《電子技術(shù)應(yīng)用》
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機(jī)器人無標(biāo)定視覺伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2020年電子技術(shù)應(yīng)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(xué) 航空航天學(xué)院，福建 廈門361102
摘要： 為了實(shí)現(xiàn)手眼關(guān)系無標(biāo)定情況下的機(jī)械臂末端定位，針對單目手眼系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個基于圖像的無標(biāo)定視覺伺服系統(tǒng)。進(jìn)行模塊化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使用卡爾曼濾波器在線估計(jì)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(xué)模型設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了在手眼關(guān)系完全無標(biāo)定情況下機(jī)械臂末端的高精度定位。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)的定位精度為0.1像素。
中圖分類號： TN108.4
文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)器人無標(biāo)定視覺伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)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(yīng)用中，機(jī)械臂手眼系統(tǒng)對目標(biāo)物體的操作都是基于標(biāo)定過程完成的，標(biāo)定工作包括：相機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定[1]、機(jī)器人運(yùn)動學(xué)參數(shù)標(biāo)定和手眼關(guān)系標(biāo)定[2-4]。但標(biāo)定具有一些明顯缺點(diǎn)[5-6]，例如：(1)高溫、強(qiáng)輻射等條件下無法進(jìn)行標(biāo)定；(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變，標(biāo)定參數(shù)會發(fā)生變化，需要定期進(jìn)行再標(biāo)定；(3)標(biāo)定過程繁復(fù)，需要專業(yè)的人員和設(shè)備，標(biāo)定成本較高。這些標(biāo)定工作嚴(yán)重限制了智能機(jī)器人的發(fā)展和進(jìn)步，因此研究人員開始深入研究無標(biāo)定視覺伺服，例如使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來擬合手眼關(guān)系，基于卡爾曼濾波估計(jì)雅可比矩陣、基于ADRC的無標(biāo)定視覺伺服控制等[3]。

    無標(biāo)定視覺伺服(UVS)是在沒有預(yù)先進(jìn)行手眼關(guān)系標(biāo)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(dǎo)機(jī)器人運(yùn)動完成相關(guān)任務(wù)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(jì)出的位置，UVS可分為基于圖像的無標(biāo)定視覺伺服(IBUVS)和基于位置的無標(biāo)定視覺伺服(PBUVS)[7]。相較于PBUVS，IBUVS不需要相機(jī)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)完全的無標(biāo)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(shí)現(xiàn)完全無標(biāo)定的機(jī)械臂末端定位操作，從系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)節(jié)-圖像雅可比矩陣估計(jì)算法設(shè)計(jì)、控制器算法設(shè)計(jì)三方面展開論述，最后通過實(shí)驗(yàn)說明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xué) 航空航天學(xué)院，福建 廈門361102)

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