基于圖像的SCARA機(jī)器人的視覺(jué)伺服系統(tǒng)仿真.pdf

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1、基于圖像的SCARA機(jī)器人的視覺(jué)伺服系統(tǒng)仿真白龍，杜向黨，張宇，賀天鵬(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安710072)SimulationofVisualServoSystemofSCARARobotBasedonImagePlaneBAILong，DUXiang—dang，ZHANGYu，HETian—peng(SchoolofMarineEngineering，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710072，China)摘要：研究一種無(wú)標(biāo)定視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)，基于的視覺(jué)伺服結(jié)構(gòu)[2]，其誤差信號(hào)直接用圖像特征

2、來(lái)機(jī)器人仿真工具箱和視覺(jué)仿真工具箱，在Matlab／定義，直接利用圖像特征變化進(jìn)行視覺(jué)信息反饋，由Simulink環(huán)境下，建立SCARA機(jī)器人的air—in—圖像特征誤差信號(hào)計(jì)算出控制量，并將其變換到機(jī)hand視覺(jué)伺服系統(tǒng)的Simulink模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿器人運(yùn)動(dòng)空問(wèn)中去，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手向目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，完成伺真。服任務(wù)。該方法不需要估計(jì)目標(biāo)在笛卡爾坐標(biāo)系下關(guān)鍵詞：視覺(jué)伺服；無(wú)標(biāo)定；圖像；系統(tǒng)仿真；運(yùn)的位姿，減少了計(jì)算時(shí)間，并且對(duì)攝像機(jī)和機(jī)械臂的動(dòng)分析校準(zhǔn)誤差、目標(biāo)模型誤差具有較強(qiáng)的魯棒性，克服了中圖分類(lèi)號(hào)：TP24基于位置的伺服機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)?；趫D像的視覺(jué)伺服文獻(xiàn)標(biāo)

3、識(shí)碼：A系統(tǒng)的定位精度對(duì)攝像機(jī)標(biāo)定誤差不敏感，與基于文章編號(hào)：1001—2257(2012)10—0075—03位置的視覺(jué)伺服相比具有較少的計(jì)算量。因此，采Abstract：Thispaperstudiesauncalibratedvis—用基于圖像的視覺(jué)伺服方法，建立了SCARA機(jī)器ualservocontrolsystem．Thisvisualservoingsim—人視覺(jué)伺服系統(tǒng)的仿真模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。ulationmodelforSCARArobotwasestablishedu—singimage—method．Thissimulationsc

4、hemebased1無(wú)標(biāo)定視覺(jué)伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型onroboticstoolboxandmachinevisontoolboxwas基于圖像的無(wú)標(biāo)定視覺(jué)伺服[3模型由2個(gè)閉環(huán)builtwithsub—systemandworksunderMatlab／構(gòu)成，外環(huán)為圖像特征閉環(huán)，內(nèi)環(huán)為關(guān)節(jié)環(huán)和速度Simulinksituation．環(huán)，控制系統(tǒng)原理如圖1所示。視覺(jué)反饋為目標(biāo)的Keywords：visualservoing；uncalibrated；im—當(dāng)前圖像特征，由圖像采集和特征差來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)器人age；systemsimulation；motionanal

5、ysis的運(yùn)動(dòng)調(diào)整策略，并以其輸出作為圖像雅可比矩陣的輸入。0引言基于圖像的機(jī)器人無(wú)標(biāo)定視覺(jué)伺服系統(tǒng)依賴(lài)于系統(tǒng)建模和特征辨識(shí)，采用基于圖像雅克比矩陣[4]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于的方法得到反映圖像特征變化量與機(jī)械手位姿變化眾多行業(yè)，將人們從簡(jiǎn)單重復(fù)的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)，尤其在像高溫、有毒、粉塵和腐蝕等惡劣的工作環(huán)境中替代人的部分或全部操作。機(jī)器人的應(yīng)用，極大地提高生產(chǎn)效率，同時(shí)能夠很好地保證產(chǎn)品的加工精度和質(zhì)量。但是，傳統(tǒng)的基于位置的視覺(jué)伺服控制方式￡1]，其控制精度很大程度上依賴(lài)于目標(biāo)位姿的估計(jì)精度，與手眼系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定緊密相關(guān)，在實(shí)際系統(tǒng)

6、中保證該精度十分困難。而基于圖像特征???旦，征里?收稿日期：2012一O5—29圖1基于圖像的視覺(jué)伺服模型《機(jī)械與電子~2012(1O)●SCARA機(jī)器人之間的映射關(guān)系，從而建立從關(guān)節(jié)空間到圖像特征空間的直接映射。設(shè)，∈R為圖像特征參數(shù)矢量，r∈R為機(jī)械手位姿空間的坐標(biāo)參數(shù)，則有，一l，(r)·(1)Of1OflaraJ—(2)OfmOfm3r1OrJ∈R”為圖像雅克比矩陣對(duì)于控制量輸入是關(guān)節(jié)速度的系數(shù)，建立如下微分關(guān)系，即P=J(r)·(3)圖2基于SCARA機(jī)器人的視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)3r13rl覺(jué)伺服控制算法的圖像特征，即3q13qp’：Ix1，Y1；

7、z2，Y2；z3，Y3；z4，Y4](7)J，一(4)2．2視覺(jué)控制算法3r3r3qlaq系統(tǒng)采用工程中應(yīng)用廣泛的PID控制算法，簡(jiǎn)∈R為P自由度的機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度矢單有效，定義圖像上觀察到的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置為量；J，為機(jī)器人雅克比矩陣。(￡)，機(jī)器人末端位置為()，定義系統(tǒng)的圖像誤差由此，可以建立從圖像特征空間到機(jī)器人關(guān)節(jié)e(￡)一尸(f)一fk(￡)，同時(shí)定義機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制量U運(yùn)動(dòng)空問(wèn)的模型為：一，根據(jù)視覺(jué)反饋誤差e(￡)可建立以下比例控制-廠一．，·q(5)律：式中J-jJ“一K·(￡)(8)由此可以看出，無(wú)標(biāo)定視覺(jué)伺服的關(guān)鍵問(wèn)題是2．3機(jī)器人模型求出

8、雅克比矩陣，這樣才能建立圖像和關(guān)節(jié)的映射對(duì)SCARA機(jī)器人進(jìn)行仿真