機器人可變形操作臂參數(shù)標定方法
【專利摘要】一種機器人可變形操作臂參數(shù)標定的方法。該方法針對機器人可變形操作臂在改變形狀后需要重新標定自身參數(shù)的任務而提出。首先，給出了單目相機測量操作臂的位置和姿態(tài)的優(yōu)化方法。然后，建立了可變形操作臂的D-H模型；最后，通過構造可變形操作臂參數(shù)的約束方程，求解并修正其參數(shù)。傳統(tǒng)的操作臂參數(shù)標定方法，因成本高，操作復雜，不能適用于面向多種服務任務的可變形操作臂參數(shù)標定任務。本發(fā)明所述的標定方法，可以快速、準確地完成可變形操作臂在形狀改變后的標定任務。仿真和實驗表明，本發(fā)明簡單實用，且對噪聲具有很好的魯棒性。
【專利說明】機器人可變形操作臂參數(shù)標定方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于機器人操作臂標定的【技術領域】，特別是涉及一種可變形操作臂的標定 方法。
【背景技術】
[0002] 眾所周知，機器人操作臂自身參數(shù)標定是提高操作臂精度的一種有效方法。在得 到精確的操作臂自身參數(shù)后，操作臂的正運動學、逆運動學的準確度都會相應提高，從而提 高操作臂的作業(yè)精度。當前操作臂參數(shù)的標定方法，大多數(shù)應用于剛性的、物理結構不會發(fā) 生改變的操作臂。而對于新穎的可變形操作臂，由于其自身物理結構、形狀會發(fā)生改變，傳 統(tǒng)的應用于剛性操作臂標定方法已經(jīng)不再適用。
[0003] 可變形操作臂的連桿能夠在三維立體空間中任意彎曲成一定形狀，并能保持相應 形狀，連桿彎曲時長度和大小基本穩(wěn)定，且彎曲后具有一定的支撐力。該操作臂關節(jié)少，卻 擁有多關節(jié)操作臂才擁有的豐富的工作空間，可執(zhí)行多自由度操作臂才能完成的任務。并 且該操作臂具有多種用途，可實現(xiàn)復用同一支操作臂來適應多種多樣的環(huán)境和任務。同時， 該操作臂具有被動柔性，可降低對外界人和物體的傷害，保障了服務對象的安全 [1]?？勺冃?操作臂擁有諸多益處，而操作臂自身標定問題又是提高其精度、保證其正常作業(yè)的重要前 提，因此，可變形操作臂的參數(shù)標定問題是亟待解決的。
[0004] 以往的機器人操作臂參數(shù)標定的方法，主要分為兩類：借助外部測量設備的參數(shù) 標定方法，及傳統(tǒng)的利用相機的參數(shù)標定方法。這兩類方法都有其自身的局限性，具體來 說：
[0005] 借助外部設備的標定方法，需要使用昂貴的、笨重的測量系統(tǒng)。其缺點是成本高， 標定時需要借助體積龐大的外部測量設備，使用不方便，因此這種方法不適合應用在家庭 服務機器人的家居環(huán)境中。
[0006] 傳統(tǒng)的單目相機參數(shù)標定方法，需要在機器人操作臂本體上裝載單目相機，這種 方法多應用體積較大的工業(yè)操作臂中。其缺點是，裝載單目相機使得操作臂變得更為臃腫， 并增加了操作臂的負載，為操作臂執(zhí)行任務帶來了不便。并且，家庭服務機器人的操作臂體 積小，可承受負載較低，無法裝載一個單目相機。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 有鑒于此，本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種機器人可變形 操作臂參數(shù)標定的方法。
[0008] 本發(fā)明提供的機器人可變形操作臂參數(shù)標定的方法包括：
[0009] 第1、給出單目相機測量操作臂的位置和姿態(tài)的方法；
[0010] 第2、建立可變形操作臂的D-Η模型；
[0011] 第3、構造可變形操作臂形狀改變后D-Η參數(shù)的約束方程組；
[0012] 第4、給出操作臂D - Η參數(shù)的求解方法，以及參數(shù)修正的方法。
[0013] 其中，
[0014] 第1步，給出單目相機測量操作臂的位置和姿態(tài)的方法
[0015] 在操作臂關節(jié)處貼標志塊的原則和方法，即利用單目相機測量標志塊從而得到關 節(jié)的位置和姿態(tài)信息的方法。
[0016] 針對圖1所示可變形操作臂，其參數(shù)標定的過程具體方法是：
[0017] 操作臂基座、關節(jié)3和關節(jié)4上分別貼有標志塊0,標志塊3,標志塊4,標志塊編 號與對應關節(jié)相吻合；不存在標志塊1，標志塊2。單目相機可以識別標志塊的位置和姿態(tài)。
[0018] 上述是基于4關節(jié)，2柔性連桿的可變形操作臂的參數(shù)標定方法。對于多關節(jié)、多 柔性連桿的可變形操作臂，在標定參數(shù)時，需要符合以下規(guī)則 ：
[0019] 第1，發(fā)生形狀改變的連桿兩端關節(jié)上需要貼標志塊。標志塊位置盡量毗鄰柔性連 桿，會為構建約束方程組提供方便。
[0020] 第2,基座標系必須貼有標志塊。
[0021] 第3,標志塊的最少數(shù)量m，取決于形狀改變的連桿的數(shù)量n，m = n-1。若標志塊 數(shù)目大于n，會簡化約束方程組的構造過程。
[0022] 第2步所述建立可變形操作臂的D-Η模型（Denavit-Hartenberg model)的方法 如下：
[0023] 圖1指出本發(fā)明中可變性操作臂的D-Η模型，以及標識塊和相機的位置[2]。表1 是常規(guī)D-Η參數(shù)建模方法下的D-Η參數(shù)表。
[0024] 表1、常規(guī)D-Η參數(shù)建模方法下的D-Η參數(shù)表
[0025]
【權利要求】
1. 一種機器人可變形操作臂參數(shù)標定的方法，其特征是該方法包括： 第1、給出單目相機測量操作臂的位置和姿態(tài)的方法； 第2、建立可變形操作臂的D-Η模型； 第3、構造可變形操作臂形狀改變后D-Η參數(shù)的約束方程組； 第4、給出操作臂D-Η參數(shù)的求解方法，以及參數(shù)修正的方法。
2. 根據(jù)權利要求1所述的機器人可變形操作臂參數(shù)標定的方法，其特征是所述的單目 相機測量機械臂位置和姿態(tài)的方法，是在操作臂關節(jié)處貼標志塊的原則和方法，即利用單 目相機測量標志塊從而得到關節(jié)的位置和姿態(tài)信息的方法。
3. 根據(jù)權利要求1所述的機器人可變形操作臂參數(shù)標定的方法，其特征是所述的構造 可變形操作臂形狀改變后其D-Η參數(shù)的約束方程組的方法是： qn = cos Θ 33，cos Θ 4+cos a 4sin Θ 33，sin Θ 4 q12 = -cos Θ 33，sin Θ 4+cos a 4sin Θ 33，cos θ 4 q13 = -sina 4sin Θ 33， q21 = -sin Θ 33，cos Θ 4+cos a 4cos Θ 33，sin Θ 4 q22 = sin Θ 33，sin Θ 4+cos a 4cos Θ 33，cos Θ 4 Q23 = _sin a 4cos Θ 33， q31 = sin Θ 4sin a 4 Q32 - cos Θ ^sin ct ^ Q33 = cos a 4 qx = a4cos Θ 33，-d4sin a 4sin Θ 33， qy = _a4sin Θ 33，-d4sin a 4cos Θ 33， Qz= _d33，+d4cos a 4 rn = cos ( Θ 3+ Θ 33，) cos Θ 2-sin ( θ 3+ Θ 33?) cos a 3sin Θ 2 r12 = -sin ( Θ 3+ Θ 33，) cos Θ 2-cos ( θ 3+ Θ 33?) cos a 3sin Θ 2 r13 = sin a 3sin Θ 2 r21 = sin ( Θ 3+ Θ 33，) sin a 3 r22 = cos( Θ 3+ Θ 33,) sin a 3 Γ23 = C0S Q 3 r31 = -cos ( Θ 3+ Θ 33，) sin Θ 2-sin ( θ 3+ Θ 33?) cos a 3cos Θ 2 r32 = -sin ( Θ 3+ Θ 33，）sin Θ 2+cos ( Θ 3+ Θ 33，）cos a 3cos Θ 2 1*33 - Sill Ct gCOS Θ 2 px = a3cos Θ 2+(d3+d33，）sin a 3sin Θ 2 Py - d2+ (d3+d33,）cos ct 3 pz = _a3sin Θ 2+(d3+d33，）sin a 3cos Θ 2+d1〇 方程中a i為關節(jié)i的Z軸與關節(jié)i-1的Z軸間的夾角，％為關節(jié)i的Z軸與關節(jié)i-1 的Z軸間的距離，為關節(jié)i的X軸與關節(jié)i-1的X軸間的夾角，4為關節(jié)i的X軸與 關節(jié)i-Ι的X軸間的距離，i = 1，2, 3, 4。3'為一個虛擬關節(jié)，即標志塊3的坐標系信息。 θ33，為關節(jié)3的X軸與關節(jié)3'的X軸間的夾角，d33，為關節(jié)3的X軸與關節(jié)3'的X軸間 的距離? bQ，j = 1，2, 3)，q^.Q，j = 1，2, 3)和 px、py、pz、kx、ky、k z 為通過單目相機得到 的已知量。
【文檔編號】G01C11/00GK104296725SQ201410524095
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月8日 優(yōu)先權日:2014年10月8日
【發(fā)明者】劉景泰, 郝潔, 盧翔, 李高峰, 孫雷 申請人:南開大學