专利名称：基于多传感器的服务机器人定位和抓取方法
技术领域：
本发明属于机器人技术领域，具体涉及的是ー种基于多传感器的服务机器人定位和抓取方法。
背景技术：
在过去五六十年间，研究者们一直在致力研究机器人应用的相关技木。在上世纪60年代早期，随着工业的发展，机器人用来帮助人们实现危险的操作和任务，然而这些机器人主要在结构环境下工作，只能按照特定的模式进行工作。但是，随着技术的发展以及人类的日常生活的需求，机器人却面临非结构化、复杂化等一系列问题的挑战。因此为了使机器人能够模拟一定的家庭环境，可以再日常生活中为人们服务，它应该具备一定的人机交
互能力，能够根据语音指令智能识别物体，然后进行自主定位与导航，井能根据自身感知的环境进行避障，然后抓取指定物品并交给指定的人。
发明内容
本发明的目的在于针对现在技术的不足，提出一种基于多传感的服务机器人定位和抓取方法，使机器人在一种结构化的环境中为人类提供更加智能化的服务。本方法中机器人可以通过视觉、射频、超声、光电等传感器与外部环境进行智能交互，在射频标签构建的网格化环境中，完成自由行走、目标搜索、目标物体手抓跟随以及灵活抓取等智能行为。为达到上述目的，本发明的构思是
本发明所涉及的基于多传感器的服务机器人定位和抓取方法，其实验平台包括双目图像采集模块，RFID收发模块，底轮运动模块，以及仿人机械臂控制模块。射频(RFID)收发模块的标签按照一定的规律放置在地面，构建网格化环境；机器人采用射频(RFID)与双目视觉相结合的方法，在构建的网格化环境中机器人自由行走、定位和搜寻目标；将双目视觉系统所获取的物体的空间坐标，转换到手臂坐标系；利用改进的D-H模型对手臂进行建摸，获取仿人手臂的逆解，实现物体的定位与抓取；利用机器视觉的前馈和反馈策略不断调整手抓抓持器的位置，实现对目标物体的跟随和精确抓取。本发明所涉及的基于多传感器的服务机器人定位和抓取方法，包括以下功能
(I)自主导航与定位模块融合RFID与双目摄像头信息，实现对目标物体的抓取，自主
导航与定位。(2)仿人机械臂开环抓取模块首先双目通过目标物体的顔色、形状、纹理等特征得到目标物体的三维坐标信息；经过坐标变换后得到目标物体相对于右手机械臂的坐标值；利用改进的D-H模型对退化后的4+1自由度机械臂经行数学建模，再根据作者提出ー个新的逆解算法，可以求出手臂各关节的角度，按照特定的轨迹抓取目标物体。(3)仿人机械臂闭环抓取模块机器视觉可以计算出手爪和目标物两者间存在的误差，利用闭环策略不断调整手抓抓持器的位置，以减少这两者间的误差，实现对目标物体的跟随和精确抓取。
所述的双目图像采集模块，是指本系统基于双目立体视觉；所述的RFID收发装置为无源型射频标签，含有环境的坐标信息；所述的底轮运动模块采用双轮差动方式，并在底部安装有两个色标传感器；所述的仿人机械臂为6+1自由度，将机械臂从6+1自由度退化为4+1自由度，通过改进的D-H模型进行数学建摸，再根据新提出一种逆解算法，求取简化后的逆运动学方程解，使得机器臂能够实现对于目标物体的实时跟随与灵活抓取。所述的射频(RFID)收发装置，包括射频标签和射频感应收发线圈，其中射频标签安装在机器人的底部，标签按照一定的距离放置在地面，构建网格化的环境，机器人在网格化环境中漫游的情况如图5所示。所述的利用射频标签构建的网格化环境，对机器人进行初始位置的确定，行进路线的判断和规划，以及目标物体前的位置调整，其中，行进路线的判断与规划的流程如6所
/Jn ο假设机器人转向角度的计算图解如图7所示，机器人所需行走的路径是A-B-C，在 B点需要旋转的角度Θ，可以通过余弦定理解得
/, +I, *L -4 *4￠ = JT-arccos-~~~~~-(O
2* Il^l2
当机器人远离目标物体时，可以通过与机器人经行语音交互，得到机器人最終的目的地，从中就可以规划出机器人的行进路线，当距离目标物体较近(I米左右)时，机器人通过左右调整自己的姿态，控制与目标之间的距离，可以实现精确定位，其算法流程图如图7所
/Jn ο所述的仿人机械臂为6+1自由度，将机械臂从6+1自由度退化为4+1自由度进行处理，其中6+1自由度和4+1自由度的手臂模型的等效简化图如图8、9所示。简化模型中，若按照原先的D-H模型求解，计算上比较麻烦，且限制自由取向。
本发明采用改进的D-H模型，在原先D-H參数表基础上增加Y列，沿着Y轴方Iロ」平栘，具体做法如下
(I)机器人手臂建模
设a表示相邻两个关节轴线方向的公垂线的长度(关节偏移)I表示两个相邻z轴之间的角度(关节扭转);d表示在z轴上两条相邻的公垂线之间的距离；Θ表示绕z轴的旋转角。通过从參数表中选取參数代入A矩阵，可以写出每两个相邻关节之间的变换。其中，A矩阵为后一个关节变换到前ー个关节的转换矩阵，如公式(2) - (5)所示。
「C0岣 OO)^4 O,一— 0 .⑶,0 ⑵ 4=かO
ザ 0-100W ^ OO IO
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权利要求
1.一种基于多传感器的服务机器人定位与抓取的方法，其特征在于具体操作步骤如下 (1)利用射频模块的机器人初次定位；射频收发装置包括天线、接收器和无源型射频标签，其中每张标签中都含有环境的坐标值等信息； (2)利用双目视觉经行机器人的精确定位，底轮运动模块采用双轮差动方式，并在底部安装有两个色标传感器； (3)利用改进的D-H的模型对机器人手臂经行数学建模； (4)机器人按照给定的路径规划和新的逆解算法，进行初次抓取目标； (5)当初次抓取失败后，可通过双目视觉获得手爪上的红色标签的深度信息，与目标物 的深度信息进行对比，通过存在的误差，利用H)算法，最終实现手爪的成功抓取。
2.根据权利要求I所述的基于多传感器的服务机器人定位与抓取方法，其特征在于所述的步骤(I)中射频收发装置，包括射频标签和射频感应收发线圈，其中射频感应收发线圈安装在机器人的底部，标签按照一定的距离放置在地面，构建网格化的坐标系，与双目信息融合，通过不断地读取标签数据块中得坐标信息对行进的路线进行判断和规划，实现初次定位。
3.根据权利要求I所述的基于多传感器的服务机器人定位与抓取方法，其特征在于所述步骤(2)的机器人的精确定位实现方法是利用双目视觉系统提取目标物的顔色信息进行HSV (Hue-Saturation-Value)阈值分割,得到目标物体的三维坐标；通过机器人当前标签位置和获取目标的三维坐标之间关系的计算，规划出机器人的行进路线，到达要抓取的物体前。
4.根据权利要求I所述的基于多传感器的服务机器人定位与抓取方法，其特征在于所述步骤(3)的改进的D-H模型的实质在于前ー个坐标系原点可经过若干变化一可以平移或旋转，与后一个坐标系原点重合，只要符合这ー原理即可；若在D-H參数表基础上增加Y列，可以沿着Y轴方向平移，这样可以减少因为三角函数变换带来的计算错误；尽管多増加ー个矩阵相乘，但齐次变化矩阵在相乘时较为简便。
5.根据权利要求I所述的基于多传感器的服务机器人定位与抓取方法，其特征在于所述步骤(4)的机器臂运动学的逆解算法，求解过程包括以下步骤 (1)首先双目通过目标物体的顔色、形状、纹理特征获得目标物体的三维坐标信息； (2)再建立视觉坐标系和机械臂坐标系的转换，将视觉获得的深度信息转换为机械手爪要到达的位置信息；将变换后的视觉坐标系原点与右机械臂坐标系的原点重合，并且视觉坐标系的X，y, z轴方向完全和机械臂坐标系相同； (3)利用4+1自由度的逆解算法，计算出机器人手臂各个关节的角度； (4)最后对机器人手臂各个关节运动控制进行路径规划，以便在初次抓取过程不要让其碰到桌子等。
6.根据权利要求I或2所述的基于多传感器的服务机器人定位与抓取方法，其特征在于所述步骤(5)的机械臂定位并抓取目标物体，包括初次抓取和失败后再次抓取两部分，首先利用机器视觉的前馈实现手爪的初次抓取，再利用反馈策略不断调整手爪的位置，以逐渐靠近目标物体，直到抓取成功。
全文摘要
本发明公开了一种基于多传感的服务机器人定位和抓取的方法。本发明方法包括以下步骤RFID收发模块的标签按照一定的规律放置在地面，构建网格化的坐标系；机器人采用射频(RFID)与双目视觉相结合的方法，在构建的网格化环境中机器人自由行走、定位和搜寻目标；将双目视觉系统所获取的物体的空间坐标，转换到手臂坐标系，利用改进的D-H模型对手臂进行数学建模,再利用新的逆解算法，求解仿人手臂的各个角度，实现物体的跟随与抓取。本方法实现了基于多传感器的服务机器人的自定位与目标跟随、抓取。
文档编号B25J9/16GK102848388SQ20121009674
公开日2013年1月2日 申请日期2012年4月5日 优先权日2012年4月5日
发明者刘路, 李昕, 吕小听, 张德兴 申请人:上海大学