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机器人无标定视觉伺服系统设计与实现
2020年电子技术应用第6期
彭叶予光1,武东杰2
1.厦门双瑞船舶涂料快乐赛车,福建 厦门361101;2.厦门大学 航空航天学院,福建 厦门361102
摘要: 为了实现手眼关系无标定情况下的机械臂末端定位,针对单目手眼系统,设计并实现了一个基于图像的无标定视觉伺服系统。进行模块化的系统设计,使用卡尔曼滤波器在线估计关节-图像雅可比矩阵,根据关节-图像速度数学模型设计图像视觉伺服控制器,利用C++多线程技术开发各个并行算法模块,实现了在手眼关系完全无标定情况下机械臂末端的高精度定位。实验表明,该系统的定位精度为0.1像素。
中图分类号: TN108.4
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.191114
中文引用格式: 彭叶予光,武东杰. 机器人无标定视觉伺服系统设计与实现[J].电子技术应用,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

    传统应用中,机械臂手眼系统对目标物体的操作都是基于标定过程完成的,标定工作包括:相机内参数标定[1]、机器人运动学参数标定和手眼关系标定[2-4]。但标定具有一些明显缺点[5-6],例如:(1)高温、强辐射等条件下无法进行标定;(2)系统结构改变,标定参数会发生变化,需要定期进行再标定;(3)标定过程繁复,需要专业的人员和设备,标定成本较高。这些标定工作严重限制了智能机器人的发展和进步,因此研究人员开始深入研究无标定视觉伺服,例如使用神经网络来拟合手眼关系,基于卡尔曼滤波估计雅可比矩阵、基于ADRC的无标定视觉伺服控制等[3]

    无标定视觉伺服(UVS)是在没有预先进行手眼关系标定的情况下,利用视觉反馈的信号形成闭环控制系统,引导机器人运动完成相关任务的技术[2]。根据视觉系统反馈信号是纯图像信息还是估计出的位置,UVS可分为基于图像的无标定视觉伺服(IBUVS)和基于位置的无标定视觉伺服(PBUVS)[7]。相较于PBUVS,IBUVS不需要相机参数,可以实现完全的无标定视觉伺服控制,使手眼系统具有更高的灵活性和智能性[8-9]

    本文拟采用IBUVS控制方案实现完全无标定的机械臂末端定位操作,从系统软硬件结构设计、关节-图像雅可比矩阵估计算法设计、控制器算法设计三方面展开论述,最后通过实验说明该系统设计的有效性和可行性。




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作者信息:

彭叶予光1,武东杰2

(1。厦门双瑞船舶涂料快乐赛车,福建 厦门361101;2。厦门大学 航空航天学院,福建 厦门361102)

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