基于視覺和力反饋的機器人研拋聯(lián)合控制分析

于 淼，房書民

(長春大學機械與車輛工程學院，長春130022)

基于視覺和力反饋的機器人研拋聯(lián)合控制分析

于 淼，房書民

(長春大學機械與車輛工程學院，長春130022)

利用視覺傳感器和力傳感器融合技術(shù)對機械手研拋進行聯(lián)合控制分析。研究過程中，通過視覺傳感器引導，確定加工點和加工軌跡，再與力控制相結(jié)合達到加工目的，即是視覺伺服與力混合控制。在混合控制模型中，本實驗采用基于圖像的視覺伺服與力反饋融合的控制算法解決視覺與力之間的協(xié)調(diào)問題。

聯(lián)合控制；視覺伺服；力反饋；視覺與力混合控制

0 引言

在表面精密研拋加工行業(yè)中，相對于數(shù)控機床而言，工業(yè)機器人具有作業(yè)空間大、操作靈活、價格低廉等優(yōu)勢，所以應(yīng)用范圍越來越廣泛。在機器人研拋加工過程中，不僅要保證接觸面間作用的恒定，還要對機械手的末端不斷調(diào)整位置。其主要的過程是利用雙目攝像機找到研拋工件上的作業(yè)點，再通過視覺與力反饋技術(shù)融合達到作業(yè)目的，即視覺伺服與力反饋聯(lián)合控制，這是當今機器人控制技術(shù)領(lǐng)域研究的重點之一[1]。

本文研究視覺和力反饋聯(lián)合控制下的機械手研拋問題，利用力傳感器和雙目攝像機構(gòu)建視覺和力反饋聯(lián)合控制模型。本實驗中采用基于圖像的視覺伺服與力反饋相結(jié)合的控制算法[2]解決視覺與力控制之間的協(xié)調(diào)問題；利用視覺圖像來確定視覺范圍內(nèi)工件表面作業(yè)點和研拋路徑規(guī)劃，以及對機械手末端工作點的捕捉、跟蹤和接觸，通過視覺伺服和力反饋技術(shù)融合來完成作業(yè)任務(wù)。本試驗系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。因此，本實驗需要建立視覺和力聯(lián)合控制模型。

圖1 雙機器人協(xié)調(diào)研拋控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖2 雙目視覺下的三維坐標測量模型

1 雙目視覺坐標標定

如圖2所示，在兩機械臂對工件進行研拋加工時，雙目攝像機為研拋工具提供研拋點，且在研拋工程當中，雙目系統(tǒng)也能夠為研拋工具提供加工軌跡。所以，首先要用雙目視覺對工件上一點進行坐標標定。如圖2所示，雙目攝像機對P點進行觀察，則P點投影在攝像機兩圖像平面上分別為P1和P2，從圖上可以看到空間點P為OLCP1和ORCP2的交點，該點位置唯一確定。

在雙目視覺坐標測量模型中，左右攝像機的內(nèi)參數(shù)完全形同，左右兩攝像機坐標系的原點OLC和ORC分別為兩攝像機的光心，XC軸方向為兩光心連線方向，光心之距為b，稱作基線，ZC軸(攝像機光軸)平行，YC軸垂直于XCZC平面，兩攝像機焦距均為f。假設(shè)左攝像機與世界坐標系重合，P點在左右兩攝像機成像平面的投影分別為P1和P2，則P1和P2的Y坐標相同，X坐標不同，記作XL和XR。由幾何學原理可以得到公式(1):

用計算機圖像像素坐標表示為:

點P的左右視覺視差用d＝ul－ur表示，式(2)中，只要有雙目攝像機的內(nèi)參數(shù)uo，vo，fx，fy，視覺范圍內(nèi)任意點的三維坐標都可以求出[3]。

2 機器人運動學分析

首先，以一個機械手作為模型，其基座為基點建串聯(lián)機器人的六自由度坐標系，如圖3所示。

在本實驗中，機器人末端研拋工具的軸線與機器人末端軸線平行，兩軸線間的距離為75mm，由坐標系之間坐標齊次變換可知研拋工具的位姿可表示為:

圖3 六自由度串聯(lián)機器人坐標系

上式中，p＝[75nx＋px75ny＋py75nz＋pz]為研拋工具末端研拋點在基坐標系(UCS)中的坐標[4]。根據(jù)原點移動的坐標變換公式:

公式中πB＝p＝[75nx＋px75ny＋py75nz＋pz]，bA是UCS原點在WCS下的坐標向量，QA為WCS到UCS的旋轉(zhuǎn)矩陣，由此公式可求得機械手研拋工具在WCS下的坐標[5]。

3 雙目視覺與力傳感器聯(lián)合控制模型

進行實驗前，我們通過雙目攝像機對工件表面上一點進行定位，確定該點在世界坐標系中坐標，再通過計算機通知機械臂末端的磨削工具移動至該點進行研拋。在研拋過程中，雙目視覺為機械臂提供最優(yōu)的加工路徑，力傳感器所測量研拋工具作用力的變化也反饋給計算機，再經(jīng)Kalman濾波調(diào)整研拋工具的位置和姿態(tài)。

首先，建立力反饋系統(tǒng)的狀態(tài)方程和測量方程[6－7]:

上式中:φk，k－1是tk－1到tk時刻的轉(zhuǎn)移矩陣；Γk－1為系統(tǒng)的噪聲驅(qū)動矩陣；Hk為系統(tǒng)的測量矩陣；Vk為測量噪聲矩陣；Wk為系統(tǒng)激勵噪聲序列。同時Wk和Vk滿足下列關(guān)系:

上式中:Qk為系統(tǒng)狀態(tài)噪聲方差矩陣(非負定)；Rk測量噪聲方差矩陣(正定)。

假設(shè)我們對力傳感器測量力的估計Xk和測量Zk滿足式(5)，系統(tǒng)噪聲Wk和測量噪聲Vk滿足式(6)，且Qk非負定，Rk正定。時刻tk的測量值為Zk，則Xk的估計值可按下式求解:

公式7為隨機線性離散Kalman濾波基本方程，只要有t0時刻兩個Kalman任意初始值X∧0和P0，tk時刻的測量值Zk，就能夠計算出tk時刻的狀態(tài)估計值X∧k(k＝1，2，??)。假設(shè)機械手末端磨削工具對工件表面的理想作用力為8N，模擬200個測量值(圖4虛線)，其均值為8N，加入了標準偏差幾牛頓的高斯白噪聲(圖4點劃線)，現(xiàn)在本實驗選定X∧0＝2N，P0＝5，kalman濾波程序在matlab中進行，得到Kalman濾波器輸出最優(yōu)化結(jié)果(圖4實線)。

從圖4的仿真圖像可以看到，視覺引導下的研拋作用力距理想作用力的變化幅值較小，作用力比較穩(wěn)定，對提高機器人的研拋精度有很大的幫助。

圖4 在視覺引導下研拋力的變化

4 結(jié)語

本文主要對在機器人研拋控制研究中雙目視覺(雙目攝像機)和力傳感器的工作過程進行了簡單的分析。實驗中，雙目視覺伺服和力反饋聯(lián)合控制能夠精確地控制研拋工具和工件研拋點接觸時的作用力，避免碰撞發(fā)生，可利用雙目視覺對機械手的運動軌跡進行引導，通過力傳感器來控制研拋過程中的作用力，提高了研拋效率和精度。對機器人智能化研拋加工方面具有一定的借鑒意義。

[1] 陳偉旺.基于視覺和力傳感器融合的機器人反饋控制[D].鄭州:華北水利水電大學，2014.

[2] Hosoda K，Igarashi K，Asada M.A daptive hybrid control for visualand force servoing in an unknown environment[J].Robotics＆Automation Magazine，1998，5(4):39~43

[3] 劉東升.基于雙目視覺的機器人在線檢測技術(shù)的研究[D].青島:青島科技大學，2013.

[4] 熊有倫，丁漢，劉恩滄.機器人學[M].北京:機械工業(yè)出版社，1993.

[5] 宋偉剛.機器人學:運動學、動力學與控制[M].北京:科學出版社，2007.

[6] 秦永元，張洪鉞，汪叔華.Kalman濾波與組合導航原理[M].西安:西北工業(yè)大學出版社，2004.

[7] 李鵬.卡爾曼濾波在信息融合理論中的應(yīng)用[D].西安:西安電子科技大學，2008.

責任編輯:程艷艷

Analysis on Lapping and Polishing Joint Control of Robot Based on Vision and Force Feedback

YU Miao，F(xiàn)ANG Shumin
(College of Machinery and Vehicle Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China)

This paper，with the fusion technology of vision sensor and force sensor，makes a joint control analysis on manipulator lapping and polishing，which determines themanufacturing pointandmachining path by the visual sen-sor guidance，and then achieves the processing purpose by combiningwith force control，that is，amixed control of visual servo with force.In the hybrid controlmodel，the control algorithm based on vision servo and force feedback is applied to solve the problem of the coordination between vision and force.

joint control；visual servo；force feedback；mixed control of visual servo with force

TP242?2

A

1009－3907(2017)06－0004－04

2017－04－20

吉林省教育廳資助項目(2015第320號)

于淼(1972－)，女，吉林長春人，教授，博士，主要從事多機器人協(xié)調(diào)加工方面研究。