并行机器人的臂上单摄像头运动校准研究.doc

2010 IEEE/RSJ 智能机器人与系统国际会议 2010年10月18-22日，台湾台北 并行机器人的手上单摄像头运动校准研究 Alberto Traslosheros, Jose Maria Sebastian, Eduardo Castillo, Flavio Roberti, Ricardo Carelli 摘要： 机器人校准的主要目的是修正可能有误差的参数。这篇论文描述了一种装有一个摄像头在机械臂上的并行机器人在运动学上的校准方法。为了维持机器人的原有形状，我们通过摄像头跟踪一个固定在参考坐标系平台的球状物体，来获得末端执行器的增量位置。末端执行器的增量位置是和机器人电机码盘的增量位置相关的。我们建立并修正了机器人的运动学模型，并依此考虑了运动上可能的误差。利用解算器和末端执行器的增量位置我们解出了该模型，并得到新的参数使运动方程的误差最小。为了提高三维测量的准确性，我们将球形道具和内部摄像头的参数应用于球体投影模型。设计该机器人系统主要用于执行跟踪任务，通过引入视觉控制器的误差验证了该系统的校准效果。 一、 简介 精度是并行运动机械的一个关键性性能指标，它对涉及外科手术、原材料加工、电子电路加工和产品装配等任务的机械尤其重要。在保证精度这个工作中，基于视觉控制的图像研究校准方法被广泛应用。和串行机器人不同，并行机器人（或并行运动机械）以高结构强度，高运转负载，末端执行器的高速度、高加速度和高位置精度为特征。然而，这个精度是依靠健全准确的校准实现的。不论从理论还是实践来看，校准口试一个难题，哪怕是那种离线校准。机器人的精度受以下因素的影响：运转导致的后坐力、热应力、零件变形、机器人的控制和加工误差。尽管各种校准方法层出不穷，但是，总体来讲，它们可以被分为三大类（依据测量仪器的位置和添加的元素）： 外部校准：通过外部仪器测量机器人末端执行器（或其他结构零部件）的位置。 强迫校准：通过在校准过程中限制机器人的一些运动，基于机械原理校准的方法这种方法比较简单，是公认的最实惠的方法之一。 自动校准：由自动的校准机器人参数的方法构成。一般来说，由于其复杂性，甚至包含冗余的传感器或零件，自动校准的方法是很昂贵的。 外部校准可以通过测量测试平台完整或部分的姿态参数来完成。而姿态可以通过以下方法或仪器来检查与校准过程有关的机械零件：激光、坐标测量仪、商业视觉系统（一般视觉系统或红外光）、激光传感器、带干涉仪的支架台、内置LVDT或倾角计、带测量表的经纬仪和重磅眼（DDB）加速计等。这些是获得机器人动信息的一些策略，但总的来讲，校准方法要考虑末端执行器（或运动零件）的实际位置参数。合适的校准方法是一种经济、实用的提高并行运动机械精度的关键 技术。 校准过程的基本原理是通过获得大量的被测位置（又叫校准位置）的系统规定参数来求解出满足这些参数的机器人的最佳几何模型（即距离和角度）。这种方法是应用于串联和并联机器人校准的基本方法。它们之间的不同仅在于测量仪器和方法。目前，由于视觉法的简单性以及和其他方法比的实惠性，其应用越来越广泛。应用当单目系统的视觉方法需要引入一个平台，该平台可以用于摄像头的校准中获得内部和外部的参数把摄像头或平台固定在机器人末端执行器，我们就可以通过摄像头的外部参数获得机器人末端执行器的位置信息，而这个获得的位置就可以被当作一个校准位置。 在这篇文章中，我们用了一种经济的外部校准方法来校准一个三自由度的并行机器人 该方法充分利用了从电机编码器获得的位置信息和从摄像头获得的视觉信息。而获得的这两种信息可以用于取代约束方程式，以从数学上求解并获得符合方程组的最佳几何参数。然后将校准的参数用于图像视觉的伺服控制器，再和设为普通参数的控制器比较进行校准。 二、系统描述 上面所述方法的主要目的是校准被称作ROBOTENIS系统的并行机器人。而校准机器人则是为了从视觉伺服系统上提高其精度，是机器人将来可以用于打乒乓球等。我们设计ROBOTENIS，用于研究和设计视觉伺服控制器，并在动态条件下进行物体跟踪任务。ROBOTENIS系统的机械结构是根据DELTA机器人（又叫六连杆并联机器人）设计的，其视觉系统主要由一个装在机器人末端执行器上的摄像头和相关硬件部分组成。基本上，ROBOTENIS平台（如图1所示）由一个并行机器人和一个用于获取数据和进行数据分析的视觉系统构成。该机器人末端执行器的最大速度为，最大加速度为。其视觉系统由位于末端执行器上的摄像头和一个帧接收器（索尼XCHR50和MATRIX METERO 2-MC/4）组成。运动系统由三个无刷交流伺服电机、交流驱动器和行星齿轮箱构成。控制器用的是DS1103卡。 三、约束方程式 校准模型的约束方程式是通过机器人运动学模型得到的。通过约束方程建立从摄像头到末端执行器的转换。这是