引用本文

郝洁, 李高峰, 孙雷, 卢翔, 张森, 刘景泰. 基于视觉标志间相对位姿的可变形臂标定方法. 自动化学报, 2018, 44(8): 1413-1424. doi: 10.16383/j.aas.2017.c160693

HAO Jie, LI Gao-Feng, SUN Lei, LU Xiang, ZHANG Sen, LIU Jing-Tai. Relative-pose-of-markers Based Calibration Method for a Deformable Manipulator. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2018, 44(8): 1413-1424. doi: 10.16383/j.aas.2017.c160693

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.2017.c160693

关键词

可变形操作臂，运动学，Denavit-Hartenberg表示法，旋量，操作臂标定 

摘要

针对家庭服务机器人工作的非结构化环境, 本文设计了一种可以根据任务需求相应地调整连杆形状的可变形操作臂.该操作臂工作空间易于拓展、灵活度较高且成本低廉.但连杆形状的改变给操作臂的建模和控制带来了困难.首先, 可变形臂的运动学参数发生了巨大且无规律的变化, 使得固结在操作臂连杆上的关节坐标系可能脱离操作臂本体, 变得不可测量.其次, 为适应不同任务需求, 可变形臂的连杆形状需要经常改变, 而传统标定方法往往追求更高的标定精度而非标定效率.最后, 可变形臂的标定方法必须低成本且易于在家庭环境中实施, 而基于激光等传感器的标定方法设备价格昂贵, 对实验环境要求严格, 不便于在家庭中实施.因此, 一种廉价、快速、易于实施的标定方法是可变形臂应用的基础.本文分别基于Denavit-Hartenberg(DH)模型和旋量模型提出了基于视觉标志块间相对位姿测量的标定算法, 该算法在标志块处建立虚拟关节, 通过测量不同标志块间的相对位姿可快速、高效地获取可变形臂的运动学参数.实验说明了两种标定方法的有效性, 同时还表明旋量模型更适合可变形臂的建模.最后, 本文给出了利用可变形臂进行点触任务操作的实例, 展示出可变形操作臂在家庭使用中的优势.

文章导读

家庭服务机器人工作在非结构化的环境中, 需要面临多种任务作业.因此, 一种廉价、灵巧、能面向多种作业任务、具有本质安全的操作臂对服务机器人进入家庭是非常重要的.

已有大量的工作将刚性臂应用于家庭服务或医疗护理[1-3], 但传统刚性臂为满足面向多任务的需求, 往往通过增加手臂的自由度来增加手臂的灵巧度.然而, 更高的自由度意味着更大的机械臂自重、更复杂的机械设计与控制策略和更高的成本.另一种可行的方案是连续操作臂(Continuum manipulator).例如意大利理工大学高级机器人学实验室制造的章鱼机器手(Soft robotic octopus arm)[4-5], 可以如章鱼手臂一样伸长、收缩和弯曲, 章鱼机器手由横向驱动器、外部编织结构和人造皮肤组成[6-7].德国Festo公司研制的RobotinoXT操作臂[8-10], 仿生了大象的鼻子, 可以向各个方向弯曲、伸长, 灵活度高, 操作臂采用内部气动驱动, 外部舵机牵引, 结构较复杂.美国范德堡大学医疗电子实验室研制的Active cannulas[11-14], 由若干直径不同的钛镍合金套管组成, 可以实现伸长、收缩及弯曲.中国科学院沈阳自动化研究所研制的水陆两栖蛇形机器人[15-17], 具有多个关节, 可以在陆地和水中如蛇一样蜿蜒前进.以及其他形式的柔性操作臂[18-21]等.连续操作臂拥有良好的弯曲性能, 灵活性高, 但多采用绳索牵引、气动关节或记忆合金等方式实现柔性, 特殊的材料和驱动装置使得连续操作臂结构复杂且成本相对较高, 难以应用在家庭服务环境中.

本文设计并实现了一种可以根据任务需求相应地调整连杆形状的可变形操作臂, 其工作空间易于拓展、灵活度较高且成本廉价; 同时, 可变形臂由于其可被动改变形状的特性, 具有本质的安全.该操作臂由刚性关节和可变形连杆组成, 当施加在可变形连杆上的外力大于可使连杆变形的阈值时, 连杆能够根据任务需求在外力的作用下被动改变形状; 而当施加的外力小于该阈值时, 可变形连杆能保持当前的形状不发生形变, 这时的可变形连杆可被视为刚体.

但由于连杆形状的改变, 操作臂的模型参数发生了剧烈的变化, 变得完全未知, 给操作臂的建模和控制带来困难.传统操作臂的标定问题是机器人领域的一个基本问题, 已有大量相关研究工作, 按使用的传感器种类分为利用激光传感器[22-25]和利用视觉传感器[26-29]等方法或多种传感器的融合[24-25, 30-31].本文提出的标定方法是基于低成本的视觉传感器的方法.从操作臂的运动学模型出发, 标定方法可分为基于Denavit-Hartenberg参数模型(DH模型)的标定方法[22-25, 30-33]和基于旋量模型的标定方法[29, 34-38], 本文针对两种模型提出了相应的标定方法, 对比了两种模型应用在可变形臂中的优劣, 按模型参数的标称值是否已知, 分为基于标称值的校准方法[22-25, 31-35]和参数未知的绝对标定方法[29-30, 39-40].本文中可变形臂的运动学模型在每次连杆形状改变之后均发生了较大的变化而变得完全未知, 因此属于参数未知的绝对标定方法.

尽管传统标定方法已经有了大量坚实的工作, 但可变形操作臂的标定问题具有其特殊性, 仍有其研究价值. 1)在连杆形状改变后, 可变形臂的参数发生巨大且无规律的变化.由于参数变化巨大, 基于标称值的校准[22-25, 31-35]的一类方法不适用于可变形臂的标定.同时, 由于变化无规律, 使得固结在操作臂连杆上的关节坐标系可能沿着关节轴线方向平移到空间中, 脱离操作臂本体, 使得该坐标系不可测量.而传统方法未考虑这一情况[30, 39-40]. 2)为适应不同任务需求, 可变形臂的连杆形状需要经常改变, 这是可变形臂的本质属性.因此, 可变形臂的标定方法要求更加快速高效.而传统操作臂的模型参数在一次标定后可重复使用, 传统的标定方法也往往采用昂贵的设备或复杂的流程[34, 39-40], 以追求更高的标定精度而非标定效率.因此, 这些方法并不适用于可变形臂的标定. 3)可变形臂的工作环境是家庭服务环境, 因此, 针对可变形操作臂的标定方法必须低成本且易于在家庭环境中实施.而基于激光传感器[23-25, 30-31]等的标定方法虽能取得较高的标定精度, 但设备价格昂贵, 对实验环境的要求较为严格, 不便于在家庭环境中实施.

本文的主要贡献总结为: 1)本文对可变形臂的运动学进行了分析, 阐述了可变形连杆的引入对操作臂运动学参数的影响, 分析了连杆的变形引起的参数变化量, 为可变形臂的标定算法提供了理论指导. 2)本文分别基于DH模型和旋量模型提出了基于视觉标志间相对位姿测量的标定算法.该算法通过在标志块处建立虚拟关节, 可快速高效地获取可变形臂的运动学参数, 且对摄像机的安装位置要求不严格, 易于在家庭环境中实施. 3)本文也对标志块的张贴位置和张贴数量给出了建设性意见.为了阐述方便, 本文所述标定方法只针对一个四自由度的可变形臂进行介绍, 但可以很容易通过更改标志块的位置而应用到一类串联可变形臂的标定问题中.

图 1  可变形连杆发生形变后对DH参数的影响

图 2  可变形连杆发生形变后对旋量参数的影响

图 3  可变形操作臂样机

本文首次介绍了一种连杆形状可以改变的可变形操作臂, 对于家庭服务机器人走入家庭具有极其重要的意义.该操作臂可通过改变连杆形状取得更灵巧的末端和更大的工作空间, 以满足家庭中多任务的需求.同时, 与连续臂相比, 该操作臂也具有结构简单, 成本低廉的优势, 适合家庭服务用途.

本文分析了可变形臂连杆形状的改变对运动学参数的影响, 并分别基于DH模型和旋量模型阐述了可变形臂的运动学参数标定方法, 同时验证了标定结果的有效性.可变形操作臂DH模型的参数标定结果是:位置误差9.41±5.07 mm, 欧拉角姿态误差3.52±1.97^∘.基于旋量模型的可变形操作臂的参数标定结果是:位置误差为4.12±3.18 mm, 欧拉角姿态误差为1.91±1.03^∘.该精度虽然无法与工业臂相比, 但能够满足大多数家庭中作业任务的要求.实验和分析表明, 旋量模型更适用于可变形操作臂.该方法也很容易通过更改标志块的位置推广到其他.本文最后通过两组点触实例阐述了可变形臂在面临家庭中多任务需求时的优势.

作者简介

郝洁

南开大学机器人与信息自动化研究所硕士研究生.国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心专利审查员.2012年获得河北工业大学学士学位.2015年获得南开大硕士学位.主要研究方向为家庭服务机器人.E-mail:haojierobot@163.com

孙雷 

南开大学机器人与信息自动化研究所副教授.1999年获得天津大学学士学位.2002年获得天津大学硕士学位.2005年获得南开大学博士学位.主要研究方向为机器人与自动控制, 网络遥操作机器人, 无线传感网络.E-mail:sunl@nankai.edu.cn

卢翔 

南开大学机器人与信息自动化研究所博士研究生.2010年获得南开大学学士学位.2015年获得南开大学博士学位.主要研究方向为单目视觉.E-mail:luxiangnk@hotmail.com

张森  

南开大学机器人与信息自动化研究所博士研究生.2011年获得天津大学学士学位.主要研究方向为移动机器人运动规划, 家庭服务机器人.E-mail:zhangs@mail.nankai.edu.cn

刘景泰  

泰南开大学机器人与信息自动化研究所教授.1983年获得天津大学学士学位.1986年获得天津大学硕士学位.1998年获得南开大学博士学位.主要研究方向为机器人技术, 计算机应用与信息自动化系统, 智能科学与技术.E-mail:liujt@nankai.edu.cn

李高峰 

南开大学机器人与信息自动化研究所博士研究生.2013年获得南开大学学士学位.主要研究方向为机器人视觉伺服, 李群, 操作臂运动学.本文通信作者.E-mail:gaofengli@mail.nankai.edu.cn