服务机器人机械系统的设计与实现

服务机器人手眼协调仿生控制研究

以自主研发的服务机器人为研究对象，深入研究了服务机器人的目标识别与定位，静态目标抓取及动态目标跟踪的手眼协调仿生控制内容。

1介绍了基于立体视觉的轻量化手臂的轮式全向移动服务机器人架构。采用三目立体视觉系统，代码开放的模块化关节型手臂，全向轮式移动机构以及工业PC控制器。

2在服务机器人目标识别方面，研究了contourlet变化域隐马尔可夫树模型的方向多尺度图像边缘特征提取算法，以及改进的归一化互相关特征匹配算法。算法提取相比其他的一些方法，优势在于提取方向信息，细节信息的能力很强，特别适合于圆形，椭圆形，不规则形状等具有多方向性图案或物体的识别。

3目标位置测量方面，基于人眼双目立体视觉成像机理，利用对极约束原理和双目立体视觉成像系统模型，分析立体匹配算法，提出了立体匹配及误匹配提出算法

4静态目标物体抓取方面，分析人体手眼协调最优轨迹的运动机理，给出了人体手眼协调运动的数学模型，对抓取路径，进行仿生运动规划

5动态目标跟踪方面，进行仿生运动规划，使得手臂沿最优路径

服务机器人双臂协作技术研究及实现

探索双臂写作的运动及控制机理，实现双臂的拟人协调操作。研究内容主要包括双臂运动学及标定，双臂协调运动规划，双臂拟人动作规划及双臂写作petri网建模四方面内容

1建立具有轻量化与系统开放性特点的服务机器人双臂系统，针对普通工业机器人手臂重量比较大与控制系统封闭，不适合用于服务机器人手臂的缺点，采用代码开放的模块化关节构成服务机器人的双臂系统，机器人的整体质量大大减轻。在完成了双臂硬件系统连接的基础上，根据关节功能模块化的特点，设计了双臂分布式控制的软件系统方案。

2从易于理解和实时性角度出发，完成了双臂运动学演算，采用相对误差的方法，对双臂进行了运动学标定。运用DH法描述了机器人双臂的结构参数，得到了双臂的正运动学方程；在逆运动学求解过程中，针对纯代数法不易查找独立不相关变量方程的缺点，采用几何方法求解手臂前三个关节，后三个关节使用代数法求解。编制给予visualc++的算法验证程序，验证了算法的正确性及实时性。建立了相对误差的运动学标定模型，利用激光跟踪仪对双臂进行了标定，提高了手臂的定位精度。

3完成了单个机器人手臂的轨迹规划，深入分析了双臂四种协调运动的约束关系。对于机器人手臂关节空间，采用LSPB插值方法进行轨迹规划；笛卡尔空间采用直线插补与圆弧插补的方式进行了规划，而为了使旋转运动更加均匀，对于手臂姿态则运用四元法进行插值。双臂与所持物体形成一封闭的运动学链，针对双臂搬运刚体，持钳运动，操作球铰物体与螺栓装配四种协调运动进行了深入探讨。采用主从跟随控制方式，由主臂初始状态和运行条件，

求得从臂运动速度，以完成双臂的协调运动，对于机器人单臂与双臂运动规划都进行了指令化，并编写示教软件实现了对机器人手臂的运动控制。

4从神经学生理学角度出发，对服务机器人双臂进行了姿态类人优化设计，建立了双臂拟人姿态的数学模型。为了使机器人双臂能够产生类人动作，首先分析了人体手臂结构，自由度及运动机理，然后结合神经生理学的研究成果与服务机器人双臂的特点，优化了双臂的初始姿态，在对人体手臂感知运动转换模拟修正的基础上，得到了服务机器人双臂产生拟人姿态的教学模型。

5建立了单臂和双臂任务操作的petri网模型，并分析了其基本性能，设计了基于此模型的内核和双臂协调操作的控制结构。根据手臂操作任务的特点，对双臂操作进行了分类，即协调操作任务和非协调操作任务，建立了单臂和双臂任务操作的petri网模型，采用可达图的方法对模型进行了分析，得出了双臂协作网络模型是有界的，活的和守恒的结论，以此模型对服务机器人双臂任务操作的协调层，研发了双臂协作的分层递阶控制系统架构。

6为了验证所提出算法及方法的有效性，进行了一系列的功能和性能试验，测试了服务机器人双臂系统的可靠性及软件的稳定性，对实验结果进行了分析，并指出了不足。

服务机器人智能空间中机器视觉测量技术机器应用研究

本文主要针对智能空间中的机器视觉测量技术及其应用进行了研究，主要内容如下：

1研究了世界平面单应矩阵和世界平面诱导的单应矩阵的计算及分解问题，这两种矩阵的分解是由2D图像信息恢复摄像机相对位姿和景物结构的有效途径。首先从schur补的相关性质出发，给出了两种稀疏L-M迭代优化方法，并分别利用DLT方法和L-M迭代法对两种单应进行了计算；然后从单幅图像和多幅图像恢复了摄像机的内参矩阵和摄像机坐标系相对景物平面固联坐标系的位姿，针对世界平面诱导的单应，提出了一种基于SVD的单位矩阵数值分解算法，利用这种算法可通过单应矩阵分解得到两组摄像机位姿和景物结构的物理可实现解。同时给出了景物结构已知情况下的单应矩阵分解算法，利用这种算法可直接得到唯一的摄像机相对位姿；最后推到了齐次图像坐标下的图像矩特征和齐次射影坐标下的图像矩阵特征间的转换关系，证明了两视图在2D仿射变化下其归一化图像几何中心矩为绝对对称逆变张量，并利用这一论断给出了一种全新的2D仿射单应的计算方法。

2研究了服务机器人智能空间中的分布式摄像机系统对运动目标进行了定位的问题。首先令机器人做几组已知的运动，并提取出对应的图像点，利用地面所在世界平面的单应分解方法对分布式摄像机的内外参数进行了标定；然后根据摄像机标定结果，设计了实现起来简单快速，但存在运动目标远离摄像机时精度下降缺点的运动目标单摄像机定位算法；最后引入了双目摄像机运动目标定位算法，针对利用简单的线性三角形发进行定位存在求得的运动目标点不在地面的缺点，进一步给出了带约束的线性三角形定位法，并为了进一步提高定位精度，最终采用了LM算法对检测到的运动目标的图像点进行优化，利用精化后的图像点和带约束的线性三角形法完成了运动目标的双目定位。

3研究了基于顶棚激光投影遁迹的室内服务机器人导航方法。首先建立了投影器的运动学模型，根据模型可以建立投影器各关节角位移，角速度和激光斑在地面的位移，速度间的非线性映射关系，同时为了将世界坐标系中的规划路径转换到投影器基坐标中，提出了一种新的投影器外参数标定方法，完成了投影器的外参数投定，这样就可以使顶棚投影器在地面上投

射出规划好的路径；然后将移动机器人抽象为一个三自由度机械臂，建立了它的运动学模型并采用了一种基于世界平面分解的简单有效的方法标定了机载摄像机的内外参数，同时计算出了以机载摄像机坐标系为参考坐标系的地面所在的世界平面；最后分别设计了自适应补偿跟踪控制律和非线性状态反馈控制律来控制机器人完成对运动激光斑的视觉伺服跟踪。

4研究了服务机器人对QR Code人工地标这种智能空间中知识分布与智能分布的重要载体的定位与识别问题。首先按照功能将QR Code人工地标分为了用于全局语义地图生成的QR Code人工物标和面向局部导航地图生成的QR Code人工路标，并分别对两种地标的外围模式和内部信息编码方式进行了设计；然后分别利用QR Code外围模式的蓝色矩形框和红色同心圆部分给出了两种人工地标的定位方法；最后就求得的人工地标的位置信息构造了任务函数，并设计了基于位置的视觉伺服识别控制律，完成了服务机器人对人工地标的识别。

5研究了搭载有机械臂的服务机器人对家庭环境智能空间中物品的搜寻与抓取，搬运操作。首先设计了辅助服务机器人抓取操作的人工物标，并对人工物标内的信息进行了编码，将对家庭物品的识别转换对人工物标的识别，降低了服务机器人对家庭物品的操作难度；然后将搭载有机械臂的移动服务机器人抽象为一个广义机械臂，并为了完成此广义机械臂的统一控制，建立了广义机械臂的运动学模型，并分别利用解析法和数值法给出了其运动学逆解，同时提出了一种全新的机械臂手眼关系标定方法，这种发放通过令固联于机械臂末端执行器上的摄像机观测简单2D标定物，然后机械臂做两组任意运动，完成了手眼参数标定；最后考虑移动机器人运动的非完整性约束，设计了一种物品抓取的切换控制律：首先在眼睛注视的约束下逼近待操作物品，逼近到一定程度后再利用单应分解加已知摄像机摄动来求取当前摄像机坐标系相对期望摄像机坐标系的位姿信息并切换到基于位置的look then doing视觉伺服控制方式，完成物品的抓取操作。

智能空间，视觉伺服，机器视觉测量技术，QR Code，主动摄像机标定，多视图几何