一種使移動(dòng)機(jī)械臂趨近并抓取目標(biāo)物體的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種使移動(dòng)機(jī)械臂趨近與抓取目標(biāo)物體的方法，目標(biāo)物體為被雙環(huán)標(biāo)識(shí)圖案環(huán)繞的有色圓柱，放置于貼有雙十字標(biāo)識(shí)圖案的參照物的上方，其中，當(dāng)移動(dòng)機(jī)械臂的移動(dòng)本體距目標(biāo)物體較遠(yuǎn)時(shí)，移動(dòng)機(jī)械臂的控制單元得到移動(dòng)本體與雙十字標(biāo)識(shí)圖案中心連線的水平方向和移動(dòng)本體運(yùn)動(dòng)方向的夾角e；將e與e的變化率ec作為模糊控制器的輸入，進(jìn)而得到輸出量u控制移動(dòng)本體，使其趨近目標(biāo)物體；當(dāng)移動(dòng)本體距目標(biāo)物體較近時(shí)，它徑直趨近，機(jī)械臂進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整；當(dāng)目標(biāo)物體在機(jī)械臂可操作范圍內(nèi)，移動(dòng)本體停止運(yùn)動(dòng)，機(jī)械臂基于逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體抓取。本發(fā)明只根據(jù)視覺信息實(shí)時(shí)決策，為移動(dòng)機(jī)械臂在危險(xiǎn)物排除、服務(wù)業(yè)等方面的應(yīng)用提供技術(shù)保障。
【專利說明】一種使移動(dòng)機(jī)械臂趨近并抓取目標(biāo)物體的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種使移動(dòng)機(jī)械臂趨近并抓取目標(biāo)物體的方法。本發(fā)明特別適用于小型的移動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，人們對(duì)機(jī)器人的能力需求也在不斷的提高。機(jī)器人除了能夠安全無碰的運(yùn)動(dòng)外，操作功能變得日益重要。移動(dòng)機(jī)械臂兼具移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)功能和機(jī)械臂的操作功能，適合代替人工作在許多危險(xiǎn)的場(chǎng)合下，受到了廣泛的關(guān)注。
[0003]趨近與抓取目標(biāo)物體是一類典型的移動(dòng)機(jī)械臂任務(wù)，在日常生活、危險(xiǎn)物排除等方面具有重要的應(yīng)用前景。對(duì)于一些低矮、狹窄的環(huán)境，裝有C⑶攝像頭與圖像采集卡的移動(dòng)機(jī)械臂在體積等方面難以滿足需求，因此，有必要對(duì)采用嵌入式視覺進(jìn)行環(huán)境感知的移動(dòng)機(jī)械臂開展深入的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一 )要解決的技術(shù)問題
[0005]本發(fā)明的目的是面向采用嵌入式視覺的移動(dòng)機(jī)械臂的趨近與抓取目標(biāo)物體問題，提供了一種使移動(dòng)機(jī)械臂趨近與抓取目標(biāo)物體的方法，使得移動(dòng)機(jī)械臂基于嵌入式視覺獲取的信息趨近目標(biāo)物體，并保持其運(yùn)動(dòng)方向盡可能指向目標(biāo)物體直至目標(biāo)物體在機(jī)械臂的可操作范圍內(nèi)，而后機(jī)械臂實(shí)施抓取，達(dá)到令人滿意的控制效果。
[0006]( 二 )技術(shù)方案
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種使移動(dòng)機(jī)械臂趨近并抓取目標(biāo)物體的方法，所述移動(dòng)機(jī)械臂包括移動(dòng)本體、機(jī)械臂和控制單元，所述機(jī)械臂包括三個(gè)連桿和一個(gè)末端抓手，所述機(jī)械臂通過腰關(guān)節(jié)角、肩關(guān)節(jié)角、肘關(guān)節(jié)角、腕關(guān)節(jié)的俯仰關(guān)節(jié)角和腕關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)角實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂姿態(tài)的調(diào)整，通過調(diào)節(jié)末端抓手關(guān)節(jié)角對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行操作；在所述機(jī)械臂的末端抓手的上方固定一個(gè)圖像擷取裝置；所述目標(biāo)物體為被雙環(huán)標(biāo)識(shí)圖案環(huán)繞的有色圓柱，環(huán)繞有色圓柱的雙環(huán)標(biāo)識(shí)圖案由不相鄰的兩同色環(huán)形區(qū)域上下排布而成，雙環(huán)標(biāo)識(shí)圖案的兩個(gè)環(huán)形區(qū)域的顏色與有色圓柱的顏色能夠從視覺上相互區(qū)分，并且，所述目標(biāo)物體放置于貼有雙十字標(biāo)識(shí)圖案的參照物的上方；所述移動(dòng)機(jī)械臂的控制單元實(shí)時(shí)獲取來自所述圖像擷取裝置的圖像信息，對(duì)目標(biāo)物體上的雙環(huán)標(biāo)識(shí)圖案和參照物上的雙十字標(biāo)識(shí)圖案進(jìn)行識(shí)別，如果只識(shí)別到雙十字標(biāo)識(shí)圖案或者識(shí)別到的雙環(huán)標(biāo)識(shí)圖案的兩環(huán)形區(qū)域的中心像素間距dpixel小于一個(gè)給定閾值dT1時(shí)，表明所述移動(dòng)機(jī)械臂的移動(dòng)本體距所述目標(biāo)物體較遠(yuǎn)；如果識(shí)別到的雙環(huán)標(biāo)識(shí)圖案的兩環(huán)形區(qū)域的中心像素間距dpiMl不小于給定閾值dT1同時(shí)小于給定閾值dT2時(shí)，表明所述移動(dòng)機(jī)械臂的移動(dòng)本體距所述目標(biāo)物體較近；如果識(shí)別到的雙環(huán)標(biāo)識(shí)圖案的兩環(huán)形區(qū)域的中心像素間距dpiMl不小于給定閾值dT2時(shí)，表明所述目標(biāo)物體在所述機(jī)械臂的可操作范圍內(nèi)。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述抓取目標(biāo)物體的方法包括如下步驟:步驟51、當(dāng)所述移動(dòng)機(jī)械臂的移動(dòng)本體距所述目標(biāo)物體較遠(yuǎn)時(shí)，所述機(jī)械臂的姿態(tài)保持不變，所述控制單元基于所述參照物上的雙十字標(biāo)識(shí)圖案控制所述移動(dòng)本體趨近目標(biāo)物體；步驟
52、當(dāng)所述移動(dòng)機(jī)械臂的移動(dòng)本體距所述目標(biāo)物體較近時(shí)，所述控制單元控制所述移動(dòng)本體以一給定的速度徑直趨近所述目標(biāo)物體，所述移動(dòng)機(jī)械臂根據(jù)所述目標(biāo)物體在圖像中的中心點(diǎn)以及所述雙環(huán)標(biāo)識(shí)圖案的兩環(huán)形區(qū)域的中心像素間距進(jìn)行所述機(jī)械臂的姿態(tài)調(diào)整；步驟S3、當(dāng)所述目標(biāo)物體在所述機(jī)械臂的可操作范圍內(nèi)時(shí)，所述移動(dòng)本體停止運(yùn)動(dòng)，所述控制單元基于逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)控制機(jī)械臂抓取目標(biāo)物體。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述步驟SI包括:步驟S11、所述控制單元基于所述圖像擷取裝置獲取的所述參照物上的雙十字標(biāo)識(shí)圖案提取雙十字標(biāo)識(shí)圖案中各十字標(biāo)識(shí)圖案的中心，進(jìn)而提取移動(dòng)本體與雙十字標(biāo)識(shí)圖案中心連線的水平方向和移動(dòng)本體運(yùn)動(dòng)方向的夾角e ;步驟S12、將移動(dòng)本體與雙十字標(biāo)識(shí)圖案中心連線的水平方向和移動(dòng)本體運(yùn)動(dòng)方向的夾角e以及e的變化率ec作為模糊控制器的輸入，結(jié)合設(shè)定的e和ec的量化等級(jí)和隸屬函數(shù)，對(duì)模糊控制器的輸入進(jìn)行模糊化；步驟S13、設(shè)定模糊控制器輸出變量u的量化等級(jí)和隸屬函數(shù)；步驟S14、設(shè)置模糊控制規(guī)則；步驟S15、進(jìn)行模糊推理；步驟S16、采用重心法進(jìn)行解模糊，將模糊控制量轉(zhuǎn)為對(duì)應(yīng)的精確控制量，該精確控制量乘以比例因子ku后作為最終輸出量u ;步驟S17、基于模糊控制器的最終輸出量U，根據(jù)兩輪驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)本體的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，在移動(dòng)本體速度Vpl大小一定的前提下，求取左驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)速度V1和右驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)速度用于控制移動(dòng)本體的運(yùn)動(dòng)方向，使其趨近目標(biāo)物體。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述步驟Sll包括:步驟S111、所述控制單元根據(jù)十字標(biāo)識(shí)圖案的中心點(diǎn)亮度較暗和中心對(duì)稱特征，排除非目標(biāo)的圖像像素點(diǎn)，得到圖像像素點(diǎn)集Ωρ1 ;步驟S112、控制單元對(duì)圖像像素點(diǎn)集Ωρ1中的任意圖像像素點(diǎn)P。，檢測(cè)一個(gè)識(shí)別模板中標(biāo)記為“ X ”的圖像像素點(diǎn)，根據(jù)圖像像素點(diǎn)P。的灰度值g (P。)和設(shè)定閾值Th對(duì)

該識(shí)別模板進(jìn)行二值化
【權(quán)利要求】
1.一種使移動(dòng)機(jī)械臂趨近并抓取目標(biāo)物體的方法， 所述移動(dòng)機(jī)械臂包括移動(dòng)本體、機(jī)械臂和控制單元，所述機(jī)械臂包括三個(gè)連桿和一個(gè)末端抓手，所述機(jī)械臂通過腰關(guān)節(jié)角、肩關(guān)節(jié)角、肘關(guān)節(jié)角、腕關(guān)節(jié)的俯仰關(guān)節(jié)角和腕關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)角實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂姿態(tài)的調(diào)整，通過調(diào)節(jié)末端抓手關(guān)節(jié)角對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行操作；在所述機(jī)械臂的末端抓手的上方固定一個(gè)圖像擷取裝置； 所述目標(biāo)物體為被雙環(huán)標(biāo)識(shí)圖案環(huán)繞的有色圓柱，環(huán)繞有色圓柱的雙環(huán)標(biāo)識(shí)圖案由不相鄰的兩同色環(huán)形區(qū)域上下排布而成，雙環(huán)標(biāo)識(shí)圖案的兩個(gè)環(huán)形區(qū)域的顏色與有色圓柱的顏色能夠從視覺上相互區(qū)分，并且，所述目標(biāo)物體放置于貼有雙十字標(biāo)識(shí)圖案的參照物的上方；其特征在于: 所述移動(dòng)機(jī)械臂的控制單元實(shí)時(shí)獲取來自所述圖像擷取裝置的圖像信息，對(duì)目標(biāo)物體上的雙環(huán)標(biāo)識(shí)圖案和參照物上的雙十字標(biāo)識(shí)圖案進(jìn)行識(shí)別，如果只識(shí)別到雙十字標(biāo)識(shí)圖案或者識(shí)別到的雙環(huán)標(biāo)識(shí)圖案的兩環(huán)形區(qū)域的中心像素間距Clpixel小于一個(gè)給定閾值dT1時(shí)，表明所述移動(dòng)機(jī)械臂的移動(dòng)本體距所述目標(biāo)物體較遠(yuǎn)；如果識(shí)別到的雙環(huán)標(biāo)識(shí)圖案的兩環(huán)形區(qū)域的中心像素間距dpiMl不小于給定閾值dT1同時(shí)小于給定閾值dT2時(shí)，表明所述移動(dòng)機(jī)械臂的移動(dòng)本體距所述目標(biāo)物體較近；如果識(shí)別到的雙環(huán)標(biāo)識(shí)圖案的兩環(huán)形區(qū)域的中心像素間距dpiMl不小于給定閾值dT2時(shí)，表明所述目標(biāo)物體在所述機(jī)械臂的可操作范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的使移動(dòng)機(jī)械臂趨近并抓取目標(biāo)物體的方法，其特征在于，所述抓取目標(biāo)物體的方法包括如下步驟: 步驟S1、當(dāng)所述移動(dòng)機(jī)械臂的移動(dòng)本體距所述目標(biāo)物體較遠(yuǎn)時(shí)，所述機(jī)械臂的姿態(tài)保持不變，所述控制單元基于所述參照物上的雙十字標(biāo)識(shí)圖案控制所述移動(dòng)本體趨近目標(biāo)物體； 步驟S2、當(dāng)所述移動(dòng)機(jī)械臂的移動(dòng)本體距所述目標(biāo)物體較近時(shí)，所述控制單元控制所述移動(dòng)本體以一給定的速度徑直趨近所述目標(biāo)物體，所述移動(dòng)機(jī)械臂根據(jù)所述目標(biāo)物體在圖像中的中心點(diǎn)以及所述雙環(huán)標(biāo)識(shí)·圖案的兩環(huán)形區(qū)域的中心像素間距進(jìn)行所述機(jī)械臂的姿態(tài)調(diào)整； 步驟S3、當(dāng)所述目標(biāo)物體在所述機(jī)械臂的可操作范圍內(nèi)時(shí)，所述移動(dòng)本體停止運(yùn)動(dòng)，所述控制單元基于逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)控制機(jī)械臂抓取目標(biāo)物體。
3.如權(quán)利要求2所述的使移動(dòng)機(jī)械臂趨近并抓取目標(biāo)物體的方法，其特征在于，所述步驟SI包括: 步驟S11、所述控制單元基于所述圖像擷取裝置獲取的所述參照物上的雙十字標(biāo)識(shí)圖案提取雙十字標(biāo)識(shí)圖案中各十字標(biāo)識(shí)圖案的中心，進(jìn)而提取移動(dòng)本體與雙十字標(biāo)識(shí)圖案中心連線的水平方向和移動(dòng)本體運(yùn)動(dòng)方向的夾角e ； 步驟S12、將移動(dòng)本體與雙十字標(biāo)識(shí)圖案中心連線的水平方向和移動(dòng)本體運(yùn)動(dòng)方向的夾角e以及e的變化率ec作為模糊控制器的輸入，結(jié)合設(shè)定的e和ec的量化等級(jí)和隸屬函數(shù)，對(duì)模糊控制器的輸入進(jìn)行模糊化； 步驟S13、設(shè)定模糊控制器輸出變量u的量化等級(jí)和隸屬函數(shù)； 步驟S14、設(shè)置模糊控制規(guī)則； 步驟S15、進(jìn)行模糊推理； 步驟S16、采用重心法進(jìn)行解模糊，將模糊控制量轉(zhuǎn)為對(duì)應(yīng)的精確控制量，該精確控制量乘以比例因子ku后作為最終輸出量U ; 步驟S17、基于模糊控制器的最終輸出量U，根據(jù)兩輪驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)本體的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，在移動(dòng)本體速度Vpl大小一定的前提下，求取左驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)速度V1和右驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)速度用于控制移動(dòng)本體的運(yùn)動(dòng)方向，使其趨近目標(biāo)物體。重復(fù)權(quán)利要求書3.如權(quán)利要求2所述的使移動(dòng)機(jī)械臂趨近并抓取目標(biāo)物體的方法，其特征在于，所述步驟Sll包括: 步驟S111、所述控制單元根據(jù)十字標(biāo)識(shí)圖案的中心點(diǎn)亮度較暗和中心對(duì)稱特征，排除非目標(biāo)的圖像像素點(diǎn)，得到圖像像素點(diǎn)集Ωρ1 ； 步驟S112、所述控制單元對(duì)圖像像素點(diǎn)集Ωρ1中的任意圖像像素點(diǎn)ρ。，檢測(cè)一個(gè)識(shí)別模板中標(biāo)記為“ X ”的圖像像素點(diǎn)，根據(jù)圖像像素點(diǎn)P。的灰度值g(P。)和設(shè)定閾值Th對(duì)該

識(shí)別模板進(jìn)行二值化
4.如權(quán)利要求1所述的使移動(dòng)機(jī)械臂趨近并抓取目標(biāo)物體的方法，其特征在于，所述步驟S2包括: 步驟S21、所述控制單元控制移動(dòng)本體以一給定的速度徑直趨近目標(biāo)物體；移動(dòng)本體以給定的速度Vp2向目標(biāo)物體徑直趨近，其中左驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)速度V1 = Vp2，右驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)速度\ = Vp2 ; 步驟S22、所述控制單元根據(jù)圖像擷取裝置獲取的目標(biāo)物體的視覺信息調(diào)整機(jī)械臂的姿態(tài)。
5.如權(quán)利要求4所述的使移動(dòng)機(jī)械臂趨近并抓取目標(biāo)物體的方法，其特征在于，所述步驟S22包括: 步驟S221、圖像擷取裝置提取目標(biāo)物體的視覺信息； 步驟S222、控制單元計(jì)算目標(biāo)物體相對(duì)于移動(dòng)本體的位置信息； 步驟S223、控制單元根據(jù)目標(biāo)物體在圖像中的中心點(diǎn)以及雙環(huán)標(biāo)識(shí)圖案的兩環(huán)形區(qū)域的中心像素間距控制機(jī)械臂調(diào)整腰關(guān)節(jié)角和腕關(guān)節(jié)的俯仰關(guān)節(jié)角。
6. 如權(quán)利要求5所述的使移動(dòng)機(jī)械臂趨近并抓取目標(biāo)物體的方法，其特征在于，所述步驟S221為:根據(jù)顏色特征提取目標(biāo)物體圖像的ROI區(qū)域，獲取ROI的中心點(diǎn)(u。，V。)，并將其作為目標(biāo)物體在圖像中的中心點(diǎn)；在1?01區(qū)域內(nèi)從左到右逐列掃描，提取出雙環(huán)標(biāo)識(shí)圖案的各環(huán)形區(qū)域，用均值法計(jì)算得到雙環(huán)標(biāo)識(shí)圖案的兩環(huán)形區(qū)域的中心像素間距dpiMl。
7.如權(quán)利要求5所述的使移動(dòng)機(jī)械臂趨近并抓取目標(biāo)物體的方法，其特征在于，所述步驟S222為: 根據(jù)雙環(huán)標(biāo)識(shí)圖案的兩環(huán)形區(qū)域的中心的實(shí)際間距D和小孔成像模型Dre=D*f/dpixel，確定目標(biāo)物體相對(duì)于圖像擷取裝置的位置，Yck，ZqJ:
8.如權(quán)利要求5所述的使移動(dòng)機(jī)械臂趨近并抓取目標(biāo)物體的方法，其特征在于，在步驟S223中，所述機(jī)械臂的腰關(guān)節(jié)角進(jìn)行如下調(diào)整:Λ Θ 5=atan2(X0E, Υ0Ε)-Θ 5 ;機(jī)械臂的腕關(guān)節(jié)的俯仰關(guān)節(jié)角進(jìn)行如下調(diào)整:Δ Θ 3=atan2 (uc-u0, 2u0)。
9.如權(quán)利要求1所述的使移動(dòng)機(jī)械臂趨近并抓取目標(biāo)物體的方法，其特征在于，在步驟S3中，通過肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)的俯仰關(guān)節(jié)和腰關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)以使得機(jī)械臂到達(dá)抓取位置；結(jié)合抓取時(shí)末端抓手關(guān)節(jié)水平的約束，即θ 1+ θ 2+ Θ 3=0,基于逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解關(guān)節(jié)角:
【文檔編號(hào)】B25J18/00GK103522305SQ201310520979
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月29日
【發(fā)明者】曹志強(qiáng), 焦繼樂, 趙鵬, 周超, 譚民 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所