机器人无标定视觉伺服系统设计与实现
2020年电子技术应用第6期
彭叶予光1，武东杰2
1.厦门双瑞船舶涂料有限公司，福建 厦门361101；2.厦门大学 航空航天学院，福建 厦门361102
摘要： 为了实现手眼关系无标定情况下的机械臂末端定位，针对单目手眼系统，设计并实现了一个基于图像的无标定视觉伺服系统。进行模块化的系统设计，使用卡尔曼滤波器在线估计关节-图像雅可比矩阵，根据关节-图像速度数学模型设计图像视觉伺服控制器，利用C++多线程技术开发各个并行算法模块，实现了在手眼关系完全无标定情况下机械臂末端的高精度定位。实验表明，该系统的定位精度为0.1像素。
中图分类号： TN108.4
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191114
中文引用格式： 彭叶予光，武东杰. 机器人无标定视觉伺服系统设计与实现[J].电子技术应用，2020，46(6)：77-81.
英文引用格式： Peng Yeyuguang，Wu Dongjie. Design and implementation of robot uncalibrated visual servoing system[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(6)：77-81.
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191114
中文引用格式： 彭叶予光，武东杰. 机器人无标定视觉伺服系统设计与实现[J].电子技术应用，2020，46(6)：77-81.
英文引用格式： Peng Yeyuguang，Wu Dongjie. Design and implementation of robot uncalibrated visual servoing system[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(6)：77-81.
Design and implementation of robot uncalibrated visual servoing system
Peng Yeyuguang1，Wu Dongjie2
1.Xiamen Shuangrui Ship Coatings Co.，Ltd.，Xiamen 361101，China； 2.School of Aerospace Engineering，Xiamen University，Xiamen 361102，China
Abstract： To realize the end positioning of the manipulator with the hand-eye relationship uncalibrated, an image-based uncalibrated visual servoing system is designed and implemented for the monocular hand-eye system. The paper performs modular system design, uses the Kalman filter to estimate the joint-image Jacobian matrix online, designs the visual servoing controller according to the joint-image velocity mathematical model, and develops each parallel algorithm module by C++ multi-threading technology, which realizes the complete high-precision positioning of the arm end without calibration. Experiments show that the positioning accuracy of the system is 0.1 pixels.
Key words : visual servoing without calibration；joint space；Kalman filter；arm end positioning
0 引言
传统应用中，机械臂手眼系统对目标物体的操作都是基于标定过程完成的，标定工作包括：相机内参数标定[1]、机器人运动学参数标定和手眼关系标定[2-4]。但标定具有一些明显缺点[5-6]，例如：(1)高温、强辐射等条件下无法进行标定；(2)系统结构改变，标定参数会发生变化，需要定期进行再标定；(3)标定过程繁复，需要专业的人员和设备，标定成本较高。这些标定工作严重限制了智能机器人的发展和进步，因此研究人员开始深入研究无标定视觉伺服，例如使用神经网络来拟合手眼关系，基于卡尔曼滤波估计雅可比矩阵、基于ADRC的无标定视觉伺服控制等[3]。
无标定视觉伺服(UVS)是在没有预先进行手眼关系标定的情况下，利用视觉反馈的信号形成闭环控制系统，引导机器人运动完成相关任务的技术[2]。根据视觉系统反馈信号是纯图像信息还是估计出的位置，UVS可分为基于图像的无标定视觉伺服(IBUVS)和基于位置的无标定视觉伺服(PBUVS)[7]。相较于PBUVS，IBUVS不需要相机参数，可以实现完全的无标定视觉伺服控制，使手眼系统具有更高的灵活性和智能性[8-9]。
本文拟采用IBUVS控制方案实现完全无标定的机械臂末端定位操作，从系统软硬件结构设计、关节-图像雅可比矩阵估计算法设计、控制器算法设计三方面展开论述，最后通过实验说明该系统设计的有效性和可行性。
论文详细内容请下载http://www.chinaaet.com/resource/share/2000002851
作者信息:
彭叶予光1，武东杰2
(1.厦门双瑞船舶涂料有限公司，福建 厦门361101；2.厦门大学 航空航天学院，福建 厦门361102)
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