[发明专利]基于多传感器的服务机器人定位和抓取方法

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及的是一种基于多传感器的服务机器人定位和抓取方法。

背景技术

在过去五六十年间，研究者们一直在致力研究机器人应用的相关技术。在上世纪60年代早期,随着工业的发展,机器人用来帮助人们实现危险的操作和任务,然而这些机器人主要在结构环境下工作，只能按照特定的模式进行工作。但是，随着技术的发展以及人类的日常生活的需求，机器人却面临非结构化、复杂化等一系列问题的挑战。因此为了使机器人能够模拟一定的家庭环境，可以再日常生活中为人们服务，它应该具备一定的人机交互能力，能够根据语音指令智能识别物体，然后进行自主定位与导航，并能根据自身感知的环境进行避障，然后抓取指定物品并交给指定的人。

发明内容

本发明的目的在于针对现在技术的不足，提出一种基于多传感的服务机器人定位和抓取方法，使机器人在一种结构化的环境中为人类提供更加智能化的服务。本方法中机器人可以通过视觉、射频、超声、光电等传感器与外部环境进行智能交互，在射频标签构建的网格化环境中，完成自由行走、目标搜索、目标物体手抓跟随以及灵活抓取等智能行为。

为达到上述目的，本发明的构思是：

本发明所涉及的基于多传感器的服务机器人定位和抓取方法，其实验平台包括双目图像采集模块，RFID收发模块，底轮运动模块，以及仿人机械臂控制模块。射频（RFID）收发模块的标签按照一定的规律放置在地面，构建网格化环境；机器人采用射频（RFID）与双目视觉相结合的方法，在构建的网格化环境中机器人自由行走、定位和搜寻目标；将双目视觉系统所获取的物体的空间坐标，转换到手臂坐标系；利用改进的D-H模型对手臂进行建模,获取仿人手臂的逆解，实现物体的定位与抓取；利用机器视觉的前馈和反馈策略不断调整手抓抓持器的位置，实现对目标物体的跟随和精确抓取。

 本发明所涉及的基于多传感器的服务机器人定位和抓取方法，包括以下功能：

(1)自主导航与定位模块：融合RFID与双目摄像头信息，实现对目标物体的抓取，自主导航与定位。

(2)仿人机械臂开环抓取模块：首先双目通过目标物体的颜色、形状、纹理等特征得到目标物体的三维坐标信息；经过坐标变换后得到目标物体相对于右手机械臂的坐标值；利用改进的D-H模型对退化后的4+1自由度机械臂经行数学建模，再根据作者提出一个新的逆解算法，可以求出手臂各关节的角度，按照特定的轨迹抓取目标物体。

(3) 仿人机械臂闭环抓取模块：机器视觉可以计算出手爪和目标物两者间存在的误差，利用闭环策略不断调整手抓抓持器的位置，以减少这两者间的误差，实现对目标物体的跟随和精确抓取。

所述的双目图像采集模块，是指本系统基于双目立体视觉；所述的RFID收发装置为无源型射频标签，含有环境的坐标信息；所述的底轮运动模块采用双轮差动方式，并在底部安装有两个色标传感器；所述的仿人机械臂为6+1自由度，将机械臂从6+1自由度退化为4+1自由度，通过改进的D-H模型进行数学建模，再根据新提出一种逆解算法，求取简化后的逆运动学方程解，使得机器臂能够实现对于目标物体的实时跟随与灵活抓取。

所述的射频（RFID）收发装置，包括射频标签和射频感应收发线圈，其中射频标签安装在机器人的底部，标签按照一定的距离放置在地面，构建网格化的环境，机器人在网格化环境中漫游的情况如图5所示。

所述的利用射频标签构建的网格化环境，对机器人进行初始位置的确定，行进路线的判断和规划，以及目标物体前的位置调整，其中，行进路线的判断与规划的流程如6所示。

假设机器人转向角度的计算图解如图7所示，机器人所需行走的路径是A-B-C,在B点需要旋转的角度θ，可以通过余弦定理解得：

                                                                                            （1）

当机器人远离目标物体时，可以通过与机器人经行语音交互，得到机器人最终的目的地，从中就可以规划出机器人的行进路线，当距离目标物体较近（1米左右）时，机器人通过左右调整自己的姿态，控制与目标之间的距离，可以实现精确定位，其算法流程图如图7所示。

所述的仿人机械臂为6+1自由度，将机械臂从6+1自由度退化为4+1自由度进行处理，其中6+1自由度和4+1自由度的手臂模型的等效简化图如图8、9所示。