基于手眼协调的移动机械手目标识别与趋近技术

摘要

移动机械手（Mobile Manipulator）系统是由一个或若干个机械手固定在一个移动平台上构成，机械手用来实现一些动作如抓取、操作等，这种结构使机械手拥有几乎无限大的工作空间和高度的运动冗余性,并同时具有移动和操作功能,这使它优于移动机器人和传统的机械手。移动机械手的目标识别与趋近是移动机械手在非结构环境下完成独立任务的重要组成部分，需要融合实时图像处理、机器人运动学、控制理论、计算机技术以及实时计算等多领域的知识，是计算机视觉研究前沿的一个重要分支。 本文在河北省自然基金项目“面向公共安全的移动机械手目标辨识与定位”（E2006000030）的支持下，以本实验室自主研制的HEBUT-Ⅱ型移动机械手为研究对象，通过对机械手运动学分析和手眼系统目标识别与定位研究，建立了适合该机械手的基于图像的无标定伺服控制模型，主要研究内容和取得的主要成果如下： 1．分析了由本实验室自行研制的HEBUT-Ⅱ型移动机械手的车体结构以及各种传感器，并对五自由度机械手进行了详细的运动学分析，用D-H 方法推导了机械手的正解、逆解及雅克比矩阵，为建立视觉伺服控制器提供了机械手的运动学信息。 2．在分析目标识别方法的基础上，选择模板匹配的方法作为移动机械手目标识别的主要方法，通过基于颜色相似性度量和形状相似性度量的方法实现了目标的模板匹配。同时使用NI公司的LabVIEW软件对DH-CG300 图像采集卡进行了开发，通过LabVIEW的视觉处理模块IMAQ 编制了模板匹配程序，实现了目标识别并提取了目标的质心坐标。 3．通过对图像雅可比矩阵的推导建立了HEBUT-Ⅱ型移动机械手的图像雅可比矩阵，然后使用Kalman 滤波的方法对该图像雅可比矩阵进行在线估计，并由此建立了手眼系统对静态目标定位和运动目标跟踪。通过MATLAB的机器人工具箱实现了HEBUT-Ⅱ型移动机械手基于图像的无标定视觉伺服仿真，证明了本文所设计的方法对目标的定位与运动跟踪能够获得良好的效果。