吴初明 深圳国创名厨商用设备制造有限公司南海分公司
基于视觉下的机械臂空间目标抓取策略初探
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机械臂在太空中执行任务时，要识别、跟踪以及抓取目标，视觉可以为机械臂提供很多的感知信息。本文先是简单介绍了基于视觉下的机械臂空间目标抓取，然后阐述了基于视觉下的机械臂空间目标抓取系统的数学模型以及立体视觉的算法流程，最后提出了基于手眼相机的手爪抓取策略。目的是为了帮助相关人员深入了解基于视觉下的机械臂空间目标抓取策略。
机械臂 立体视觉 视觉伺服
前言
目前，世界各国都发射了卫星、空间站和太空探测器等来探索太空，但是，这些航天器会在太空内留下很多空间碎片及太空垃圾，他们会对正常运行的航天机器造成很大的威胁。因此，要使用空间机械臂来回收这些太空垃圾，这样不仅会保护航天器，还会提升航天器的工作效率及能力，而空间目标的抓取是空间机械臂在执行任务时的重要环节。因此，对于机械臂空间目标抓取的研究是很有必要的。
一、基于视觉下的机械臂空间目标抓取的概述
空间目标的抓取涉及到空间机械臂的动力学、运动学、轨迹规划、避障和控制等多方面的内容。我国目前采用的是用视觉作为反馈来研究机械臂抓取系统的方法，该方法可以详细地验证非合作目标在复杂环境下的视觉算法、摄像机内部和外部参数的标定以及多自由度机械臂的控制，为机械臂的非合作目标抓取作业提供了理论的验证平台。相对于其他感知方式，视觉主要有获取的信息量大和不用接触就可以测量的优点，使得机械臂能够更好地进行目标物体的识别和跟踪，从而提高机械臂抓取目标物体的准确性。
二、基于视觉下的机械臂空间目标抓取系统的数学模型
（一）机械臂运动学模型
本文研究的机械臂使用的是串联型的手臂结构，主要有三个摆动关节，两个转动关节和一个摆动与转动关节，一共有六个自由度。这种关节型的机械臂具有结构紧凑、所占空间小、工作空间相对较大等特点，是机械臂中使用最为广泛的一种结构，能够到达工作空间的所有位置和姿态。机械臂的运动学模型主要有正运动学模型及逆运动学模型两种，其中，正运动学模型主要使用DH方法进行计算，逆运动学模型主要使用几何法和解析法来进行计算，使用几何投影的方法来得到机械臂的前三个关节，使用解析法来得到机械臂的后三个关节[1]。
（二）抓取系统的空间位姿关系
机械臂进行目标抓取作业时，一定要标定或确定以下几个坐标系之间的相互转换矩阵：首先，是机械臂与基础坐标系之间的转换矩阵：因为机械臂的安装基座是严格根据机械的尺寸进行加工和装配的，所以该矩阵可以在安装图内得到；然后是相机坐标系与基础坐标系之间的转换矩阵：因为不能确定相机的安装尺寸以及相机的光心，所以该矩阵要通过标定才能得到；最后是机械臂手爪坐标系与机械臂坐标系之间的转换矩阵：该矩阵可以通过机械臂的安装尺寸来得到。另外，系统中的其他坐标变化都可以通过以上三个坐标转换矩阵来得到。
三、立体视觉的算法流程
使用立体视觉来测量目标物体的空间位置与姿态，具体的视觉处理算法流程如下：第一，在左右两个相机中分别捕捉当前的两帧图像；第二，通过“块视差计算”单元模块，来矫正和捕捉左右相机中的畸变图像，使矫正过的相机中心对齐在同一条图像的水平线上，再与块匹配技术BlockMatching相结合，简单地计算一下左右图像存在的视差图；第三，使用视差图来计算目标物体的初始三维景深，然后反演到二维的图像平面上，最后估计出目标物体在左右图像内的大致范围；第四，在第三步估计的范围内提取出目标的轮廓特征，进行目标椭圆轮廓特征的追踪；第五，使用RanSac算法来拟合点云对应的平面，以此来计算出平面法的向量和点云的中心位置。
四、基于手眼相机的手爪抓取策略
经过大量的实验分析，我们发现，使用立体视觉进行目标定位的测量存在很大的误差。但是抓取空间目标要求位置和姿态的测量精度要达到手爪范围以及机械臂的运动精度要求，但是只使用双目相机不能达到要求，因此，要使用双目和单目相结合的方法。其中，单目视觉算法可以使用基于图像及位置的两种视觉伺服算法，基于图像的视觉伺服算法具备更多的优势，因为基于图像的视觉伺服算法不会依赖单目相机的内部及外部参数的标定结果。本文应用这种算法进行手爪的位姿调整，以此来进行目标抓取。要将相机安装到手爪固定的位置上，相机会随着手爪尾端的轨迹进行运动。具体的抓取方案如下：
第一，双目相机会对目标进行识别，测量出目标在双目视觉坐标系内的位置和姿态，然后根据双目视觉坐标系与机器人坐标系之间的转换矩阵，来计算出目标在机器人坐标系内的位置和姿态；第二，要依据双目视觉反馈以及IMM算法，估计出目标物体的运动状况，确定好抓取目标时手爪的初始位姿，将机械臂运动到确定好的初始位姿时，启动单目相机；第三，使用单目相机来测量目标在相机坐标系内的坐姿，然后依据单目坐标系与机械臂末端坐标系之间的转换矩阵，来计算目标物体在机械臂末端坐标系内的位姿；第四，采用IMM算法来估计出目标物体的运动参数，按照视觉伺服控制律，实施目标物体的对接和抓取[2]。
五、结论
综上所述，机械臂空间目标抓取系统是一种比较复杂的系统。分析可得，建立空间目标抓取系统的数学模型，选择科学合理的算法，应用正确的抓取策略，可以有效地保障机械臂抓取空间目标，为机械臂探测以及抓取非合作目标提供了参考。希望本文可以为相关人员研究机械臂空间目标的抓取提供参考。
[1]陈友东，郭佳鑫，陶永.基于高斯过程的机器人自适应抓取策略[J].北京航空航天大学学报，2016:1-9.
[2]丛佩超，孙兆伟.双臂式空间机械臂捕捉目标的碰撞问题研究[J].四川大学学报(工程科学版)，2010，4204:234-241.
