基于三維視覺六足機器人多模式測量系統(tǒng)設(shè)計*

張騰飛，溫秀蘭，崔俊宇，芮 平，白冰峰

(南京工程學院 自動化學院，南京 211167)

0 引言

六足機器人具有豐富的步態(tài)和冗余的肢體結(jié)構(gòu), 是仿生機器人的典型代表之一[1]。目前國內(nèi)外研究熱點多是機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[2-5]。國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學鄧宗全教授對六足機器人步行腿節(jié)段比例進行研究，找出最適合基節(jié)比例[2]，并且提出一種低沖擊運動規(guī)劃方法的液壓六足機器人，該方法以低沖擊平順運動為目標，減小足地接觸沖擊的足端軌跡規(guī)劃方法[3]。河北工業(yè)大學張建華副教授設(shè)計了一種基于馬爾可夫決策過程的自由步態(tài)六足機器人，有變形關(guān)節(jié)和輪式足端，具備較好的靈活性及環(huán)境適應能力[4]。國外，美國密歇根大學和卡內(nèi)基梅隆大學合作組成的研究團隊通過模仿蟑螂步態(tài)成功地研制了仿生六足步行機器人RHex，通過改變5個參數(shù)值控制機器人的步態(tài)，平均速度0.5 m/s[5]?？偨Y(jié)目前研究成果，多是通過對六足昆蟲運動時的觀察來進行模擬仿真確定其所設(shè)計六足機器人的運動步態(tài)，雖然可以滿足六足機器人運動的要求，但提出的運動步態(tài)各有不同，沒有具體的針對多模式下步態(tài)的測量系統(tǒng)開展深入研究。因此，為了進一步探究六足機器人的運動特性問題，結(jié)合Kinect相機，設(shè)計出一種空間多模式下的六足機器人運動測量系統(tǒng)。

1 六足機器人運動測量系統(tǒng)硬件構(gòu)成

六足機器人多模式運動測量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括六足機器人、視覺采集系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)三部分。六足機器人通過控制器CM-530編程，利用絕對值A(chǔ)X-12A 舵機來實現(xiàn)多模式下步態(tài)設(shè)計[6]。視覺采集系統(tǒng)主要是利用Kinect視覺相機來獲取測量六足機器人在空間三維下的位置信息。通過微軟Kinect系統(tǒng)的單目RGB攝像機以及深度距離RGB-D像機，來獲取六足機器人在世界坐標系X-0-Y平面的坐標和Z軸方向上的坐標進而求得六足機器人在空間坐標系X-Y-Z下的三維坐標參數(shù)。圖像處理系統(tǒng)主要是通過PC機來處理Kinect相機采集到的數(shù)據(jù)。通過opencv庫進行圖像處理，在VS2010軟件平臺下，進行數(shù)據(jù)的分析處理，從而實現(xiàn)六足機器人多模式下的步態(tài)檢測[7]。系統(tǒng)的硬件環(huán)境如圖1所示。

圖1 六足機器人運動測量系統(tǒng)硬件環(huán)境

1.1 六足機器人的設(shè)計

本系統(tǒng)所設(shè)計的六足機器人，由一個Robot機器人控制器、兩塊大小不等的PP塑料、18個RX-23舵機和若干個舵機連接件組成。Robot機器人控制器是六足仿生機器人的控制中心，控制器與6只腳連接，每只腳由3個RX-23舵機組成。兩塊大小不等的PP塑料，分別是矩形紅色和正方形白色。

為了更好的驗證六足機器人在不同步態(tài)下的運動穩(wěn)定性問題，共設(shè)計單足、雙足、三足三種步態(tài)。考慮到六足機器人在平面運動時Z軸方向的穩(wěn)定性因素的影響，設(shè)計了旋轉(zhuǎn)運動步態(tài)。單足步態(tài)指六足機器人每個運動周期只有一只腳作為前進腳，剩下的5只腳作為支撐足。同理，雙足步態(tài)就是兩只腳作為前進足，三足步態(tài)就是三只腳作為前進足。旋轉(zhuǎn)步態(tài)是六足機器人繞Z軸，在X-O-Y平面上做旋轉(zhuǎn)運動。上述4種步態(tài)結(jié)構(gòu)圖如2所示。

圖2 六足機器人步態(tài)

1.2 Kinect相機的標定

本測量系統(tǒng)要求對六足機器人在世界坐標系下的三維坐標做到實時反饋。要想保證測量系統(tǒng)的準確性，必須要保證Kinect相機的精度。因此，要對Kinect設(shè)備進行標定。Kinect相機的參數(shù)分為內(nèi)參，畸變參數(shù)和外參。由于Kinect相機模型采用的是針孔成像原理，中心軸安裝偏心問題會產(chǎn)生精度誤差，所以要進行內(nèi)參數(shù)標定?？紤]到Kinect相機為了提高采光效率而使用透鏡，這種透鏡會造成畸變誤差的問題，所以對畸變參數(shù)進行標定?；冋`差分為徑向畸變誤差和切向畸變誤差。徑向畸變誤差是因為透鏡會使得成像的中心O產(chǎn)生畸變，并且越偏離光學中心O,畸變誤差越大。切向畸變誤差是透鏡所在平面不完全平行于圖像平面而產(chǎn)生[8]。Kinect相機外參數(shù)誤差標定是針對旋轉(zhuǎn)3個角度和平移的6個方向參數(shù)進行標定。

1.2.1 標定原理

由于光學畸變的影響，使得彩色圖和深度圖對應的像素點不一致，采用Kinect攝像頭標定的方法可以校正二者對齊。Kinect的標定采用棋盤式標定方法。在棋盤中，黑色格子與白色格子相見排列，不同顏色的格子之間有明顯的邊界，即“角點”。通過程序來識別二維圖像上的彩色像素點，從而獲取坐標[9]。對Kinect設(shè)備的彩色相機和深度相機進行標定，設(shè)景物點P1的坐標為(x1,y1,z1),P1在成像平面的成像點P2的坐標為(x2,y2,z2)，則：

(1)

f是相機的焦距，f=z2。在Kinect相機內(nèi)參數(shù)標定中，成像平面上的像經(jīng)放大處理得到數(shù)字圖像，成像平面上成像點(x2,y2)轉(zhuǎn)換為圖像點(u,v)。將光軸中心線在成像平面的交點的圖像坐標記為(u0,v0),則：

(2)

ax和ay成像平面到圖像平面在X軸和Y軸方向上的放大系數(shù)。聯(lián)立(1)和(2)可以得到攝像機內(nèi)參矩陣(3)：

(3)

式中，kx=axf，f是X軸方向的放大系數(shù)；ky=ayf，f是Y軸方向的放大系數(shù)，Min即為內(nèi)參矩陣。

(4)

Kinect外參數(shù)的矩陣為：

(5)

式中，(xc,yc,zc)表示景物點在攝像機坐標系中坐標,(xw,yw,zw)表示景物點在owxwywzw中坐標，cMw是外參矩陣。

1.2.2 標定誤差

通過軟件編程，利用opencv開源庫，對14幅不同角度的棋盤圖標定得到Kinect相機的標定參數(shù)為：

(1)內(nèi)參數(shù)

(2)畸變參數(shù)

式中，k1為徑向參數(shù)，k2為畸變參數(shù)，p1為切向參數(shù)，p2為畸變參數(shù)，k3為可選參數(shù)無實際意義。

(3)外參數(shù)

通過對每幅圖像像素進行計算，得出紅外相機到彩色相機的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，進而計算出Kinect的外參矩陣。

標定結(jié)果：

由旋轉(zhuǎn)矩陣得，紅外相機與彩色相機之間無明顯的旋轉(zhuǎn)變換。由平移矩陣得，紅外相機與彩色相機在X軸方向上有0.023m的平移量，Y軸和Z軸方向上的平移可以忽略不計。

(4)標定像素誤差s

通過對不同角度的14幅圖的像素進行采樣分析，得到每幅采樣圖像的平均誤差如圖3所示。

圖3 標定像素誤差

計算圖3中不同角度的14幅圖的像素平均誤差為0.05像素，標準差0.0066，滿足實驗的要求。

2 多模式運動測量系統(tǒng)軟件設(shè)計

六足機器人多模式測量系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。當程序開始運行時，首先對各個硬件設(shè)備進行初始化設(shè)置，包括六足機器人、Kinect相機等。設(shè)計六足機器人的運動步態(tài)軌跡，當六足機器人進入Kinect相機工作區(qū)域時，程序就會采集圖片信息，進行二值化、RGB識別處理，然后根據(jù)處理結(jié)果，輸出處理過后的圖片和所需的三維坐標信息。運行主界面設(shè)計主要是分為三部分，第一部分是RGB顏色顯示區(qū)域，分別顯示采集到的圖片的紅色、綠色和藍色三種顏色；第二部分用一幅圖來顯示Kinect相機輸入經(jīng)過VS2010處理過后輸出的圖片，包含定位點在整個世界坐標系的三維坐標信息。第三部分是數(shù)據(jù)的實時顯示和存儲。程序開始運行，所采集到的坐標就會在編輯框中顯示并且生成文本文件，記錄所需數(shù)據(jù)。

圖4 軟件流程

3 多模式運動測量實驗及結(jié)果

3.1 多步態(tài)監(jiān)測實驗

通過對六足仿生機器人的舵機編程，實現(xiàn)六足機器人的單足、雙足、三足和旋轉(zhuǎn)四種步態(tài)下的運動。使用Kinect彩色相機和紅外相機采集到的圖像進行處理，得到不同步態(tài)下六足機器人在空間坐標系X、Y、Z軸的坐標和當前運動方向與X軸的夾角。

3.2 實驗結(jié)果與分析

使用所設(shè)計的多步態(tài)運動測量系統(tǒng)，采集到在各步態(tài)下的三維坐標數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導入MATLAB 7.0中進行分析計算，得出各步態(tài)Z平面如圖5所示，各步態(tài)運動軌跡如圖6所示。如圖5所示，是為了驗證各步態(tài)的穩(wěn)定性，對四種步態(tài)下參考點到Kinect相機距離進行計算得到的點云數(shù)據(jù)。由圖可得，四種步態(tài)下的整體數(shù)據(jù)均無較大波動。圖6中X、Y軸為圖像坐標系轉(zhuǎn)換為世界坐標系的坐標軸，(x,y)坐標點是六足機器人定位點，所擬合出來的曲線為六足機器人定位點的運動軌跡。分析四幅圖可知，六足機器人沿直線運動時，單足步態(tài)下，擬合出的軌跡線與直線最為貼合，但在運動過程中，會出現(xiàn)數(shù)據(jù)突變現(xiàn)象。雙足步態(tài)下，軌跡線較為貼近直線且運動過程中，不會發(fā)生突變現(xiàn)象。三足步態(tài)下，六足機器人擺動幅度較大，因此實驗擬合出來的軌跡線與直線相差較大，且波形不穩(wěn)定。旋轉(zhuǎn)步態(tài)，六足機器人在X-0-Y平面上做橢圓運動，由于六足機器人步態(tài)設(shè)計運動周期與程序運行周期存在時間間隔，軌跡線出現(xiàn)了一定的錯位和交叉現(xiàn)象。綜上所述，該測量系統(tǒng)實現(xiàn)了對不同步態(tài)下六足機器人運動特性的測量，改進了僅僅通過軟件仿真對六足機器人運動特性描述方法的不足，通過對實驗結(jié)果的分析得出的結(jié)論，更可靠，具有說服力。

圖5 Z軸距離點云

圖6 步態(tài)運動軌跡

4 總結(jié)

本文針對目前缺乏對六足機器人多模式下運動特性探究的問題，通過對舵機控制器進行編程來控制舵機實現(xiàn)仿生運動，利用Kinect相機RGB-D特征提取等圖像處理技術(shù)完成對六足機器人空間的定位，從而實現(xiàn)了六足機器人在多模式下的空間運動的跟蹤和測量功能。系統(tǒng)可應用在六足機器人的多模式的運動參數(shù)測量中，并且由實驗得出六足機器人在雙足步態(tài)直線前進中有較高的穩(wěn)定性，為仿生機器人運動特性研究提供了一定的參考價值。

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