劉圭圭,樊炳輝,王傳江,張凱麗

　?。ㄉ綎|科技大學(xué) 機(jī)器人研究中心，山東 青島 266590）

　　摘要：為幫助上肢活動(dòng)不便的老人,、殘疾人完成自主進(jìn)食等行為,，開發(fā)了一套基于雙目視覺(jué)的助老助殘機(jī)器人定位系統(tǒng)。通過(guò)藍(lán)色激光引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)對(duì)雙目相機(jī)視野范圍內(nèi)任意物體的定位,。采用多自由度助老助殘機(jī)器人和Bumblebee2立體視覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)建定位實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),，定位誤差在1.2 cm范圍內(nèi)，滿足對(duì)助老助殘機(jī)器人定位精度的要求,。

　　關(guān)鍵詞：雙目視覺(jué),；助老助殘；機(jī)器人,；定位

0引言

　　助老助殘機(jī)器人即為幫助那些身體功能缺失或嚴(yán)重喪失的老人,、殘疾人實(shí)現(xiàn)獨(dú)立生活的一類機(jī)器人。雙目視覺(jué)即為通過(guò)位于不同視角的兩個(gè)相機(jī)模擬人類視覺(jué)原理,，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間中三維物體的定位,。雙目視覺(jué)已廣泛應(yīng)用于機(jī)器人導(dǎo)航、場(chǎng)景重建,、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域［13］,。

　　本文簡(jiǎn)單介紹了雙目視覺(jué)原理，利用多自由度助老助殘機(jī)器人和Bumblebee2立體視覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)建的定位系統(tǒng),，進(jìn)行了空間三維定位實(shí)驗(yàn),。

1雙目視覺(jué)原理

　　本文采用平行光軸雙目視覺(jué),其原理如圖1所示。左右兩臺(tái)完全相同的相機(jī)精確位于同一平面上,，主光線嚴(yán)格平行,，相對(duì)位置固定，主點(diǎn)(clx,cly)和(crx,cry)在左右兩幅圖像上具有相同的像素坐標(biāo),。T（基線長(zhǎng)度）為兩臺(tái)相機(jī)中心之間的距離,。左右相機(jī)成像平面坐標(biāo)系分別為OlXlYl和OrXrYr，雙目相機(jī)坐標(biāo)系為OXYZ,。坐標(biāo)系OXYZ中任一點(diǎn)P(x,y,z)在兩成像平面坐標(biāo)系中分別對(duì)應(yīng)為點(diǎn)Pl(xl,yl)和點(diǎn)Pr(xr,yr),。點(diǎn)P在兩幅圖像中的y坐標(biāo)值是一樣的，即yl=yr=ylr,。根據(jù)三角幾何原理和小孔成像原理可得式(1)：

　　假設(shè)d=xl-xr,，d稱之為視差（即為同一個(gè)空間點(diǎn)在兩幅圖像中位置的偏差）,代入式(1)即可計(jì)算出點(diǎn)P在相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，如式（2)：

2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

　　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括多自由度助老助殘機(jī)器人和Bumblebee2雙目視覺(jué)系統(tǒng)兩個(gè)部分,。整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,。

　　2.1助老助殘機(jī)器人系統(tǒng)

　　多自由度助老助殘機(jī)器人如圖3所示,。結(jié)構(gòu)圖中1、2,、3為伺服電機(jī),，PC通過(guò)USB轉(zhuǎn)CAN總線的方式對(duì)其發(fā)送控制命令；4,、5為數(shù)字舵機(jī),，通過(guò)USB轉(zhuǎn)RS485的方式對(duì)其施行控制；6為直流電機(jī),，通過(guò)USB轉(zhuǎn)RS232與CortexM3底層控制器進(jìn)行通信,，之后由底層控制器對(duì)其進(jìn)行控制操作。機(jī)械臂的DH［4］參數(shù)模型如表1所示,。

　　2.2雙目視覺(jué)系統(tǒng)

　　Bumblebee203s2c是Point Grey Research公司的一款立體視覺(jué)產(chǎn)品,。采用兩個(gè)Sony CCD芯片,，分辨率為640×480,，具有高速1394A接口，全視場(chǎng)深度測(cè)量,，實(shí)時(shí)3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（3D點(diǎn)100萬(wàn)像素/s）,，相機(jī)位置偏差和鏡頭畸變可以自動(dòng)校正，配套有靈活的軟件開發(fā)工具,。

　　Bumblebee2左右兩相機(jī)之間的基線長(zhǎng)度為12 cm,，每個(gè)相機(jī)的視場(chǎng)角為66°。根據(jù)上述兩個(gè)參數(shù),，可得雙目相機(jī)視場(chǎng)范圍,。圖4為實(shí)測(cè)坐標(biāo)系OXYZ的位姿。

　　2.3二者之間的位置關(guān)系

　　圖5為雙目相機(jī)坐標(biāo)系odxdydzd與世界坐標(biāo)系oxyz之間的位置關(guān)系,，圖中相機(jī)可繞xd軸旋轉(zhuǎn)（θ）,。由圖中幾何關(guān)系及坐標(biāo)變換公式［5］可知，在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)P=［pxpypz1］T,，轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為［153-py×sin(θ)-pz×cos(θ),px+568,pz×sin(θ)-py×cos(θ)-286,1］T,。

3助老助殘機(jī)器人定位實(shí)驗(yàn)

　　3.1雙目視覺(jué)定位精度實(shí)驗(yàn)

　　將Bumblebee2相機(jī)固定，在其正前方沿垂直于相機(jī)平面的直線移動(dòng)目標(biāo)物來(lái)測(cè)量Z的值,，測(cè)量范圍為260 mm~1 000 mm,，相鄰兩次測(cè)量位置間隔為20 mm。同樣的,，在Z=750 mm,，垂直于Z軸的平面上對(duì)X、Y值分別進(jìn)行測(cè)量,。為防止偶然誤差的出現(xiàn),，采用同一位置測(cè)量10次取平均值的方式來(lái)確定測(cè)量結(jié)果,。真實(shí)值與測(cè)量值(部分)如表2所示，各分量誤差關(guān)系曲線如圖6所示,。由表2可知,，雙目視覺(jué)定位誤差在5 mm范圍內(nèi)。

　　3.2助老助殘機(jī)器人末端定位精度實(shí)驗(yàn)

　　室內(nèi)環(huán)境下,，通過(guò)鼠標(biāo)選擇目標(biāo)物的方式進(jìn)行了3組實(shí)驗(yàn),，目標(biāo)位置在相機(jī)坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)以及通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆向求解［67］獲得的各關(guān)節(jié)實(shí)際坐標(biāo),，如表3所示,。表3中誤差計(jì)算公式為：

　　由表3可知，助老助殘機(jī)器人末端定位誤差在1.2 cm范圍內(nèi),，滿足實(shí)驗(yàn)要求,。

　　3.3實(shí)驗(yàn)效果

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)藍(lán)色激光筆的引導(dǎo)來(lái)選擇定位目標(biāo)，通過(guò)閾值分割等方法［89］進(jìn)行數(shù)字圖像處理,，主動(dòng)確定激光點(diǎn)所指目標(biāo)點(diǎn)位置,。實(shí)驗(yàn)效果如圖7所示。圖中目標(biāo)位置在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（單位:mm）為（-37.21,-17.03,264.33）,，在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為（270.41,530.79,-523.43）,，而手臂末端在世界坐標(biāo)系下的實(shí)際坐標(biāo)為（262,532,-520），誤差為9.16 mm,滿足實(shí)驗(yàn)精度要求,。除此之外,，可以通過(guò)人嘴部識(shí)別［10］

　　對(duì)嘴部進(jìn)行定位，還可以通過(guò)模板匹配方式來(lái)定位某一特定物體,。

4結(jié)論

　　本文應(yīng)用雙目視覺(jué)對(duì)助老助殘機(jī)器人的操作目標(biāo)位置進(jìn)行定位,，并對(duì)定位精度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，精度限定在5 mm范圍內(nèi),。配合機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng),，末端定位精度在1.2 cm范圍內(nèi)，滿足實(shí)驗(yàn)要求,。但系統(tǒng)仍有需要改進(jìn)的地方,，比如控制器攜帶不方便，激光斑指引方法易受環(huán)境光照的影響等,。

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