孔模型攝像機(jī)定標(biāo)涉及4個(gè)坐標(biāo)系:世界基坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系、像平面坐標(biāo)系和像素坐標(biāo)系。假設(shè):為目標(biāo)的世界基坐標(biāo)系,代表CCD 攝像機(jī)坐標(biāo)系,代表CCD 像平面坐標(biāo)系,代表像素坐標(biāo)系,攝像機(jī)原點(diǎn)位于攝像機(jī)光軸上,CCD 像面xOy 平行于平面,兩平面的有效距離為攝像機(jī)的有效焦距。攝像機(jī)針孔模型如圖2所示,此時(shí)攝像機(jī)坐標(biāo)系與成像平面坐標(biāo)系之間存在如下關(guān)系:;,其中,為P 點(diǎn)在成像平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo),為空間點(diǎn)P 在攝像機(jī)坐標(biāo)

8、系下的坐標(biāo)。用齊次坐標(biāo)與矩陣表示為:(1攝像機(jī)圖像坐標(biāo)系為和成像坐標(biāo)系之間存在著像素點(diǎn)與物理單位的轉(zhuǎn)換:(2其中(為攝像機(jī)光軸與圖像平面的交點(diǎn),表示每個(gè)像素在X 軸和Y 軸方向上的物理尺寸。由(1和(2得到圖像坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系之間的關(guān)系:(3其中,均為攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù),可由攝像機(jī)定標(biāo)來(lái)確定。在不考慮攝像機(jī)畸變的情況下,攝像機(jī)模型是針孔成像的線形模型?？梢缘玫绞澜缁鴺?biāo)系表示的點(diǎn)與以像素為單位的圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)之間的關(guān)系為:(4T 為攝像機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于世界基坐標(biāo)系的位姿,文獻(xiàn)中引入偏最小二乘回歸法給出了一種攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)的確定方法。3.2目標(biāo)定位當(dāng)攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)確定后,我們可以根據(jù)像素坐標(biāo)求出

9、其對(duì)應(yīng)的攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo),建立如圖3所示的KLD 機(jī)器人坐標(biāo)系,由文獻(xiàn)中提出的對(duì)機(jī)器人進(jìn)行D-H 坐標(biāo)系表示和建模并導(dǎo)出了它們的運(yùn)動(dòng)方程的方法,可推倒出每一個(gè)節(jié)點(diǎn)在前一個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)變換矩陣:A n =,其中表示,表示,表示扭角,表示關(guān)節(jié)變量,表示桿長(zhǎng),表示偏距。則由正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可得T 6=A 1A 2A 3A 4A 5A 6=(5圖3KLD-600機(jī)器人坐標(biāo)系圖4物體參考示意圖其中表示手爪坐標(biāo)系相對(duì)于世界基坐標(biāo)系的位姿。而攝像機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于手爪坐標(biāo)系的位姿為=,故(6220-郵局訂閱號(hào):82-946360元/年技術(shù)創(chuàng)新機(jī)器人技 術(shù)PLC 技術(shù)應(yīng)用200例您的論文得到兩院院士關(guān)注因此

10、目標(biāo)在世界基坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(74實(shí)驗(yàn)仿真通常人們想要機(jī)器人完成某一動(dòng)作,習(xí)慣上給機(jī)器人一個(gè)目標(biāo)位姿(即,然后由機(jī)器人根據(jù)(5式進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解,即求出各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度。因此,本文采用三點(diǎn)法求出機(jī)器人的目標(biāo)位姿,其算法步驟如下:1.進(jìn)行數(shù)字圖像處理,求出如圖4所示的物體的中心點(diǎn)A 、上表面的中心點(diǎn)B 以及離上表面中心點(diǎn)距離最短的參考點(diǎn)C 的像素坐標(biāo),。2.利用(7求出三點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo),。3.以向量單位正方向?yàn)檩S,以向量的單位正方向?yàn)檩S,B 點(diǎn)為-坐標(biāo)系的原點(diǎn)求得目標(biāo)物體的姿態(tài),以A 、B 的中點(diǎn)為目標(biāo)物體的位置,則可求得(5式中的列向量,。4.根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣為單位正交的原理可求得(5式中

11、的列向量。5.有第3步與第4步的求解即確定了機(jī)器人的位置和姿態(tài),便可進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求出機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)變量。本例中,求出三點(diǎn)像素坐標(biāo)后,運(yùn)用matlab 強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算功能計(jì)算機(jī)器人各關(guān)節(jié)角的度數(shù),例如,=(161,218,=(165,219,=(143,215,則個(gè)關(guān)節(jié)角變量值=(-480,-12.050,2.020,-8.40,-5.610。5結(jié)論機(jī)器人的單目視覺(jué)自定位方法,是在已經(jīng)由視覺(jué)識(shí)別出了具有某種特征的場(chǎng)景信息前提下,利用這些已知的信息對(duì)攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,并且通過(guò)單目視覺(jué)識(shí)別出目標(biāo)物體的特征及其在世界基坐標(biāo)系中的位置,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自定位。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于利用數(shù)學(xué)方法對(duì)單目

12、視覺(jué)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析以及采用三點(diǎn)法確定機(jī)器人的目標(biāo)位姿,提高了運(yùn)算速度及準(zhǔn)確性。參考文獻(xiàn)2馬頌德,4陳志國(guó),須文波.基于運(yùn)動(dòng)控制卡的機(jī)器人智能切割系統(tǒng),微計(jì)算機(jī)信息,2005,8-3:95-985劉丁,郭藍(lán)彬,楊延西.基于圖像雅可比矩陣的智能機(jī)器人視覺(jué)跟蹤,智能系統(tǒng)學(xué)報(bào),2006,1-1:57-61作者簡(jiǎn)介:黎文安,(1963-,男,武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院,副教授,從事計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作。邱從明,(1987-,男,武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院,本科生,研究方向?yàn)闄C(jī)器人智能控制。Biography:LI Wen -an,male,School of Electrical Engineer

13、ing,Wuhan University,Associate Professor,Long engaged in the field of computer-controlled teaching and scientific research work.(430072武漢武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院黎文安邱從明通訊地址:(430081武漢市青山區(qū)建設(shè)一路武漢科技大學(xué)192信箱黎文安(上接第229頁(yè)4結(jié)語(yǔ)整個(gè)系統(tǒng)采用嵌入式設(shè)計(jì),監(jiān)控端不同于現(xiàn)有大部分產(chǎn)品而設(shè)計(jì)成手持設(shè)備,具有體積小,移動(dòng)靈活等特點(diǎn)。如今已成功使用在自行設(shè)計(jì)的電力電纜排管監(jiān)視機(jī)器人系統(tǒng)上,取得了良好的效果。但同時(shí),由于CAN 總線傳輸速

14、率的限制,如果監(jiān)控圖像刷新率要求較高時(shí),本系統(tǒng)還有待進(jìn)一步改進(jìn)。本文創(chuàng)新點(diǎn):設(shè)計(jì)了一套實(shí)用的電纜排管機(jī)器人圖像傳輸系統(tǒng),并采用了CAN 總線技術(shù)。參考文獻(xiàn)1張素文,2李威遠(yuǎn),陳新,劉發(fā)彪.基于ARM 的無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版,2004,12:684-6883DeviceNetTM 規(guī)范簡(jiǎn)介廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司作者簡(jiǎn)介:單谷云,1983年,男,上海,碩士,上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)專(zhuān)業(yè),主要研究方向:電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)Biography:SHAN Gu -yun,male,Master,Shanghai Jiaotong University,major in Power and Electronics,research area:power system online monitoring(200240上海交通大學(xué)單谷云黃成軍江秀臣通訊地址:(200240上海市東川路800號(hào)上海交通大學(xué)B0503194班單谷云(上接第312頁(yè)參考文獻(xiàn)作者簡(jiǎn)介:袁新娣(1974-,女(漢族,江西