機器人素描程序說明

1、一、 人臉?biāo)孛鑼嶒灹鞒炭驁D：開始新循環(huán)拍攝一張人臉照片Canny算子邊緣檢測步驟：用高斯濾波器平滑圖像；用一階偏導(dǎo)的有限差分來計算梯度的幅值和方向；對梯度幅值進(jìn)行非極大值抑制；用雙閾值算法檢測和連接邊緣。選擇處理精細(xì)模式：詳盡、一般、簡略彩色圖轉(zhuǎn)為256階灰度256色灰度值 0.30*紅色分量值+ 0.587*綠色分量值+ 0.114*藍(lán)色分量值圖像細(xì)化先進(jìn)行水平方向細(xì)化，再進(jìn)行垂直方向細(xì)化。去除離散噪聲：如果孤立像素塊像素點小于一定閾值，則認(rèn)為是離散噪聲點，需要去除。輪廓跟蹤二、實驗二 基礎(chǔ)運動控制實驗：2.1 機器人作業(yè)空間、繪圖空間、軌跡圖像坐標(biāo)映射機器人機械機構(gòu)由兩個臂組成，大臂有效長

2、度200毫米，小臂有效長度（旋轉(zhuǎn)中心到繪圖筆中心距離）為150毫米。大臂運動范圍±100度，小臂運動范圍±55度。機器人作業(yè)空間：機器人末端點可以到達(dá)的區(qū)域，如下圖所示（近似為一個扇環(huán)）：機器人繪圖空間：二自由度繪圖機械臂配備了一個長方形繪圖平臺，在繪圖平臺上可以鋪上白紙，平臺的尺寸是280mm*240mm，結(jié)合機器人的環(huán)形的作業(yè)空間，我們?nèi)…h(huán)形工作空間和 繪圖平臺 交集 中的一個最大繪圖矩形作為實際人臉?biāo)孛枥L圖空間，大小取為147mm*110mm(如此選擇主要是滿足長寬比例與圖像風(fēng)辨率320*240一致)，該矩形中心點在機器人坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（0，275），如下圖所示：軌

3、跡圖像坐標(biāo)映射：人臉圖像在處理時縮放為320×240像素分辨率，在Window系統(tǒng)中繪圖坐標(biāo)系的定義為：圖像左上角為原點，X方向從左到右為正向，Y方向從上到下為正向。繪圖空間坐標(biāo)系定義：繪圖空間為在機器人坐標(biāo)系中中心點坐標(biāo)為（0，275）的大小為147×110mm的矩形，其中的坐標(biāo)系定義為：147×110繪圖矩形中心點為原點，X方向從左到右，Y方向從下到上。素描圖像處理出來后得到的筆跡曲線在軌跡圖像坐標(biāo)系中表示，大小為320×240，如果需要將筆跡曲線繪制在繪圖空間中，需要做坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，從幾個坐標(biāo)系間的相對關(guān)系可以推導(dǎo)得到：如果 在320×240

4、 圖像坐標(biāo)系 中的 一個點 （x0,y0）映射到 機器人繪圖空間的對應(yīng)坐標(biāo)(x1,y1): X1=x0/2.1818-147/2 Y1=110/2-y0/2.1818+275其中的縮放系數(shù)2.1818 為 將320×240的圖像縮小到147×110繪圖空間的比例系數(shù)：240/110=2.18182.2 二自由度機械臂的運動學(xué)解：機械臂通常具有兩種運動方式：關(guān)節(jié)空間運動和直角坐標(biāo)運動。關(guān)節(jié)空間運動模式是指機器人操作臂的運動直接由各個關(guān)節(jié)的運動坐標(biāo)來確定，所有關(guān)節(jié)變量構(gòu)成一個關(guān)節(jié)矢量。所有關(guān)節(jié)矢量構(gòu)成的空間稱為關(guān)節(jié)空間。所謂關(guān)節(jié)空間運動模式就是直接操作各個關(guān)節(jié)的運動來完成機器人

5、的運動。下圖 a)為二自由度機械臂的關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間定義，關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間由兩個關(guān)節(jié)組成。直角坐標(biāo)運動模式是指機器人末端工具的位置和方位通常是在直角坐標(biāo)空間中描述。直角坐標(biāo)空間運動模式通過指定機器人末端工具在直角坐標(biāo)空間中的運動來完成機器人操作任務(wù)。下圖b)為二自由度機械臂直角坐標(biāo)空間的定義，這是一個二維的直角坐標(biāo)空間。 a)關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間 b)直角坐標(biāo)空間實際運行是通過對關(guān)節(jié)運動軸的伺服控制來實現(xiàn)的，也就是最終的機械臂的控制是在關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間中進(jìn)行的，但是對于操作者來說，直角坐標(biāo)空間更容易讓人理解和接受，操作者對機械臂的操作一般是在直角坐標(biāo)空間中進(jìn)行的，這樣就需要建立一種關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間和直角坐標(biāo)空間的對應(yīng)

6、關(guān)系，也就是說如果已知機械臂各個關(guān)節(jié)的坐標(biāo)參數(shù)需要求解機械手末端在直角坐標(biāo)空間中的坐標(biāo)，反過來如果已知機械手末端在直角坐標(biāo)空間的坐標(biāo)需要求解各個運動關(guān)節(jié)的坐標(biāo)參數(shù)，前一個問題稱為機器人的運動學(xué)正解，后一個問題稱為機器人的運動學(xué)反解。從數(shù)學(xué)的角度定義機器人的運動學(xué)正解和反解如下：設(shè)機器人的關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間中的關(guān)節(jié)變量記為，機器人末端工具在直角坐標(biāo)空間中的坐標(biāo)記為，關(guān)節(jié)變量和直角坐標(biāo)空間坐標(biāo)間存在如下運動學(xué)約束： 這是一個隱式方程，如果能夠從上式式求解出： 即由關(guān)節(jié)坐標(biāo)變量表示的直角坐標(biāo)變量，這就是機器人的運動學(xué)正解，一般的可以得到機器人運動學(xué)的唯一正解。如果能夠從4-1式求解出： 也就是已知機器人末

7、端工具的直角坐標(biāo)參數(shù)，求解出對應(yīng)關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間中的各個關(guān)節(jié)變量，這就是運動學(xué)的反解，通常難以得到解析的運動學(xué)反解，而且運動學(xué)反解一般也是不唯一的，實際應(yīng)用中常采用幾何法和數(shù)值解法來求解。下面我們來推導(dǎo)二自由度機械臂的運動學(xué)解：1） 二自由度機械臂運動學(xué)正解已知：關(guān)節(jié)1連桿長度，關(guān)節(jié)變量（關(guān)節(jié)控制軸1角度位置），關(guān)節(jié)2連桿長度，關(guān)節(jié)變量（關(guān)節(jié)控制軸2角度位置）。求解：關(guān)節(jié)連桿末端工具安裝點在直角坐標(biāo)空間的坐標(biāo)。二自由度機械臂運動學(xué)正解上圖為二自由度機械臂的運動學(xué)正解的示意圖，從圖上可以得到機械臂末端的直角坐標(biāo)： 2） 二自由度機械臂運動學(xué)反解 已知：關(guān)節(jié)1連桿長度，關(guān)節(jié)2連桿長度， 關(guān)節(jié)連桿末端工

8、具安裝點在直角坐標(biāo)空間的坐標(biāo), 求解：關(guān)節(jié)變量（關(guān)節(jié)控制軸1角度位置）， 關(guān)節(jié)變量（關(guān)節(jié)控制軸2角度位置）。下圖為求解二自由度機械臂運動學(xué)反解的示意圖，如果不考慮奇異點則有如下推導(dǎo)： 得到運動學(xué)反解的計算公式： 其中atan2(x ,y)為計算的反正切值（單位為弧度）的數(shù)學(xué)函數(shù)，利用雙變量函數(shù) atan2(x ,y)計算的優(yōu)點在于利用了x和y的符號能夠確定角度所在的象限，例如，而，如果使用單變量的反正切函數(shù)則不能區(qū)分這兩種情況，atan2(x ,y)的值域為，當(dāng)雙變量反正切函數(shù)的兩個參數(shù)都為零時，函數(shù)值不定。二自由度機械臂運動學(xué)反解3）運動學(xué)反解的不唯一性機器人運動學(xué)反解一般是不唯一的，也就是

9、可能存在多組關(guān)節(jié)坐標(biāo)變量值使得機械手末端達(dá)到給定的目標(biāo)位置。二自由度機械手在工作空間中運動時存在兩組運動學(xué)反解，如下所示。圖 二自由度機械臂的兩組反解實際運行中如何從機器人運動學(xué)的多組反解中選擇一組合適的解是一個值得研究的問題，一般的具有多組反解的機器人運動學(xué)問題可以采用優(yōu)化算法來解決，定義一定的優(yōu)化準(zhǔn)則，選擇滿足優(yōu)化準(zhǔn)則的最優(yōu)解作為機器人運動學(xué)的確定反解。優(yōu)化準(zhǔn)則的選取分兩種情況：一種是不存在障礙物時可以使用“最短行程”準(zhǔn)則，因為機器人的運動是連續(xù)的，結(jié)合前一次機器人運動學(xué)反解得到的關(guān)節(jié)坐標(biāo)位置，選取使機器人關(guān)節(jié)運動量最小的一組解作為反解，這種選取方法可以使得機器人運動保持連續(xù)；如果存在障礙

10、物，沿“最短行程”運動可能導(dǎo)致碰撞，這時應(yīng)該結(jié)合機器人的有障礙路徑規(guī)劃和智能決策等方法來選取反解。4）運動學(xué)反解中的特殊情況² 特殊情況1：如下圖所示。圖 運動學(xué)反解特殊情況1在這時目標(biāo)位置點(x, y)超出了機械臂運動空間范圍，計算機數(shù)值計算的判別條件為： 如果滿足： 則說明給定的目標(biāo)位置超出了機械臂的運動空間范圍，運動學(xué)反解不存在。其中為一個正小數(shù)，比如可以選?。?² 特殊情況2：如下圖所示。圖 運動學(xué)反解特殊情況2這時目標(biāo)位置剛好在機械臂工作空間邊界上，也就是目標(biāo)位置點處于奇異位置，在奇異點位置附近機械臂的運動特性比較差，控制軸運動可能會產(chǎn)生跳變，一般實驗時應(yīng)該避開這

11、些位置。對于這種奇異情況計算機數(shù)值計算的判別條件為： 這種情況下機械臂運動學(xué)反解為:2.3 電機脈沖當(dāng)量 機器人大臂驅(qū)動電機為100W松下交流伺服電機，小臂驅(qū)動電機為50W松下交流伺服電機，電機后面都配備了光電編碼器，光電編碼器的分辨率為2500脈沖/轉(zhuǎn)，光電編碼器的信號通過運動控制器中處理電路做了4倍頻處理，也就是說最終在使用運動控制器時我們得到的電機角度分辨率為10000脈沖/轉(zhuǎn)。機器人關(guān)節(jié)電機在驅(qū)動關(guān)節(jié)時還連接了諧波減速器，大臂減速比100，小臂減速比99. 如果需要大臂轉(zhuǎn)動1度，需要下發(fā)脈沖數(shù)為：10000脈沖/轉(zhuǎn) × 100 / 360 度/轉(zhuǎn) = 2777.7778 脈沖

12、/度； 如果需要小臂轉(zhuǎn)動 1 度， 需要下發(fā)脈沖數(shù)為： 10000 脈沖/轉(zhuǎn) × 99 /360度/轉(zhuǎn) =2750 脈沖/度。2.4 素描筆跡繪制策略： 圖像處理后得到的素描軌跡為一個筆畫一個筆畫存儲，在筆畫的起點需要落下繪圖筆，在筆畫的終點需要抬起繪圖筆，一個筆畫的終點到下一個筆畫的起點間為抬臂快速移動，不需要做插補運算（可以提高設(shè)備運行速度），筆畫由一系列坐標(biāo)點組成，筆畫中的繪制策略為：取一個筆畫坐標(biāo)點，轉(zhuǎn)化到機器人直角坐標(biāo)系，通過運動學(xué)反解運算得到兩個機器人關(guān)節(jié)的角度，通過角度和電機脈沖數(shù)的變化關(guān)系轉(zhuǎn)化為電機目標(biāo)脈沖數(shù)，下發(fā)給運動控制器，運動控制器協(xié)調(diào)電機驅(qū)動器控制關(guān)節(jié)電機運動

13、到目標(biāo)位置，此時繪圖比落下也就在繪圖板白紙上繪制出筆跡，連續(xù)移動則繪制出一條連續(xù)筆畫。三、 實驗三 機器人實時控制： 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 設(shè)計為 主從結(jié)構(gòu)（服務(wù)器/客戶機結(jié)構(gòu)），在實驗系統(tǒng)中一共有4套二自由度機械臂，每套機械臂具有兩個運動關(guān)節(jié)（電機），總共8個運動控制軸，使用一套8軸Galil嵌入式網(wǎng)絡(luò)運動控制器來統(tǒng)一控制4套機器人的8個運動軸。設(shè)置一臺計算機為服務(wù)器（教師監(jiān)督計算機），該服務(wù)器處理所有與運動控制相關(guān)細(xì)節(jié)，也就是說只有服務(wù)器才能和運動控制器通訊連接直接控制運動控制器和機器人。網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)中有一臺16口網(wǎng)絡(luò)交換機，8軸運動控制器具有192.168.0.101 IP 地址 連接到交換機的

14、一個端口，服務(wù)器（教師機）需要設(shè)置一個在 192.168.0.* 的 唯一IP地址 供 客戶機 通過指定 IP地址訪問。8套客戶機（學(xué)生機）也指定唯一的在192.168.0.*網(wǎng)段的 IP地址，比如從 192.168.0.110到192.168.0.117，客戶機的所有操作和請求均先發(fā)送到服務(wù)器，通過服務(wù)器解釋后，合法并授權(quán)的命令將被服務(wù)器解釋執(zhí)行并發(fā)送到運動控制器，通過服務(wù)器和客戶機兩個層次的設(shè)置確保了多套客戶機對4臺機器人的分時共享及其客戶權(quán)限的設(shè)置。在客戶機上運行客戶端程序，對客戶機端的要求做前端預(yù)處理，歸一化得到筆畫數(shù)據(jù)，如果申請到了服務(wù)器對機器人的訪問權(quán)限則將筆畫數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服

15、務(wù)器，由服務(wù)器解釋執(zhí)行；在服務(wù)器上運行服務(wù)器程序，服務(wù)器程序處理客戶機的權(quán)限管理和機器人的實際控制?？蛻舳撕头?wù)器件網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議：客戶端和服務(wù)器間通訊流程：1. 客戶端-（CONNECT 請求）-服務(wù)器提請建立網(wǎng)絡(luò)通訊連接請求，為了避免其他無關(guān)計算機連接到服務(wù)器干擾實驗流程，在這里采用了 客戶機 網(wǎng)卡 MAC 地址校驗，也就是說 我們先 保存了 能夠連接服務(wù)器 的 所有 客戶計算機 網(wǎng)卡的 MAC地址（MAC地址在客戶端軟件運行后能夠在窗口中顯示出來），客戶端發(fā)送請求時服務(wù)器會在允許聯(lián)機的地址列表中查找，如果找到則分配給客戶機一個連接序號，并在服務(wù)器上顯示連接客戶機的學(xué)號、姓名、地址等信息；如

16、果客戶機的地址與服務(wù)器不匹配則拒絕客戶機的連接請求。2. 客戶機正確聯(lián)機到服務(wù)器后，可以向服務(wù)器提交申請實時控制請求：客戶機（CONTROLAPPLY）服務(wù)器，此時如果服務(wù)器允許客戶機控制實際機器人硬件并且套機器人硬件有空閑，則分配機器人編號給客戶端，接下來客戶端可以將處理好的素描數(shù)據(jù)或者鼠標(biāo)繪圖數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器做實時繪制實驗?？蛻舳送瓿蓪崟r繪制實驗后應(yīng)該自覺提請釋放實際機器人硬件：客戶端（CONTROLNOT）服務(wù)器，此時服務(wù)器收回分配給客戶機的機器人硬件資源，可以供其他客戶器實驗使用。在服務(wù)器上我們也顯示了每套客戶機聯(lián)機時間，在服務(wù)器端也可以強制將長時間占用機器人資源而不主動釋放的客戶機斷開資源連接。3. 客戶機申請到機器人硬件資源后可以做三種類型實驗：人臉?biāo)孛枥L制、鼠標(biāo)繪圖繪制、手寫板實時控制，在實際實現(xiàn)中將人臉?biāo)孛枥L制和鼠標(biāo)繪圖繪制歸一為文件發(fā)送繪