NAO機(jī)器人的視覺伺服物品抓取設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、隨著人口老齡化問題日益加劇，“空巢老人”不斷增多，導(dǎo)致如何解決照顧陪伴“空巢老人”的問題成為社會(huì)難題。在日常生活中，物品的操作是最為頻繁的行為之一，老年人和殘疾人由于行動(dòng)不便或各種其他的原因，難以完成這些日常行為，需要家庭服務(wù)機(jī)器人給予幫助，所以服務(wù)機(jī)器人不僅需要在非結(jié)構(gòu)化的家庭環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，更為重要的是需要具有操作能力，能夠幫助人完成家庭物品的抓取和傳送。
　　本文以家庭服務(wù)機(jī)器人為用戶提供家庭物品抓取和傳遞服務(wù)為應(yīng)用背景，以仿人

2、機(jī)器人NAO為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為使NAO能夠更智能更自主地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，對(duì)NAO機(jī)器人的五自由度手臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，利用NAO的本體單目視覺和外設(shè)雙目立體視覺構(gòu)成視覺伺服控制系統(tǒng)，提出了準(zhǔn)確的物品位姿估計(jì)算法，設(shè)計(jì)了基于位置的視覺伺服(Position-Based Visual Servoing，PBVS)控制方法，并且結(jié)合迭代學(xué)習(xí)控制改進(jìn)了PBVS控制律，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提出的機(jī)器人控制方法能夠使機(jī)器人很好的完成家庭物品抓取、傳遞任務(wù)，對(duì)機(jī)器

3、人走入家庭為人提供服務(wù)具有重要意義。
　　針對(duì)在機(jī)器人附近且在機(jī)器人視野范圍內(nèi)物品的抓取問題，基于本體單目視覺提出基于Naomark標(biāo)簽的物品識(shí)別和定位方法，利用世界平面單應(yīng)矩陣分解算法對(duì)目標(biāo)物的位姿進(jìn)行估計(jì)，使本體單目視覺能夠?qū)ξ矬w進(jìn)行快速識(shí)別和準(zhǔn)確定位。同時(shí)，本文設(shè)計(jì)了單臂抓取和雙臂抓取的PBVS控制律，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解進(jìn)行關(guān)節(jié)控制量的求解實(shí)現(xiàn)抓取，并提出雙臂抓取在運(yùn)送物品過程中需滿足的位姿約束條件。為避免抓取過程中末端執(zhí)行器與

4、障礙物和目標(biāo)抓取物的碰撞，對(duì)原有PBVS控制律引入路徑規(guī)劃進(jìn)行了改進(jìn)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)控制律的優(yōu)越性。
　　對(duì)于未貼Naomark標(biāo)簽的物體和傳遞過程中運(yùn)動(dòng)的物體，本體視覺存在分辨率低，深度信息未知單目視覺難以進(jìn)行精確定位，圖像特征提取困難，難以進(jìn)行快速圖像處理，易產(chǎn)生圖像動(dòng)態(tài)模糊等問題。為解決這些難題以實(shí)現(xiàn)本體單目視覺難以準(zhǔn)確識(shí)別與定位的物品的抓取，借助Bumblebee2雙目立體相機(jī)構(gòu)建視覺伺服系統(tǒng)，通過圖像處理獲取物品的自

5、然特征點(diǎn)，利用對(duì)極幾何及本質(zhì)矩陣分解和線性三角形法獲取特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)而估計(jì)出攝像機(jī)坐標(biāo)系與物體坐標(biāo)系的相對(duì)位姿。對(duì)于傳遞過程中運(yùn)動(dòng)物體的定位問題，提出了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的物體位姿估計(jì)與運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方法。針對(duì)靜止物品和傳遞過程中運(yùn)動(dòng)物品的抓取問題，分別設(shè)計(jì)了李雅普諾夫漸進(jìn)穩(wěn)定的PBVS抓取控制律，但由于機(jī)械誤差和物品運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)誤差的存在，導(dǎo)致末端執(zhí)行器不能完全跟蹤上期望的抓取軌跡，本文結(jié)合迭代學(xué)習(xí)控制對(duì)PBVS控制律進(jìn)行了改進(jìn)，通過迭代