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機器人無標定視覺伺服系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2020年電子技術(shù)應用第6期

彭葉予光1，武東杰2

1.廈門雙瑞船舶涂料有限公司，福建廈門361101；2.廈門大學航空航天學院，福建廈門361102

摘要： 為了實現(xiàn)手眼關(guān)系無標定情況下的機械臂末端定位，針對單目手眼系統(tǒng)，設計并實現(xiàn)了一個基于圖像的無標定視覺伺服系統(tǒng)。進行模塊化的系統(tǒng)設計，使用卡爾曼濾波器在線估計關(guān)節(jié)-圖像雅可比矩陣，根據(jù)關(guān)節(jié)-圖像速度數(shù)學模型設計圖像視覺伺服控制器，利用C++多線程技術(shù)開發(fā)各個并行算法模塊，實現(xiàn)了在手眼關(guān)系完全無標定情況下機械臂末端的高精度定位。實驗表明，該系統(tǒng)的定位精度為0.1像素。

關(guān)鍵詞： 無標定視覺伺服關(guān)節(jié)空間卡爾曼濾波機械臂末端定位

中圖分類號： TN108.4
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191114
中文引用格式： 彭葉予光，武東杰. 機器人無標定視覺伺服系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應用，2020，46(6)：77-81.
英文引用格式： Peng Yeyuguang，Wu Dongjie. Design and implementation of robot uncalibrated visual servoing system[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(6)：77-81.

Design and implementation of robot uncalibrated visual servoing system

Peng Yeyuguang1，Wu Dongjie2

1.Xiamen Shuangrui Ship Coatings Co.，Ltd.，Xiamen 361101，China； 2.School of Aerospace Engineering，Xiamen University，Xiamen 361102，China

Abstract： To realize the end positioning of the manipulator with the hand-eye relationship uncalibrated, an image-based uncalibrated visual servoing system is designed and implemented for the monocular hand-eye system. The paper performs modular system design, uses the Kalman filter to estimate the joint-image Jacobian matrix online, designs the visual servoing controller according to the joint-image velocity mathematical model, and develops each parallel algorithm module by C++ multi-threading technology, which realizes the complete high-precision positioning of the arm end without calibration. Experiments show that the positioning accuracy of the system is 0.1 pixels.

Key words : visual servoing without calibration；joint space；Kalman filter；arm end positioning

0 引言

傳統(tǒng)應用中，機械臂手眼系統(tǒng)對目標物體的操作都是基于標定過程完成的，標定工作包括：相機內(nèi)參數(shù)標定^[1]、機器人運動學參數(shù)標定和手眼關(guān)系標定^[2-4]。但標定具有一些明顯缺點^[5-6]，例如：(1)高溫、強輻射等條件下無法進行標定；(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變，標定參數(shù)會發(fā)生變化，需要定期進行再標定；(3)標定過程繁復，需要專業(yè)的人員和設備，標定成本較高。這些標定工作嚴重限制了智能機器人的發(fā)展和進步，因此研究人員開始深入研究無標定視覺伺服，例如使用神經(jīng)網(wǎng)絡來擬合手眼關(guān)系，基于卡爾曼濾波估計雅可比矩陣、基于ADRC的無標定視覺伺服控制等^[3]。

無標定視覺伺服(UVS)是在沒有預先進行手眼關(guān)系標定的情況下，利用視覺反饋的信號形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，引導機器人運動完成相關(guān)任務的技術(shù)^[2]。根據(jù)視覺系統(tǒng)反饋信號是純圖像信息還是估計出的位置，UVS可分為基于圖像的無標定視覺伺服(IBUVS)和基于位置的無標定視覺伺服(PBUVS)^[7]。相較于PBUVS，IBUVS不需要相機參數(shù)，可以實現(xiàn)完全的無標定視覺伺服控制，使手眼系統(tǒng)具有更高的靈活性和智能性^[8-9]。

本文擬采用IBUVS控制方案實現(xiàn)完全無標定的機械臂末端定位操作，從系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)設計、關(guān)節(jié)-圖像雅可比矩陣估計算法設計、控制器算法設計三方面展開論述，最后通過實驗說明該系統(tǒng)設計的有效性和可行性。

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作者信息:

彭葉予光1，武東杰2

(1.廈門雙瑞船舶涂料有限公司，福建廈門361101；2.廈門大學航空航天學院，福建廈門361102)

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