[发明专利]基于绳驱多关节冗余驱动机械臂的视觉伺服补偿控制方法

说明书

本发明公开了一种基于绳驱多关节冗余驱动机械臂的视觉伺服控制方法。建带有ARUCO码的视觉伺服硬件系统，利用视觉伺服硬件系统采集绳驱多关节冗余驱动机械臂的姿态图像；对姿态图像，采用图像处理方法解算出绳驱多关节冗余驱动机械臂中每个绳驱关节两个方向的转动角度作为绳驱关节的关节角度；根据第二步解算出的机械臂的关节角度，建立视觉伺服反馈的控制器，作为运动学控制的外环，进行视觉伺服补偿控制。本发明将视觉反馈信息与基于机械臂运动学的控制相结合，实现了绳驱机械臂关节角度的实时反馈控制，提高了绳驱机械臂的末端控制精度。

技术领域

本发明属于绳驱多关节冗余驱动机械臂的控制领域的一种机械臂控制方法，具体来说是涉及了一种基于绳驱多关节冗余驱动机械臂的视觉伺服补偿控制方法。

背景技术

在海洋勘探与资源开发、管网检测、微创手术、灾害救援、石油化工、核辐射设备检修等方面，必然涉及复杂管网、狭窄深腔等空间受限环境下的作业任务，由于作业空间狭小，不适合人或大型装备开展工作。绳驱机械臂因其姿态灵活，特别适合此类运动空间受限环境下的作业要求。为满足复杂作业条件下机械臂较高的冗余度，绳躯机械臂的关节数一般较多，且由于机械臂上无关节传感器，若单纯依靠以磁栅传感器反馈绳长的运动学控制将不可避免的会出现机械臂末端定位控制精度不佳的问题，会使得机械臂的作业效果大打折扣。因此需要在运动学控制的基础上增加视觉伺服控制进行补偿，以提高控制精度，增强机械臂的作业性能。虽然国内外科研机构针对机械臂的视觉伺服控制已经取得了一定研究成果，但大多数研究是基于传统的工业机械臂，极少有专门针对绳驱多冗余自由度机械臂的视觉伺服控制。仅有的研究也只是局限于运动学分析和视觉伺服方法的应用，并未发挥绳驱冗余自由度机械臂的优势。

发明目的

针对绳驱多关节冗余驱动机械臂，在现有的运动学建模，以及以磁栅传感器反馈绳长构建的运动学控制器的基础上，增加视觉伺服反馈系统，反馈机械臂姿态信息，并设计基于视觉伺服反馈的控制器作为运动学控制器的补偿，来显著提高机械臂的末端定位控制精度，解决了绳驱机械臂由于关节数增加引起的的末端定位控制不精的问题，使得机械臂具有良好的的避障能力。

本发明技术方案具体如下：

第一步：搭建带有ARUCO码的视觉伺服硬件系统，利用视觉伺服硬件系统采集绳驱多关节冗余驱动机械臂的姿态图像；

第二步：对姿态图像，采用图像处理方法解算出绳驱多关节冗余驱动机械臂中每个绳驱关节两个方向的转动角度Φi、θi作为绳驱关节的关节角度；

第三步：根据第二步解算出的机械臂的关节角度，建立视觉伺服反馈的控制器，作为运动学控制的外环，进行视觉伺服补偿控制，显著提高了机械臂的末端控制精度。

所述第一步具体为：

视觉伺服硬件系统包括安装在绳驱多关节冗余驱动机械臂的每个关节筒上的ARUCO码和全局相机，在绳驱多关节冗余驱动机械臂的每个关节筒安装上ARUCO码，不同的关节筒安装不同的ARUCO码，第i个关节筒安装上编号为i的ARUCO码，各个关节筒的ARUCO码布置于绳驱多关节冗余驱动机械臂的同一侧，在面对ARUCO码的方向放置全局相机，全局相机实时采集绳驱多关节冗余驱动机械臂的姿态图像，姿态图像中包含覆盖有所有关节筒上的ARUCO码。

所述的第二步，ARUCO码检测以及图像处理步骤，具体为：

2.1)对采集的姿态图像进行自适应二值化，提取轮廓，提取获得每个ARUCO码的图像区域，根据ARUCO码所在的图像区域分析处理获得ARUCO码所在平面在空间中的位置，进而得到ARUCO码所在平面相对于相机坐标系的三个轴的夹角；相机坐标系是以全局相机而建立的笛卡尔坐标系。

ARUCO码是包含有黑色块和白色块。

2.2)将每个ARUCO码的图像区域平均分割成4*4方格，统计每个方格中黑白色块的个数，然后进行以下判断：