基于视觉的可重构模块化机器人模型构建技术

作者:林克伟;谷世超;梁峰;廖亚军; 刊名:机械工程与自动化 上传者:邹洪茂

【摘要】针对不同的作业任务,可重构模块化机器人能利用机器人模块单元来灵活搭建不同的构型,但为新构型的机器人构建其运动学模型需要完成大量的工作.已知各类模块的模型,模块化机器人整体可以被表达为抽象的运动链模型,该模型包括所有组成模块、模块在运动链中的顺序、相邻模块连接的情况.根据抽象运动链的信息,组合各类模块的模型,即可以生成机器人整体模型.然而,采用通过模块内部传感器检测模块间连接参数的方法会导致模块单元设计方案复杂且成本高.提出了一种基于视觉的方法来识别机器人的运动链模型参数,然后利用模块的模型可以自动生成机器人的整体模型.

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櫜广东省科学技术厅重大项目(2014B090919002,2016B0911006)0引言可重构模块化机器人(ReconfigurableModularRobot,RMR)是一种利用若干基本模块构建系统整体的机器人[1]。每一个模块都是独立的机电系统,集机械、电子、内部控制为一体。根据不同的任务,使用者可以快速搭建新的机器人构型,以便更好地完成作业。机器人运动学模型的自动构建技术是RMR应用的关键技术之一,也是RMR与固定形态机器人的(fix-morphologyrobot)最大不同之处[2]。利用有限类型的模块单元,使用者可以搭建出无数不同的机器人系统。因而RMR设计者无法预先构建所有构型的机器人模型。而使用者在应用过程中,根据现场作业要求选择最优构型,搭建出模块化机器人实体后,需要构建对应的机器人模型。一些学者提出了模块化机器人运动学自动推导技术的理论框架[3],但他们假设机器人的构型已知或者人为指定,这需要使用者对系统较为了解。一些RMR系统采用了模块内部传感器来识别模块间的连接[4],但这会导致模块的设计更加复杂,同时更为昂贵。本文提出了一种利用外部相机的方法来实现对机器人构型的识别。每个模块只要稍作改动,在生产模块之时在外壳上印制视觉标志即可。这样,在构建新的机器人后,利用相机拍摄机器人实体,通过识别照片中的模块以及判断模块之间相互连接的关系,即可自动构建机器人运动链,从而用于构建机器人的模型。1模块化机器人系统利用若干不同类型的基本模块作为基本单元,可以搭建不同的机器人系统。图1中的模块化机器人系统具有两大类模块:关节模块和工具模块。图1可重构模块化机器人系统关节模块构成了机器人的主体,而工具模块用于操作任务或者与环境的交互。利用这些模块,我们搭建了双手爪爬杆机器人、五自由度操作臂、变轮距的移动机器人、双足步行机器人以及墙壁攀爬机器人[5]。1.1模块单元的表示图2为基本模块图。在图2中,关节轴线与模块连杆轴线重合的模块称为I类型模块,其中体积较大、功率较大者称为“I”,而较为轻量的此类模块称为“i”。类似的,关节轴线与模块连杆轴线垂直的模块称为T类型模块,根据功率和尺寸规格分为“T”和“t”。大小两种夹持器分别称为“G”和“g”。除此之外还有其他模块,在此不做详细介绍。图2基本模块不同类型模块的信息保存在各自的Xacro格式文件中,文件名字与模块类型一致。Xacro是一种XML宏语言,在ROS(RobotOperatingSystem)系统中常用于简化机器人描述文件URDF(UniversalRobotDescriptionFormat),从而创建出简洁、可读性高的机器人描述。每个模块类型对应的Xacro文件保存了关节的运动学、动力学参数,还有减速比等传动机构参数。图3展示了一个关节模块的Xacro文件的基本结构。每个关节模块都有一个输入连杆、一个输出连杆和一个转动关节。图3关节模块的Xacro文件基本机构1.2模块化机器人的表示各类型单个模块的模型数据都保存在各自的Xacro文件中,因而模块化机器人整体则可以根据机器人运动链的结构,(相应地包括各模块的Xacro文件)来生成机器人整体的描述文件,这使得对机器人的描述可以通过将其抽象为一条运动链来实现。由此,机器人的模型建立问题转化为机器人运动链结构的识别问题。描述机器人的运动链拓扑需要指定:(1)所有用于构建机器人的模块;(2)模块在运动链中的次序;(3)相邻模块间的连接参数。因此,图1中的模块化操作臂可以抽象为“I-T0-T0-A-i0-t180-g90”。其中,连接符连接着多个

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