[发明专利]一种基于视觉伺服的机械臂目标跟踪方法

权利要求书

1.一种基于视觉伺服的机械臂目标跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

在图像识别周期内图像采集及特征识别模块利用工业摄像头实时采集目标的图像特征，检测出图像特征坐标信息；

视觉伺服运算模块根据所述图像特征坐标信息进行图像雅可比矩阵在线估计，计算出当前时刻机械臂末端的空间速度；

机械臂运动控制器模块将所述当前时刻机械臂末端的空间速度转化为机械臂控制周期内关节目标角速度，利用机械臂控制周期时间常数积分为机械臂关节目标角度；

在所述利用机械臂控制周期时间常数积分为机械臂关节目标角度的同时，速度前馈补偿模块对机械臂关节目标角度进行动态补偿，实时调整机械臂关节目标角度，完成目标的跟踪；

所述目标的图像特征为平面矩形顶点标注的四个图像特征；

所述图像特征为圆形图像特征；

所述在图像识别周期内图像采集及特征识别模块利用工业摄像头实时采集目标的图像特征，检测出图像特征坐标信息之前，所述方法还包括：

将工业摄像头通过工装固定在六自由度的机械臂末端；

移动机械臂，以使得四个圆形图像特征全部位于工业摄像头视野范围内，且其圆心像素坐标为p_i＝(u_i,v_i),i＝1,2,3,4，其中，摄像头参数如下：焦距f，像素比例系数ρ_u,ρ_v，主点坐标(u₀,v₀)，机械臂目标跟踪开始时必须保证；

所述视觉伺服运算模块根据所述图像特征坐标信息进行图像雅可比矩阵在线估计，计算出当前时刻机械臂末端的空间速度，包括：

视觉伺服模块使用α-β滤波方法进行图像雅可比矩阵在线估计；

所述视觉伺服模块使用α-β滤波方法进行图像雅可比矩阵在线估计，包括：

S100、计算所述四个圆形图像特征圆心像素坐标相对于所述主点的速度，

表示为

其中，为工业摄像头的刚体速度，机械臂有六个关节，一个关节是一个轴，为当前时刻机械臂末端的空间速度表示为沿各轴的平移速度，为与绕各轴的旋转角速度，J_p为所述图像雅可比矩阵；

S102、归一化像素坐标变换：

S104、得到K时刻图像雅可比矩阵测量值：

S106、将α-β滤波器应用于图像雅可比矩阵估计中，将图像雅可比矩阵的各个元素看作机械臂视觉伺服控制系统的状态，并以此为机械臂视觉伺服控制系统状态构造线性系统，离散化形式如下：

其中，J^m表示图像雅可比矩阵测量值，J^s表示图像雅可比矩阵平滑值，J^p表示图像雅可比矩阵估计值，K表示时刻时间常数，T为视觉采样周期时间，α为位置滤波参数，β为速度滤波参数，参数满足以下范围保证滤波器稳定状态：

S108、计算视觉伺服控制模式下工业摄像头刚体速度其中，J⁺表示J广义逆，表示J^p的广义逆，λ为比例控制系数，为四点图像特征期望值。