[發明專利]一種空間在軌維修機器人目標自主測量方法

在審

• 申請號: 202211468473.5
• 申請日: 2022-11-22
• 公開（公告）號: CN115847491A
• 公開（公告）日: 2023-03-28
• 發明（設計）人: 黃劍斌;龐羽佳;張子萱;王春彥;李志;黃良偉;蒙波;韓旭;劉立穎
• 申請（專利權）人: 中國空間技術研究院
• 主分類號: B25J19/02
• 分類號: B25J19/02;B25J13/08;B25J9/16
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 李晶堯

1.一種空間在軌維修機器人目標自主測量方法，其特征在于：包括：

步驟一、構建空間在軌維修機器人的整體架構，包括控制部分、感知部分和通信部分；控制部分為通過步進電機控制含夾爪的七自由度機械臂；感知部分為在機器人頭部安裝頭部相機，在機械臂末端安裝手部相機；通信部分為實現控制部分與感知部分的網絡連通；

步驟二、進行手眼標定，確定相機坐標系、機械臂坐標系與大地坐標系的關系；

步驟三、建立障礙地圖并檢測維修工具：由空間在軌維修機器人的頭部相機感知前方信息，建立障礙地圖，方便控制部分操作機械臂進行運動；并進行智能檢測，檢測視野內的目標類別維修工具，并得到目標的位姿；

步驟四、機械臂末端移動到目標超近距離：控制部分根據頭部相機觀察得到的目標位置信息，機械臂末端躲避障礙，移動到目標的超近距離內，使機械臂末端相機能夠進行高精度位姿估計；

步驟五、高精度位姿估計：使用機械臂末端的手部相機在超近距離對目標進行智能檢測與位姿估計，得到目標的高精度位姿；

步驟六、執行抓取：將高精度位姿信息通過LCM傳遞給控制部分，使機械臂調整末端位姿，使用夾爪抓取目標。

2.根據權利要求1所述的一種空間在軌維修機器人目標自主測量方法，其特征在于：所述步驟一中，頭部相機和手部相機均為RGB-D相機；RGB-D相機實現在獲得目標RGB圖像的同時獲取目標距離相機的距離信息，一次性感知到RGB信息與深度信息，避免了分開使用RGB相機與深度相機帶來的標定問題。

3.根據權利要求1所述的一種空間在軌維修機器人目標自主測量方法，其特征在于：所述步驟一中，通信部分的通信方式采用輕量級別通信和編組LCM。

4.根據權利要求1所述的一種空間在軌維修機器人目標自主測量方法，其特征在于：所述步驟二中，手眼標定為將所有信息統一至機械臂坐標系，具體方法為：

S21、固定RGB-D相機，固定位置后進行手眼標定，且不再變動相機的位置；

S22、根據相機的視野范圍與機械臂的臂長，選擇大小合適的標定板，使在進行標定時，信息更加準確有效；

S23、使用眼在手上eyein hand的方法標定機械臂末端的手部相機，即求解相機與機器人末端之間的關系；使用眼在手外eye to hand的方法標定機械臂頭部相機，即求解相機與機器人底座之間的關系；機械臂多次移動，并保證標定板一直在相機視野范圍內；

S24、使用Tsai法，求解手眼標定問題中的求解問題，得到目標矩陣，目標矩陣即為相機坐標系與機械臂坐標系的關系；定義機械臂坐標系后，根據機械臂坐標系，人為定義大地坐標系。

5.根據權利要求1所述的一種空間在軌維修機器人目標自主測量方法，其特征在于：所述步驟三中，建立障礙地圖并檢測維修工具的具體方法為：

S31、通過空間在軌維修機器人的頭部相機采集的深度信息轉化為三維地圖，并作為障礙地圖，用于機械臂在運動時規劃路徑的依據，避免機械臂碰撞；障礙地圖為柵格地圖；

S32、進行目標的智能檢測，包括對目標建立數據集、進行數據增強以及訓練、測試；進一步，使用頭部相機進行目標識別以及實例分割，得到目標對應的點云；目標識別和實例分割使用Mask-RCNN網絡實現；在目標識別與實例分割步驟中，得到目標在RGB圖中的外輪廓；進一步，通過RGB信息與深度圖的對齊，得到目標的深度信息，即目標的點云；

S33、求解目標在機械臂基座下的位置坐標：通過目標識別與實例分割得到目標的外包矩形框，進一步可以得到目標的中心點的像素坐標；結合相機的內參，求解目標中心點在相機系下的坐標；通過手眼標定得到的結果，最終求解目標在機械臂基座下的位置坐標；

S34、求解目標在機械臂基座下的姿態信息：通過點云配準模型模板點云與目標點云的配準，從而得到目標的位姿；配準后得到目標點云根據模板點云的旋轉平移關系，進一步通過手眼標定結果的矩陣轉換，得到目標在機械臂基座下的姿態。