【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于數(shù)字化測(cè)量、機(jī)器人領(lǐng)域，涉及一種運(yùn)動(dòng)信息與視覺信息融合的機(jī)械臂空間位姿自適應(yīng)估計(jì)方法。
技術(shù)介紹
1、航空航天領(lǐng)域高端裝備構(gòu)件尺寸越來越大、結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，已逐漸超過機(jī)床作業(yè)范圍。移動(dòng)式工業(yè)機(jī)械臂以其作業(yè)范圍大、靈活性好、效率高等優(yōu)勢(shì)，在此類大型零部件加工方面極具潛力。然而，工業(yè)機(jī)械臂的絕對(duì)定位精度低，僅依靠其自身定位精度難以滿足加工精度要求，必須引入附加精度保障技術(shù)。目前，提高機(jī)械臂絕對(duì)定位精度的方法主要包括離線標(biāo)定法與在線定位法。前者需要對(duì)機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定與補(bǔ)償，從而提升機(jī)械臂絕對(duì)定位精度，但現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、末端大負(fù)載動(dòng)態(tài)變化時(shí)的關(guān)節(jié)參數(shù)難以準(zhǔn)確標(biāo)定；后者采用額外的傳感器獲取機(jī)械臂末端信息，通過測(cè)量信息在線反饋，能夠準(zhǔn)確獲取機(jī)械臂末端當(dāng)前的實(shí)際位姿，無需通過各個(gè)關(guān)節(jié)參數(shù)進(jìn)行串行計(jì)算，從而保證機(jī)械臂末端的絕對(duì)定位精度，該方法在機(jī)器人輔助定位方面極具潛力。
2、其中，“眼在手上”的機(jī)器人末端輔助定位是目前應(yīng)用最為廣泛的在線定位方法之一，即將雙目相機(jī)安裝于機(jī)械臂末端，通過雙目相機(jī)近距離獲取待測(cè)區(qū)域定位點(diǎn)的坐標(biāo)信息，并將定位信息傳輸至機(jī)械臂控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端的高精度定位。然而，雙目視覺相機(jī)的視場(chǎng)、景深范圍均有限，復(fù)雜工況下機(jī)械臂末端往往難以直接移動(dòng)至雙目定位區(qū)域，嚴(yán)重降低了雙目定位的魯棒性與可靠性。為了輔助機(jī)械臂末端可靠移動(dòng)至雙目視覺可測(cè)區(qū)域，還需結(jié)合機(jī)械臂實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)信息對(duì)其末端空間位姿進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)。傳統(tǒng)的機(jī)械臂末端空間位姿估計(jì)方法，需要先驗(yàn)準(zhǔn)確的觀測(cè)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)噪聲協(xié)方差矩陣，在復(fù)雜工況下
3、專利《一種基于雙目視覺的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)自標(biāo)定方法》，專利號(hào)zl202111045806.9，公開了一種結(jié)合相機(jī)信息和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角信息計(jì)算機(jī)械臂末端位姿的計(jì)算方法。專利《一種基于雙目視覺的機(jī)械臂目標(biāo)定位抓取方法》，專利zl201710936467.0，公開了一種基于雙目相機(jī)內(nèi)參及圖像信息估計(jì)機(jī)械臂抓取姿態(tài)的方法。上述兩種專利技術(shù)通過雙目相機(jī)及其他機(jī)械臂參數(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械臂位姿的估計(jì)，但機(jī)械臂作業(yè)過程中仍面臨著機(jī)械臂關(guān)節(jié)參數(shù)難以準(zhǔn)確標(biāo)定，并且僅憑運(yùn)動(dòng)信息難以準(zhǔn)確估計(jì)機(jī)械臂末端位置，無法使機(jī)械臂準(zhǔn)確移動(dòng)到雙目相機(jī)有效視場(chǎng)范圍內(nèi)。因此，本專利技術(shù)提出了運(yùn)動(dòng)信息與視覺信息融合的機(jī)械臂空間位姿自適應(yīng)估計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂末端位姿自適應(yīng)準(zhǔn)確估計(jì)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)面向工業(yè)機(jī)械臂作業(yè)場(chǎng)景中的定位需求，針對(duì)僅依靠機(jī)械臂自身運(yùn)動(dòng)信息難以準(zhǔn)確估計(jì)其加工末端位姿信息的問題，專利技術(shù)了一種運(yùn)動(dòng)信息與視覺信息融合的機(jī)械臂空間位姿自適應(yīng)估計(jì)方法。首先結(jié)合雙目相機(jī)的內(nèi)參矩陣，基于極線約束法實(shí)現(xiàn)圖像二維特征三維重建；然后，通過激光跟蹤儀和雙目相機(jī)組合測(cè)量的方式完成“手眼標(biāo)定”，基于標(biāo)定關(guān)系，計(jì)算機(jī)械臂加工末端與工件中心的相對(duì)位置關(guān)系；最后，提出改進(jìn)的自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波器，結(jié)合已知的雙目相機(jī)測(cè)量噪聲協(xié)方差矩陣，自適應(yīng)調(diào)整不同位置機(jī)械臂末端的狀態(tài)噪聲協(xié)方差矩陣，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程中末端位置的平滑估計(jì)，最終使機(jī)械臂末端精確移動(dòng)到雙目相機(jī)的可測(cè)范圍，解決了復(fù)雜工況下機(jī)械臂末端位置難以準(zhǔn)確估計(jì)的問題，兼顧精度和魯棒性，具有良好的通用性與推廣性。
2、本專利技術(shù)的技術(shù)方案：
3、一種運(yùn)動(dòng)信息與視覺信息融合的機(jī)械臂空間位姿自適應(yīng)估計(jì)方法，步驟如下：
4、第一步，相機(jī)坐標(biāo)系內(nèi)特征點(diǎn)三維坐標(biāo)獲取
5、首先，標(biāo)定雙目相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，得到左右相機(jī)的內(nèi)參矩陣kl和kr以及外參矩陣r和t；然后，在待測(cè)局域布置視覺標(biāo)志點(diǎn)，采用雙目相機(jī)獲取待測(cè)區(qū)域的圖像，進(jìn)而對(duì)圖像進(jìn)行二值化劃分圖像的前景和背景，再根據(jù)邊緣檢測(cè)算法對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，最后，采用圓度約束和面積約束篩選圖像特征，圖像篩選后的結(jié)果如式(1)：
6、
7、其中，(smin,smax)為設(shè)置的面積閾值，tc為設(shè)置的圓度閾值，c為每個(gè)區(qū)域輪廓的周長，s為每個(gè)區(qū)域輪廓的面積，e表示每個(gè)區(qū)域輪廓的圓度；
8、然后，根據(jù)雙目相機(jī)的內(nèi)參矩陣計(jì)算基礎(chǔ)矩陣：
9、
10、其中，為左右相機(jī)間平移向量計(jì)算得到的反對(duì)稱矩陣；
11、其次，對(duì)相機(jī)拍攝圖像中特征區(qū)域的視覺標(biāo)志點(diǎn)采用橢圓擬合法計(jì)算出中心坐標(biāo)[ul?vl?1]t和[ur?vr?1]t并構(gòu)建如下方程：
12、
13、其中，[a?b?c]t為基礎(chǔ)矩陣f與[ur?vr?1]t的乘積；
14、將式(3)轉(zhuǎn)換成直線方程即為極線方程：
15、aul+bvl+c＝0?(4)
16、當(dāng)像點(diǎn)和對(duì)應(yīng)極線的距離小于設(shè)置的約束閾值時(shí)便認(rèn)為其為另一幅圖像像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的匹配點(diǎn)；
17、最后，結(jié)合各標(biāo)志點(diǎn)的深度信息z，實(shí)現(xiàn)標(biāo)志點(diǎn)的三維重建：
18、
19、其中，(x?y?z)是相機(jī)坐標(biāo)系下標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)，cx和cy是相機(jī)主點(diǎn)的像素坐標(biāo)，f是相機(jī)的焦距，d是左右圖像的視差，b是左右相機(jī)光心之間的距離；
20、第二步，基于組合測(cè)量的機(jī)械臂末端在線定位
21、首先，在標(biāo)定板上放置n個(gè)激光跟蹤儀與視覺合作靶標(biāo)點(diǎn)，分別使用激光跟蹤儀和雙目相機(jī)測(cè)量其三維坐標(biāo)：
22、pc＝{p1?p2?p3?…pn},?ql＝{q1?q2?q3?…qn}?(6)
23、其中，pc和ql分別為相機(jī)坐標(biāo)系和激光跟蹤儀坐標(biāo)系內(nèi)的視覺合作靶標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)；
24、然后，基于最小二乘原理求解相機(jī)坐標(biāo)系與激光跟蹤儀坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系：
25、
26、其中，分別為兩坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量；
27、然后，在雙目相機(jī)的工裝上安裝三個(gè)激光跟蹤儀靶座，使用激光跟蹤儀測(cè)量其坐標(biāo)，以這三個(gè)點(diǎn)建立工裝坐標(biāo)系，并計(jì)算這三個(gè)點(diǎn)在工裝坐標(biāo)系下坐標(biāo)：
28、
29、進(jìn)而，計(jì)算出工裝坐標(biāo)系與激光跟蹤儀坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系rfl和tfl，基于上述相機(jī)坐標(biāo)系與激光跟蹤儀坐標(biāo)系之間的關(guān)系，計(jì)算相機(jī)坐標(biāo)系與工裝坐標(biāo)系之間的關(guān)系rcf和tcf：
30、
31、然后，通過改變機(jī)械臂的位姿，可以獲得多個(gè)機(jī)械臂位姿狀態(tài)下工裝坐標(biāo)系間的變換位姿及機(jī)械臂末端坐標(biāo)系間的變換位姿表示第j個(gè)位姿到第i個(gè)位姿狀態(tài)下工裝坐標(biāo)系的位姿變換關(guān)系，表示第j個(gè)位姿到第i個(gè)位姿狀態(tài)下機(jī)械臂末端坐標(biāo)系的位姿變換關(guān)系，可以得到如下關(guān)系：
32、
33、其中，和分別是第j個(gè)位姿和第i個(gè)位姿的工裝坐標(biāo)系與機(jī)械臂末端坐標(biāo)系之間的關(guān)系，任意位姿下該變換關(guān)系都是固定的；
34、即：
35、
36、其中，r和t分別表示對(duì)應(yīng)位姿變換關(guān)系t的旋轉(zhuǎn)部分和平移部分；
37、該計(jì)算過程可以看作求解典型的非線性優(yōu)化問題ax＝xb，通過求解上述方程組得到即為工裝坐標(biāo)系與機(jī)械臂末端坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系結(jié)合公式(9)即可本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種運(yùn)動(dòng)信息與視覺信息融合的機(jī)械臂空間位姿自適應(yīng)估計(jì)方法，其特征在于，步驟如下：
【技術(shù)特征摘要】
1.一種運(yùn)動(dòng)信息與視覺信息融合的機(jī)械臂空間...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：逯永康，王佳偉，韓磊，宋麗剛，鄭研，文科，張洋，劉巍，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：大連理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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