一种使移动机械臂趋近并抓取目标物体的方法
【专利摘要】本发明公开了一种使移动机械臂趋近与抓取目标物体的方法，目标物体为被双环标识图案环绕的有色圆柱，放置于贴有双十字标识图案的参照物的上方，其中，当移动机械臂的移动本体距目标物体较远时，移动机械臂的控制单元得到移动本体与双十字标识图案中心连线的水平方向和移动本体运动方向的夹角e；将e与e的变化率ec作为模糊控制器的输入，进而得到输出量u控制移动本体，使其趋近目标物体；当移动本体距目标物体较近时，它径直趋近，机械臂进行姿态调整；当目标物体在机械臂可操作范围内，移动本体停止运动，机械臂基于逆向运动学实现目标物体抓取。本发明只根据视觉信息实时决策，为移动机械臂在危险物排除、服务业等方面的应用提供技术保障。
【专利说明】一种使移动机械臂趋近并抓取目标物体的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机器人【技术领域】，特别是一种使移动机械臂趋近并抓取目标物体的方法。本发明特别适用于小型的移动机械臂系统。
【背景技术】
[0002]随着机器人应用领域的不断扩展，人们对机器人的能力需求也在不断的提高。机器人除了能够安全无碰的运动外，操作功能变得日益重要。移动机械臂兼具移动机器人的移动功能和机械臂的操作功能，适合代替人工作在许多危险的场合下，受到了广泛的关注。
[0003]趋近与抓取目标物体是一类典型的移动机械臂任务，在日常生活、危险物排除等方面具有重要的应用前景。对于一些低矮、狭窄的环境，装有C⑶摄像头与图像采集卡的移动机械臂在体积等方面难以满足需求，因此，有必要对采用嵌入式视觉进行环境感知的移动机械臂开展深入的研究。
【发明内容】
[0004](一 )要解决的技术问题
[0005]本发明的目的是面向采用嵌入式视觉的移动机械臂的趋近与抓取目标物体问题，提供了一种使移动机械臂趋近与抓取目标物体的方法，使得移动机械臂基于嵌入式视觉获取的信息趋近目标物体，并保持其运动方向尽可能指向目标物体直至目标物体在机械臂的可操作范围内，而后机械臂实施抓取，达到令人满意的控制效果。
[0006]( 二 )技术方案
[0007]为解决上述技术问题，本发明提出一种使移动机械臂趋近并抓取目标物体的方法，所述移动机械臂包括移动本体、机械臂和控制单元，所述机械臂包括三个连杆和一个末端抓手，所述机械臂通过腰关节角、肩关节角、肘关节角、腕关节的俯仰关节角和腕关节的旋转关节角实现机械臂姿态的调整，通过调节末端抓手关节角对目标物体进行操作；在所述机械臂的末端抓手的上方固定一个图像撷取装置；所述目标物体为被双环标识图案环绕的有色圆柱，环绕有色圆柱的双环标识图案由不相邻的两同色环形区域上下排布而成，双环标识图案的两个环形区域的颜色与有色圆柱的颜色能够从视觉上相互区分，并且，所述目标物体放置于贴有双十字标识图案的参照物的上方；所述移动机械臂的控制单元实时获取来自所述图像撷取装置的图像信息，对目标物体上的双环标识图案和参照物上的双十字标识图案进行识别，如果只识别到双十字标识图案或者识别到的双环标识图案的两环形区域的中心像素间距dpixel小于一个给定阈值dT1时，表明所述移动机械臂的移动本体距所述目标物体较远；如果识别到的双环标识图案的两环形区域的中心像素间距dpiMl不小于给定阈值dT1同时小于给定阈值dT2时，表明所述移动机械臂的移动本体距所述目标物体较近；如果识别到的双环标识图案的两环形区域的中心像素间距dpiMl不小于给定阈值dT2时，表明所述目标物体在所述机械臂的可操作范围内。
[0008]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述抓取目标物体的方法包括如下步骤:步骤51、当所述移动机械臂的移动本体距所述目标物体较远时，所述机械臂的姿态保持不变，所述控制单元基于所述参照物上的双十字标识图案控制所述移动本体趋近目标物体；步骤
52、当所述移动机械臂的移动本体距所述目标物体较近时，所述控制单元控制所述移动本体以一给定的速度径直趋近所述目标物体，所述移动机械臂根据所述目标物体在图像中的中心点以及所述双环标识图案的两环形区域的中心像素间距进行所述机械臂的姿态调整；步骤S3、当所述目标物体在所述机械臂的可操作范围内时，所述移动本体停止运动，所述控制单元基于逆向运动学控制机械臂抓取目标物体。
[0009]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述步骤SI包括:步骤S11、所述控制单元基于所述图像撷取装置获取的所述参照物上的双十字标识图案提取双十字标识图案中各十字标识图案的中心，进而提取移动本体与双十字标识图案中心连线的水平方向和移动本体运动方向的夹角e ;步骤S12、将移动本体与双十字标识图案中心连线的水平方向和移动本体运动方向的夹角e以及e的变化率ec作为模糊控制器的输入，结合设定的e和ec的量化等级和隶属函数，对模糊控制器的输入进行模糊化；步骤S13、设定模糊控制器输出变量u的量化等级和隶属函数；步骤S14、设置模糊控制规则；步骤S15、进行模糊推理；步骤S16、采用重心法进行解模糊，将模糊控制量转为对应的精确控制量，该精确控制量乘以比例因子ku后作为最终输出量u ;步骤S17、基于模糊控制器的最终输出量U，根据两轮驱动的移动本体的运动学模型，在移动本体速度Vpl大小一定的前提下，求取左驱动轮的运动速度V1和右驱动轮的运动速度用于控制移动本体的运动方向，使其趋近目标物体。
[0010]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述步骤Sll包括:步骤S111、所述控制单元根据十字标识图案的中心点亮度较暗和中心对称特征，排除非目标的图像像素点，得到图像像素点集Ωρ1 ;步骤S112、控制单元对图像像素点集Ωρ1中的任意图像像素点P。，检测一个识别模板中标记为“ X ”的图像像素点，根据图像像素点P。的灰度值g (P。)和设定阈值Th对
该识别模板进行二值化
【权利要求】
1.一种使移动机械臂趋近并抓取目标物体的方法， 所述移动机械臂包括移动本体、机械臂和控制单元，所述机械臂包括三个连杆和一个末端抓手，所述机械臂通过腰关节角、肩关节角、肘关节角、腕关节的俯仰关节角和腕关节的旋转关节角实现机械臂姿态的调整，通过调节末端抓手关节角对目标物体进行操作；在所述机械臂的末端抓手的上方固定一个图像撷取装置； 所述目标物体为被双环标识图案环绕的有色圆柱，环绕有色圆柱的双环标识图案由不相邻的两同色环形区域上下排布而成，双环标识图案的两个环形区域的颜色与有色圆柱的颜色能够从视觉上相互区分，并且，所述目标物体放置于贴有双十字标识图案的参照物的上方；其特征在于: 所述移动机械臂的控制单元实时获取来自所述图像撷取装置的图像信息，对目标物体上的双环标识图案和参照物上的双十字标识图案进行识别，如果只识别到双十字标识图案或者识别到的双环标识图案的两环形区域的中心像素间距Clpixel小于一个给定阈值dT1时，表明所述移动机械臂的移动本体距所述目标物体较远；如果识别到的双环标识图案的两环形区域的中心像素间距dpiMl不小于给定阈值dT1同时小于给定阈值dT2时，表明所述移动机械臂的移动本体距所述目标物体较近；如果识别到的双环标识图案的两环形区域的中心像素间距dpiMl不小于给定阈值dT2时，表明所述目标物体在所述机械臂的可操作范围内。
2.如权利要求1所述的使移动机械臂趋近并抓取目标物体的方法，其特征在于，所述抓取目标物体的方法包括如下步骤: 步骤S1、当所述移动机械臂的移动本体距所述目标物体较远时，所述机械臂的姿态保持不变，所述控制单元基于所述参照物上的双十字标识图案控制所述移动本体趋近目标物体； 步骤S2、当所述移动机械臂的移动本体距所述目标物体较近时，所述控制单元控制所述移动本体以一给定的速度径直趋近所述目标物体，所述移动机械臂根据所述目标物体在图像中的中心点以及所述双环标识·图案的两环形区域的中心像素间距进行所述机械臂的姿态调整； 步骤S3、当所述目标物体在所述机械臂的可操作范围内时，所述移动本体停止运动，所述控制单元基于逆向运动学控制机械臂抓取目标物体。
3.如权利要求2所述的使移动机械臂趋近并抓取目标物体的方法，其特征在于，所述步骤SI包括: 步骤S11、所述控制单元基于所述图像撷取装置获取的所述参照物上的双十字标识图案提取双十字标识图案中各十字标识图案的中心，进而提取移动本体与双十字标识图案中心连线的水平方向和移动本体运动方向的夹角e ； 步骤S12、将移动本体与双十字标识图案中心连线的水平方向和移动本体运动方向的夹角e以及e的变化率ec作为模糊控制器的输入，结合设定的e和ec的量化等级和隶属函数，对模糊控制器的输入进行模糊化； 步骤S13、设定模糊控制器输出变量u的量化等级和隶属函数； 步骤S14、设置模糊控制规则； 步骤S15、进行模糊推理； 步骤S16、采用重心法进行解模糊，将模糊控制量转为对应的精确控制量，该精确控制量乘以比例因子ku后作为最终输出量U ; 步骤S17、基于模糊控制器的最终输出量U，根据两轮驱动的移动本体的运动学模型，在移动本体速度Vpl大小一定的前提下，求取左驱动轮的运动速度V1和右驱动轮的运动速度用于控制移动本体的运动方向，使其趋近目标物体。重复权利要求书3.如权利要求2所述的使移动机械臂趋近并抓取目标物体的方法，其特征在于，所述步骤Sll包括: 步骤S111、所述控制单元根据十字标识图案的中心点亮度较暗和中心对称特征，排除非目标的图像像素点，得到图像像素点集Ωρ1 ； 步骤S112、所述控制单元对图像像素点集Ωρ1中的任意图像像素点ρ。，检测一个识别模板中标记为“ X ”的图像像素点，根据图像像素点P。的灰度值g(P。)和设定阈值Th对该
识别模板进行二值化
4.如权利要求1所述的使移动机械臂趋近并抓取目标物体的方法，其特征在于，所述步骤S2包括: 步骤S21、所述控制单元控制移动本体以一给定的速度径直趋近目标物体；移动本体以给定的速度Vp2向目标物体径直趋近，其中左驱动轮的运动速度V1 = Vp2，右驱动轮的运动速度\ = Vp2 ; 步骤S22、所述控制单元根据图像撷取装置获取的目标物体的视觉信息调整机械臂的姿态。
5.如权利要求4所述的使移动机械臂趋近并抓取目标物体的方法，其特征在于，所述步骤S22包括: 步骤S221、图像撷取装置提取目标物体的视觉信息； 步骤S222、控制单元计算目标物体相对于移动本体的位置信息； 步骤S223、控制单元根据目标物体在图像中的中心点以及双环标识图案的两环形区域的中心像素间距控制机械臂调整腰关节角和腕关节的俯仰关节角。
6. 如权利要求5所述的使移动机械臂趋近并抓取目标物体的方法，其特征在于，所述步骤S221为:根据颜色特征提取目标物体图像的ROI区域，获取ROI的中心点(u。，V。)，并将其作为目标物体在图像中的中心点；在1?01区域内从左到右逐列扫描，提取出双环标识图案的各环形区域，用均值法计算得到双环标识图案的两环形区域的中心像素间距dpiMl。
7.如权利要求5所述的使移动机械臂趋近并抓取目标物体的方法，其特征在于，所述步骤S222为: 根据双环标识图案的两环形区域的中心的实际间距D和小孔成像模型Dre=D*f/dpixel，确定目标物体相对于图像撷取装置的位置，Yck，ZqJ:
8.如权利要求5所述的使移动机械臂趋近并抓取目标物体的方法，其特征在于，在步骤S223中，所述机械臂的腰关节角进行如下调整:Λ Θ 5=atan2(X0E, Υ0Ε)-Θ 5 ;机械臂的腕关节的俯仰关节角进行如下调整:Δ Θ 3=atan2 (uc-u0, 2u0)。
9.如权利要求1所述的使移动机械臂趋近并抓取目标物体的方法，其特征在于，在步骤S3中，通过肩关节、肘关节、腕关节的俯仰关节和腰关节的运动以使得机械臂到达抓取位置；结合抓取时末端抓手关节水平的约束，即θ 1+ θ 2+ Θ 3=0,基于逆向运动学求解关节角:
【文档编号】B25J18/00GK103522305SQ201310520979
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月29日 优先权日:2013年10月29日
【发明者】曹志强, 焦继乐, 赵鹏, 周超, 谭民 申请人:中国科学院自动化研究所