[發明專利]一種基于輪廓邊及內包圓特征的視覺伺服解耦控制方法

有效

• 申請號: 201810809713.0
• 申請日: 2018-07-23
• 公開（公告）號: CN108621167B
• 公開（公告）日: 2021-08-13
• 發明（設計）人: 徐德剛;周雷;沈添天;蘇志芳;陽春華;桂衛華
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 歐陽迪奇

本發明公開了一種基于輪廓邊及內包圓特征的視覺伺服解耦控制方法。在基于矩形輪廓視覺識別的眼在手機器人伺服控制應用研究中，提出基于輪廓內包圓特征和基于輪廓線特征分別控制機器人末端執行器的平移量和旋轉量，并引入內包圓面積特征的矢量補償和輪廓質心點的位置補償，實現機器人位置和姿態的視覺伺服解耦控制。通過本發明的技術方案，能較好的克服伺服控制過程中因深度、標定誤差以及圖像噪聲造成的不確定性問題，使機器人末端執行器運動實現較好的收斂速度和更為平滑的移動軌跡。

技術領域

本發明涉及機器人技術領域，具體涉及一種基于圖像的視覺伺服控制方法。

背景技術

視覺伺服是一種通過視覺信息反饋，引導機器人運動至期望位置的自動控制技術。基于圖像的視覺伺服控制(IBVS)把控制誤差定義在圖像平面，利用圖像特征偏差進行視覺信息反饋控制，構造圖像特征變化與機器人運動之間的非線性映射關系，通過建立圖像雅可比矩陣將這種非線性映射關系進行小范圍線性化，并在系統運行過程中連續更新，從而實現視覺伺服控制。

圖像特征信息的選取是影響IBVS性能的重要因素，選取合適的圖像特征需要兼顧識別和控制兩方面要求。由于圖像矩比簡單圖像特征更能反映當前圖像信息，在基于平面目標的視覺伺服控制器設計中，采用圖像矩作為視覺特征可以增強伺服控制的魯棒性，降低圖像噪聲的影響，避免伺服過程中圖像雅可比矩陣發生奇異，實現控制過程的全局收斂。

發明內容

本發明的目的在于針對基于圖像中識別到的目標矩形輪廓邊框，提出新的視覺特征作為視覺伺服控制器輸入。基于不同特征隨相機平移、旋轉運動后的成像變化敏感程度，利用對相機平移、旋轉運動較為敏感的矩形邊框內包圓、質心點以及輪廓線作為視覺特征，并引入基于視覺特征的補償機制，引導手眼系統移動至期望位姿，確保系統滿足全局漸進穩定且機器人末端移動過程中特征始終處于相機視場范圍內。

本發明所述的控制方法涉及一種基于圖像的眼在手機器人伺服控制系統，系統包括六自由度機器人本體、與機器人本體活動連接的機械手、以及安裝在機器人末端執行器上的相機、圖像處理單元、運動控制單元。圖像處理單元用于圖像獲取、目標識別、輪廓特征提取、畸變校正、計算圖像中目標的質心點坐標和輪廓內包圓面積、計算輪廓擬合直線與像素平面水平軸的夾角，所述的運動控制單元將視覺伺服控制器計算的末端平移、旋轉量通過機器人逆運動學解算映射到各個關節的運動情況。

為了實現上述的技術目的，本發明的技術方案是，

一種基于輪廓邊及內包圓特征的視覺伺服解耦控制方法，所述方法包括下列步驟：

S1：通過設置在六自由度機器人末端執行器上的相機采集具有矩形邊框特征的目標物圖像，將采集到的圖像信息進行目標識別、輪廓提取和畸變校正處理，提取目標物的輪廓和位置信息；

S2：根據目標物在圖像中的輪廓信息，提取輪廓中的質心點、輪廓線以及質心點為圓心，質心點到四條輪廓線中最短長度作為半徑的內包圓并構建包括這些特征的雅可比矩陣，同時記當前和期望狀態下質心點、輪廓線、內包圓組成的圖像矩信息分別為s,s^*；

S3：根據當前和期望系統狀態下的圖像矩信息構建視覺特征誤差向量Δs＝(s-s^*),如果Δs小于預設閾值δ，則機器人末端相機對目標物成圖已達到期望圖像矩值，即機器人末端達到期望位姿，視覺伺服解耦控制方法結束，否則執行步驟S4；

S4：根據步驟S2、S3構建的雅可比矩陣和視覺特征誤差向量，結合視覺伺服控制器分別控制機器人末端執行器的平移量和旋轉量，并引入基于內包圓面積特征矢量補償和質心點位置補償，實現機器人的位置和姿態解耦控制，機器人調整位姿后返回步驟S1；

所述的基于輪廓邊及內包圓特征的視覺伺服解耦控制方法，所述步驟S2中以質心點、輪廓線、內包圓的特征構建雅可比矩陣以及組成的圖像矩信息的方法為：