專利名稱：基于多傳感器的服務機器人定位和抓取方法
技術領域：
本發明屬于機器人技術領域，具體涉及的是ー種基于多傳感器的服務機器人定位和抓取方法。
背景技術：
在過去五六十年間，研究者們一直在致力研究機器人應用的相關技木。在上世紀60年代早期，隨著工業的發展，機器人用來幫助人們實現危險的操作和任務，然而這些機器人主要在結構環境下工作，只能按照特定的模式進行工作。但是，隨著技術的發展以及人類的日常生活的需求，機器人卻面臨非結構化、復雜化等一系列問題的挑戰。因此為了使機器人能夠模擬一定的家庭環境，可以再日常生活中為人們服務，它應該具備一定的人機交
互能力，能夠根據語音指令智能識別物體，然后進行自主定位與導航，井能根據自身感知的環境進行避障，然后抓取指定物品并交給指定的人。
發明內容
本發明的目的在于針對現在技術的不足，提出一種基于多傳感的服務機器人定位和抓取方法，使機器人在一種結構化的環境中為人類提供更加智能化的服務。本方法中機器人可以通過視覺、射頻、超聲、光電等傳感器與外部環境進行智能交互，在射頻標簽構建的網格化環境中，完成自由行走、目標搜索、目標物體手抓跟隨以及靈活抓取等智能行為。為達到上述目的，本發明的構思是
本發明所涉及的基于多傳感器的服務機器人定位和抓取方法，其實驗平臺包括雙目圖像采集模塊，RFID收發模塊，底輪運動模塊，以及仿人機械臂控制模塊。射頻(RFID)收發模塊的標簽按照一定的規律放置在地面，構建網格化環境；機器人采用射頻(RFID)與雙目視覺相結合的方法，在構建的網格化環境中機器人自由行走、定位和搜尋目標；將雙目視覺系統所獲取的物體的空間坐標，轉換到手臂坐標系；利用改進的D-H模型對手臂進行建摸，獲取仿人手臂的逆解，實現物體的定位與抓取；利用機器視覺的前饋和反饋策略不斷調整手抓抓持器的位置，實現對目標物體的跟隨和精確抓取。本發明所涉及的基于多傳感器的服務機器人定位和抓取方法，包括以下功能
(I)自主導航與定位模塊融合RFID與雙目攝像頭信息，實現對目標物體的抓取，自主
導航與定位。(2)仿人機械臂開環抓取模塊首先雙目通過目標物體的顔色、形狀、紋理等特征得到目標物體的三維坐標信息；經過坐標變換后得到目標物體相對于右手機械臂的坐標值；利用改進的D-H模型對退化后的4+1自由度機械臂經行數學建模，再根據作者提出ー個新的逆解算法，可以求出手臂各關節的角度，按照特定的軌跡抓取目標物體。(3)仿人機械臂閉環抓取模塊機器視覺可以計算出手爪和目標物兩者間存在的誤差，利用閉環策略不斷調整手抓抓持器的位置，以減少這兩者間的誤差，實現對目標物體的跟隨和精確抓取。
所述的雙目圖像采集模塊，是指本系統基于雙目立體視覺；所述的RFID收發裝置為無源型射頻標簽，含有環境的坐標信息；所述的底輪運動模塊采用雙輪差動方式，并在底部安裝有兩個色標傳感器；所述的仿人機械臂為6+1自由度，將機械臂從6+1自由度退化為4+1自由度，通過改進的D-H模型進行數學建摸，再根據新提出一種逆解算法，求取簡化后的逆運動學方程解，使得機器臂能夠實現對于目標物體的實時跟隨與靈活抓取。所述的射頻(RFID)收發裝置，包括射頻標簽和射頻感應收發線圈，其中射頻標簽安裝在機器人的底部，標簽按照一定的距離放置在地面，構建網格化的環境，機器人在網格化環境中漫游的情況如圖5所示。所述的利用射頻標簽構建的網格化環境，對機器人進行初始位置的確定，行進路線的判斷和規劃，以及目標物體前的位置調整，其中，行進路線的判斷與規劃的流程如6所
/Jn ο假設機器人轉向角度的計算圖解如圖7所示，機器人所需行走的路徑是A-B-C，在 B點需要旋轉的角度Θ，可以通過余弦定理解得
/, +I, *L -4 *4￠ = JT-arccos-~~~~~-(O
2* Il^l2
當機器人遠離目標物體時，可以通過與機器人經行語音交互，得到機器人最終的目的地，從中就可以規劃出機器人的行進路線，當距離目標物體較近(I米左右)時，機器人通過左右調整自己的姿態，控制與目標之間的距離，可以實現精確定位，其算法流程圖如圖7所
/Jn ο所述的仿人機械臂為6+1自由度，將機械臂從6+1自由度退化為4+1自由度進行處理，其中6+1自由度和4+1自由度的手臂模型的等效簡化圖如圖8、9所示。簡化模型中，若按照原先的D-H模型求解，計算上比較麻煩，且限制自由取向。
本發明采用改進的D-H模型，在原先D-H參數表基礎上增加Y列，沿著Y軸方Iロ」平栘，具體做法如下
(I)機器人手臂建模
設a表示相鄰兩個關節軸線方向的公垂線的長度(關節偏移)I表示兩個相鄰z軸之間的角度(關節扭轉);d表示在z軸上兩條相鄰的公垂線之間的距離；Θ表示繞z軸的旋轉角。通過從參數表中選取參數代入A矩陣，可以寫出每兩個相鄰關節之間的變換。其中，A矩陣為后一個關節變換到前ー個關節的轉換矩陣，如公式(2) - (5)所示。
「C0岣 OO)^4 O,一— 0 .⑶,0 ⑵ 4=かO
ザ 0-100W ^ OO IO
、O O O IJし O O O I ノ
權利要求
1.一種基于多傳感器的服務機器人定位與抓取的方法，其特征在于具體操作步驟如下 (1)利用射頻模塊的機器人初次定位；射頻收發裝置包括天線、接收器和無源型射頻標簽，其中每張標簽中都含有環境的坐標值等信息； (2)利用雙目視覺經行機器人的精確定位，底輪運動模塊采用雙輪差動方式，并在底部安裝有兩個色標傳感器； (3)利用改進的D-H的模型對機器人手臂經行數學建模； (4)機器人按照給定的路徑規劃和新的逆解算法，進行初次抓取目標； (5)當初次抓取失敗后，可通過雙目視覺獲得手爪上的紅色標簽的深度信息，與目標物 的深度信息進行對比，通過存在的誤差，利用H)算法，最終實現手爪的成功抓取。
2.根據權利要求I所述的基于多傳感器的服務機器人定位與抓取方法，其特征在于所述的步驟(I)中射頻收發裝置，包括射頻標簽和射頻感應收發線圈，其中射頻感應收發線圈安裝在機器人的底部，標簽按照一定的距離放置在地面，構建網格化的坐標系，與雙目信息融合，通過不斷地讀取標簽數據塊中得坐標信息對行進的路線進行判斷和規劃，實現初次定位。
3.根據權利要求I所述的基于多傳感器的服務機器人定位與抓取方法，其特征在于所述步驟(2)的機器人的精確定位實現方法是利用雙目視覺系統提取目標物的顔色信息進行HSV (Hue-Saturation-Value)閾值分割,得到目標物體的三維坐標；通過機器人當前標簽位置和獲取目標的三維坐標之間關系的計算，規劃出機器人的行進路線，到達要抓取的物體前。
4.根據權利要求I所述的基于多傳感器的服務機器人定位與抓取方法，其特征在于所述步驟(3)的改進的D-H模型的實質在于前ー個坐標系原點可經過若干變化一可以平移或旋轉，與后一個坐標系原點重合，只要符合這ー原理即可；若在D-H參數表基礎上增加Y列，可以沿著Y軸方向平移，這樣可以減少因為三角函數變換帶來的計算錯誤；盡管多増加ー個矩陣相乘，但齊次變化矩陣在相乘時較為簡便。
5.根據權利要求I所述的基于多傳感器的服務機器人定位與抓取方法，其特征在于所述步驟(4)的機器臂運動學的逆解算法，求解過程包括以下步驟 (1)首先雙目通過目標物體的顔色、形狀、紋理特征獲得目標物體的三維坐標信息； (2)再建立視覺坐標系和機械臂坐標系的轉換，將視覺獲得的深度信息轉換為機械手爪要到達的位置信息；將變換后的視覺坐標系原點與右機械臂坐標系的原點重合，并且視覺坐標系的X，y, z軸方向完全和機械臂坐標系相同； (3)利用4+1自由度的逆解算法，計算出機器人手臂各個關節的角度； (4)最后對機器人手臂各個關節運動控制進行路徑規劃，以便在初次抓取過程不要讓其碰到桌子等。
6.根據權利要求I或2所述的基于多傳感器的服務機器人定位與抓取方法，其特征在于所述步驟(5)的機械臂定位并抓取目標物體，包括初次抓取和失敗后再次抓取兩部分，首先利用機器視覺的前饋實現手爪的初次抓取，再利用反饋策略不斷調整手爪的位置，以逐漸靠近目標物體，直到抓取成功。
全文摘要
本發明公開了一種基于多傳感的服務機器人定位和抓取的方法。本發明方法包括以下步驟RFID收發模塊的標簽按照一定的規律放置在地面，構建網格化的坐標系；機器人采用射頻(RFID)與雙目視覺相結合的方法，在構建的網格化環境中機器人自由行走、定位和搜尋目標；將雙目視覺系統所獲取的物體的空間坐標，轉換到手臂坐標系，利用改進的D-H模型對手臂進行數學建模,再利用新的逆解算法，求解仿人手臂的各個角度，實現物體的跟隨與抓取。本方法實現了基于多傳感器的服務機器人的自定位與目標跟隨、抓取。
文檔編號B25J9/16GK102848388SQ20121009674
公開日2013年1月2日 申請日期2012年4月5日 優先權日2012年4月5日
發明者劉路, 李昕, 呂小聽, 張德興 申請人:上海大學