摘 要：在機(jī)械手執(zhí)行任務(wù)的過程中，控制機(jī)械手定位到目標(biāo)位置是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。本文提出了一種基于雙目立體視覺的機(jī)械手自動(dòng)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，由雙目立體視覺系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)物的二維圖像計(jì)算出目標(biāo)物的三維坐標(biāo)，然后根據(jù)此三維坐標(biāo)去控制機(jī)械手自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)能提高排爆機(jī)器人機(jī)械手的易操作性，大大提高了機(jī)械手的性能。 關(guān)鍵詞：雙目立體視覺, 標(biāo)定, 運(yùn)動(dòng)控制 [b][align=center]The target positioning system of a manipulator based on binocular stereo vision Wang Wei , LuoFei, Jiang Liangzhong, Qi Hengnian[/align][/b] Abstract: Target Positioning is very important for a manipulator, which implies to control the manipulator moving to the position of a target. This paper proposes the design of an automatically target positioning system based on binocular stereo vision technical, where the 3D coordinate of a target is acquired through the binocular stereo vision subsystem, then the manipulator will be controlled to perform automatically target positioning according to the 3D coordinate acquired. The experiment result showed that this system have extended the ability of a manipulator greatly. Key Words: Binocular stereo vision, Camera calibration, Motion control 　　機(jī)器人技術(shù)是涉及機(jī)械學(xué)、傳感器技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的一門綜合性高新技術(shù)， 既是光機(jī)電一體化的重要基礎(chǔ)， 又是光機(jī)電一體化技術(shù)的典型代表， 它是多學(xué)科科技革命的必然結(jié)果。 近年來， 隨著機(jī)器人研究的不斷發(fā)展， 機(jī)器人技術(shù)開始源源不斷地向人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域滲透， 結(jié)合這些領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)， 各種各樣的具有不同功能的機(jī)器人被研制出來，并且在不同的應(yīng)用領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。例如，美國Wolstenholme 機(jī)器公司生產(chǎn)的MR5和MR7排爆機(jī)器人，能用于戶內(nèi)及戶外環(huán)境、適應(yīng)各種地形活動(dòng)，完成排爆功能，已被美國軍方廣泛使用。 排爆機(jī)器人是特種機(jī)器人的一種，主要用于在事發(fā)現(xiàn)場排除處理爆炸物及其他危險(xiǎn)物品。 排爆機(jī)器人的多功能機(jī)械手，作為排爆機(jī)器人的完成抓取任務(wù)的主要執(zhí)行器，應(yīng)能完成包括抓取爆炸物在內(nèi)的一系列任務(wù)，對(duì)于排爆機(jī)器人來講尤為重要。 排爆是一個(gè)充滿變化而復(fù)雜的過程，在排爆機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的過程中， 最關(guān)鍵的一步就是控制機(jī)器人的多功能機(jī)械手去抓取目標(biāo)物，即控制機(jī)械手精確的定位到目標(biāo)物位置，完成抓取動(dòng)作。 目前世界上已投入使用的排爆機(jī)器人，在工作方式上， 都需要一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的操作員，對(duì)機(jī)械手進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)控制，達(dá)到機(jī)械手精確定位的目的。這種工作方式，一方面對(duì)操作員的要求非常高，另一方面，手動(dòng)控制也很難達(dá)到很高的精度。因此，若能通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的自動(dòng)精確定位，而不需要去手動(dòng)控制機(jī)械手的各個(gè)關(guān)節(jié)，將會(huì)在很大程度上提高排爆機(jī)器人的性能。 　　本文詳細(xì)描述了基于雙目立體視覺的排爆機(jī)器人的多功能機(jī)械手自動(dòng)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 　　該系統(tǒng)首先由雙目立體視覺技術(shù)計(jì)算出目標(biāo)物在視覺坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)， 并將該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到機(jī)器人坐標(biāo)系， 然后根據(jù)該坐標(biāo)控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位。本文對(duì)該機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和雙目立體視覺子系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的描述。最后進(jìn)行了實(shí)際的抓取實(shí)驗(yàn)，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。 1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　　該排爆機(jī)器人的主要功能部件為一輛能被遠(yuǎn)程操控的運(yùn)動(dòng)小車和一個(gè)多關(guān)節(jié)多功能機(jī)械手。該機(jī)器人的裝配示意圖見圖1所示。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)裝配示意圖 圖2 系統(tǒng)裝配示意圖[/align] 　　在排爆機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的過程中，該小車將會(huì)被遙控到危險(xiǎn)物所在的環(huán)境中，使危險(xiǎn)目標(biāo)物處于機(jī)械手的工作空間中，機(jī)械手便可以開始工作，完成抓取目標(biāo)的任務(wù)。該機(jī)械手的設(shè)計(jì)仿照人類手臂的構(gòu)造，總共有六個(gè)自由度，包括腰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，肩轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，肘轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，腕轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，手爪旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與手爪開閉關(guān)節(jié)。這種多自由度的設(shè)計(jì)使得機(jī)械手具有較大的靈活度，以適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境的要求。 　　兩個(gè)攝像頭被安裝在機(jī)械手小臂上，用來充當(dāng)雙目立體視覺系統(tǒng)的雙目。為實(shí)現(xiàn)機(jī)械手目標(biāo)自動(dòng)定位的功能，除了在現(xiàn)場工作的該機(jī)器人本體之外，還需要一臺(tái)不在現(xiàn)場的后臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行支持。兩攝像頭將攝取的目標(biāo)物的圖像傳遞到后臺(tái)計(jì)算機(jī)，后臺(tái)計(jì)算機(jī)上的立體視覺子系統(tǒng)通過該兩幅二維圖像，計(jì)算出目標(biāo)物在攝像頭坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，將其轉(zhuǎn)換為在機(jī)器人坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，并將其傳給機(jī)器人本體上的嵌入式計(jì)算機(jī)，并由該嵌入式計(jì)算機(jī)完成手臂的運(yùn)動(dòng)控制，控制手臂運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)物位置，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)目標(biāo)定位的功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。 2、雙目立體視覺子系統(tǒng) 　　雙目立體視覺是指用兩臺(tái)性能相當(dāng)、位置固定的CCD攝像機(jī)， 獲取同一景物的兩幅圖像，通過兩個(gè)攝像頭所獲取的二維圖像，來計(jì)算出景物的三維信息。在原理上比較類似人類的雙目視覺。組建一個(gè)完整的雙目立體視覺系統(tǒng)一般需要經(jīng)過攝像機(jī)標(biāo)定，圖像匹配，深度計(jì)算等步驟。 　　2.1 攝像機(jī)標(biāo)定 　　在攝像機(jī)成像過程中，物體成像在圖像上的位置與空間中該物體表面相應(yīng)點(diǎn)的幾何位置有關(guān)，這些位置的相互關(guān)系，由攝像槍成像幾何模型所決定，該幾何模型的參數(shù)稱為攝像機(jī)參數(shù)。這些參數(shù)必須由試驗(yàn)和計(jì)算決定，試驗(yàn)和計(jì)算的過程稱為攝像槍標(biāo)定。一般，攝像機(jī)的成像模型可用以下函數(shù)關(guān)系來描述： 　　其中I[sub]left[/sub]，I[sub]right[/sub]， 分別為目標(biāo)的左，右圖像坐標(biāo)，C[sub]left[/sub]，C[sub]right[/sub]則為目標(biāo)分別在左攝像機(jī)坐標(biāo)系和右攝像機(jī)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，而函數(shù)H[sub]left[/sub]與H[sub]right[/sub]則代表了左攝像機(jī)和右攝像機(jī)的成像模型。利用張氏平面法可以方便的對(duì)H[sub]left[/sub]與H[sub]right[/sub]進(jìn)行估計(jì)。 　　在分別對(duì)左右攝像頭進(jìn)行標(biāo)定后，還需對(duì)該雙目立體視覺系統(tǒng)進(jìn)行立體標(biāo)定，目標(biāo)是得到兩攝像頭之間的相對(duì)位置關(guān)系，由旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T來描述。 　　若得到多個(gè)空間點(diǎn)的C[sub]left[/sub]，C[sub]right[/sub]數(shù)據(jù)，則可以通過最小二乘法得到旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T的估計(jì)值。 該雙目立體視覺系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果如圖3所示。 [align=center] 圖3 標(biāo)定結(jié)果 [/align] 　　2.2 深度計(jì)算 　　當(dāng)進(jìn)行了單攝像頭標(biāo)定和立體標(biāo)定之后，該雙目立體視覺系統(tǒng)的模型被建立起來，兩攝像頭的二維圖像坐標(biāo)與空間三維坐標(biāo)之間有以下關(guān)系： 　　 　　若得到空間任一點(diǎn)分別在兩攝像頭成像中的圖像坐標(biāo)I[sub]left[/sub]，I[sub]right[/sub]，則可以通過解上述方程得到該空間點(diǎn)在左攝像機(jī)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)C[sub]left[/sub]，同理，也可得到其在右攝像機(jī)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)C[sub]right[/sub]。同一點(diǎn)的兩圖像坐標(biāo)則由圖像匹配過程獲得。 3、嵌入式控制子系統(tǒng) 　　位于機(jī)器人本體上的嵌入式計(jì)算機(jī)用于對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。包括手臂的整體運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與各關(guān)節(jié)直流電機(jī)的位置控制。當(dāng)嵌入式計(jì)算機(jī)收到后臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)來的目標(biāo)物的三維坐標(biāo)后，便會(huì)根據(jù)該三維坐標(biāo)對(duì)手臂各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃，并實(shí)施底層的電機(jī)位置控制。如圖4所示。 [align=center] 圖4 嵌入式控制子系統(tǒng)[/align] 　　該嵌入式控制系統(tǒng)硬件上采用了PC104嵌入式計(jì)算機(jī), 軟件上采用The Mathworks 公司的xPC內(nèi)核。 4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 　　將一目標(biāo)物置于機(jī)械手的工作范圍內(nèi)，利用本系統(tǒng)實(shí)施自動(dòng)抓取實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，先手動(dòng)控制機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)，使得可以通過兩攝像頭觀察到目標(biāo)物，然后啟動(dòng)雙目立體視覺系統(tǒng)，通過兩攝像頭所攝得的目標(biāo)物的圖像計(jì)算目標(biāo)物的三維坐標(biāo)，再將三維坐標(biāo)傳給機(jī)器人本體上的嵌入式計(jì)算機(jī)，由其控制手臂自動(dòng)定位到目標(biāo)物位置，實(shí)施抓取。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如右表所示，實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以獲得較高的定位精度。 5 結(jié)論 　　目前投入使用的排爆機(jī)器人在實(shí)際排爆過程中都需要對(duì)機(jī)械手的各關(guān)節(jié)實(shí)施手動(dòng)控制，以完成目標(biāo)定位，進(jìn)而抓取目標(biāo)的功能。這種操作方式一方面對(duì)操作員的要求非常搞，另一方面也很難達(dá)到較高的定位精度?；陔p目立體視覺技術(shù)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的自動(dòng)定位控制，則可以克服傳統(tǒng)的手動(dòng)操作方式的缺點(diǎn)，提高排爆機(jī)器人的性能與易操作性。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)： 　　通過雙目立體視覺技術(shù)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的自動(dòng)定位控制，即利用兩攝像頭拍攝的目標(biāo)物的二維圖像坐標(biāo)，計(jì)算出目標(biāo)物的三維坐標(biāo)，然后根據(jù)根據(jù)此三維坐標(biāo)對(duì)機(jī)械手的個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)施控制，達(dá)到自動(dòng)定位的目的。該方式提高了排爆機(jī)器人的易操作性和精確程度，提高了排爆機(jī)器人的性能，有望在實(shí)戰(zhàn)中獲得應(yīng)用。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 許永錫,等. 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