基于視覺下的機(jī)械臂空間目標(biāo)抓取策略初探

吳初明 深圳國創(chuàng)名廚商用設(shè)備制造有限公司南海分公司

基于視覺下的機(jī)械臂空間目標(biāo)抓取策略初探

吳初明 深圳國創(chuàng)名廚商用設(shè)備制造有限公司南海分公司

機(jī)械臂在太空中執(zhí)行任務(wù)時(shí)，要識(shí)別、跟蹤以及抓取目標(biāo)，視覺可以為機(jī)械臂提供很多的感知信息。本文先是簡單介紹了基于視覺下的機(jī)械臂空間目標(biāo)抓取，然后闡述了基于視覺下的機(jī)械臂空間目標(biāo)抓取系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以及立體視覺的算法流程，最后提出了基于手眼相機(jī)的手爪抓取策略。目的是為了幫助相關(guān)人員深入了解基于視覺下的機(jī)械臂空間目標(biāo)抓取策略。

機(jī)械臂 立體視覺 視覺伺服

前言

目前，世界各國都發(fā)射了衛(wèi)星、空間站和太空探測器等來探索太空，但是，這些航天器會(huì)在太空內(nèi)留下很多空間碎片及太空垃圾，他們會(huì)對正常運(yùn)行的航天機(jī)器造成很大的威脅。因此，要使用空間機(jī)械臂來回收這些太空垃圾，這樣不僅會(huì)保護(hù)航天器，還會(huì)提升航天器的工作效率及能力，而空間目標(biāo)的抓取是空間機(jī)械臂在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的重要環(huán)節(jié)。因此，對于機(jī)械臂空間目標(biāo)抓取的研究是很有必要的。

一、基于視覺下的機(jī)械臂空間目標(biāo)抓取的概述

空間目標(biāo)的抓取涉及到空間機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、軌跡規(guī)劃、避障和控制等多方面的內(nèi)容。我國目前采用的是用視覺作為反饋來研究機(jī)械臂抓取系統(tǒng)的方法，該方法可以詳細(xì)地驗(yàn)證非合作目標(biāo)在復(fù)雜環(huán)境下的視覺算法、攝像機(jī)內(nèi)部和外部參數(shù)的標(biāo)定以及多自由度機(jī)械臂的控制，為機(jī)械臂的非合作目標(biāo)抓取作業(yè)提供了理論的驗(yàn)證平臺(tái)。相對于其他感知方式，視覺主要有獲取的信息量大和不用接觸就可以測量的優(yōu)點(diǎn)，使得機(jī)械臂能夠更好地進(jìn)行目標(biāo)物體的識(shí)別和跟蹤，從而提高機(jī)械臂抓取目標(biāo)物體的準(zhǔn)確性。

二、基于視覺下的機(jī)械臂空間目標(biāo)抓取系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

（一）機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

本文研究的機(jī)械臂使用的是串聯(lián)型的手臂結(jié)構(gòu)，主要有三個(gè)擺動(dòng)關(guān)節(jié)，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)擺動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，一共有六個(gè)自由度。這種關(guān)節(jié)型的機(jī)械臂具有結(jié)構(gòu)緊湊、所占空間小、工作空間相對較大等特點(diǎn)，是機(jī)械臂中使用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)，能夠到達(dá)工作空間的所有位置和姿態(tài)。機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型主要有正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型兩種，其中，正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型主要使用DH方法進(jìn)行計(jì)算，逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型主要使用幾何法和解析法來進(jìn)行計(jì)算，使用幾何投影的方法來得到機(jī)械臂的前三個(gè)關(guān)節(jié)，使用解析法來得到機(jī)械臂的后三個(gè)關(guān)節(jié)[1]。

（二）抓取系統(tǒng)的空間位姿關(guān)系

機(jī)械臂進(jìn)行目標(biāo)抓取作業(yè)時(shí)，一定要標(biāo)定或確定以下幾個(gè)坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換矩陣：首先，是機(jī)械臂與基礎(chǔ)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣：因?yàn)闄C(jī)械臂的安裝基座是嚴(yán)格根據(jù)機(jī)械的尺寸進(jìn)行加工和裝配的，所以該矩陣可以在安裝圖內(nèi)得到；然后是相機(jī)坐標(biāo)系與基礎(chǔ)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣：因?yàn)椴荒艽_定相機(jī)的安裝尺寸以及相機(jī)的光心，所以該矩陣要通過標(biāo)定才能得到；最后是機(jī)械臂手爪坐標(biāo)系與機(jī)械臂坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣：該矩陣可以通過機(jī)械臂的安裝尺寸來得到。另外，系統(tǒng)中的其他坐標(biāo)變化都可以通過以上三個(gè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣來得到。

三、立體視覺的算法流程

使用立體視覺來測量目標(biāo)物體的空間位置與姿態(tài)，具體的視覺處理算法流程如下：第一，在左右兩個(gè)相機(jī)中分別捕捉當(dāng)前的兩幀圖像；第二，通過“塊視差計(jì)算”單元模塊，來矯正和捕捉左右相機(jī)中的畸變圖像，使矯正過的相機(jī)中心對齊在同一條圖像的水平線上，再與塊匹配技術(shù)BlockMatching相結(jié)合，簡單地計(jì)算一下左右圖像存在的視差圖；第三，使用視差圖來計(jì)算目標(biāo)物體的初始三維景深，然后反演到二維的圖像平面上，最后估計(jì)出目標(biāo)物體在左右圖像內(nèi)的大致范圍；第四，在第三步估計(jì)的范圍內(nèi)提取出目標(biāo)的輪廓特征，進(jìn)行目標(biāo)橢圓輪廓特征的追蹤；第五，使用RanSac算法來擬合點(diǎn)云對應(yīng)的平面，以此來計(jì)算出平面法的向量和點(diǎn)云的中心位置。

四、基于手眼相機(jī)的手爪抓取策略

經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)分析，我們發(fā)現(xiàn)，使用立體視覺進(jìn)行目標(biāo)定位的測量存在很大的誤差。但是抓取空間目標(biāo)要求位置和姿態(tài)的測量精度要達(dá)到手爪范圍以及機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)精度要求，但是只使用雙目相機(jī)不能達(dá)到要求，因此，要使用雙目和單目相結(jié)合的方法。其中，單目視覺算法可以使用基于圖像及位置的兩種視覺伺服算法，基于圖像的視覺伺服算法具備更多的優(yōu)勢，因?yàn)榛趫D像的視覺伺服算法不會(huì)依賴單目相機(jī)的內(nèi)部及外部參數(shù)的標(biāo)定結(jié)果。本文應(yīng)用這種算法進(jìn)行手爪的位姿調(diào)整，以此來進(jìn)行目標(biāo)抓取。要將相機(jī)安裝到手爪固定的位置上，相機(jī)會(huì)隨著手爪尾端的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。具體的抓取方案如下：

第一，雙目相機(jī)會(huì)對目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，測量出目標(biāo)在雙目視覺坐標(biāo)系內(nèi)的位置和姿態(tài)，然后根據(jù)雙目視覺坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，來計(jì)算出目標(biāo)在機(jī)器人坐標(biāo)系內(nèi)的位置和姿態(tài)；第二，要依據(jù)雙目視覺反饋以及IMM算法，估計(jì)出目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)狀況，確定好抓取目標(biāo)時(shí)手爪的初始位姿，將機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到確定好的初始位姿時(shí)，啟動(dòng)單目相機(jī)；第三，使用單目相機(jī)來測量目標(biāo)在相機(jī)坐標(biāo)系內(nèi)的坐姿，然后依據(jù)單目坐標(biāo)系與機(jī)械臂末端坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，來計(jì)算目標(biāo)物體在機(jī)械臂末端坐標(biāo)系內(nèi)的位姿；第四，采用IMM算法來估計(jì)出目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，按照視覺伺服控制律，實(shí)施目標(biāo)物體的對接和抓取[2]。

五、結(jié)論

綜上所述，機(jī)械臂空間目標(biāo)抓取系統(tǒng)是一種比較復(fù)雜的系統(tǒng)。分析可得，建立空間目標(biāo)抓取系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，選擇科學(xué)合理的算法，應(yīng)用正確的抓取策略，可以有效地保障機(jī)械臂抓取空間目標(biāo)，為機(jī)械臂探測以及抓取非合作目標(biāo)提供了參考。希望本文可以為相關(guān)人員研究機(jī)械臂空間目標(biāo)的抓取提供參考。

[1]陳友東，郭佳鑫，陶永.基于高斯過程的機(jī)器人自適應(yīng)抓取策略[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2016:1-9.

[2]叢佩超，孫兆偉.雙臂式空間機(jī)械臂捕捉目標(biāo)的碰撞問題研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版)，2010，4204:234-241.