机器人素描程序说明.docx

1、机器人素描程序说明一、人脸素描实验流程框图：开始新循环拍摄一张人脸照片选择处理精细模式：详尽、一般、简略彩色图转为256阶灰度256色灰度值 0.30*红色分量值+0.587*绿色分量值+0.114*蓝色分量值Canny算子边缘检测步骤：用高斯滤波器平滑图像；用一阶偏导的有限差分来计算梯度的幅值和方向；对梯度幅值进行非极大值抑制；用双阈值算法检测和连接边缘。图像细化先进行水平方向细化，再进行垂直方向细化。去除离散噪声：如果孤立像素块像素点小于一定阈值，则认为是离散噪声点，需要去除。轮廓跟踪二、实验二 基础运动控制实验：2.1机器人作业空间、绘图空间、轨迹图像坐标映射机器人机械机构由两个臂组成，

2、大臂有效长度200毫米，小臂有效长度（旋转中心到绘图笔中心距离）为150毫米。大臂运动范围100度，小臂运动范围55度。机器人作业空间：机器人末端点可以到达的区域，如下图所示（近似为一个扇环）：机器人绘图空间：二自由度绘图机械臂配备了一个长方形绘图平台，在绘图平台上可以铺上白纸，平台的尺寸是280mm*240mm，结合机器人的环形的作业空间，我们取环形工作空间和绘图平台交集中的一个最大绘图矩形作为实际人脸素描绘图空间，大小取为147mm*110mm(如此选择主要是满足长宽比例与图像风辨率320*240一致)，该矩形中心点在机器人坐标系中的坐标为（0，275），如下图所示：轨迹图像坐标映射：人脸

3、图像在处理时缩放为320240像素分辨率，在Window系统中绘图坐标系的定义为：图像左上角为原点，X方向从左到右为正向，Y方向从上到下为正向。绘图空间坐标系定义：绘图空间为在机器人坐标系中中心点坐标为（0，275）的大小为147110mm的矩形，其中的坐标系定义为：147110绘图矩形中心点为原点，X方向从左到右，Y方向从下到上。素描图像处理出来后得到的笔迹曲线在轨迹图像坐标系中表示，大小为320240，如果需要将笔迹曲线绘制在绘图空间中，需要做坐标转化，从几个坐标系间的相对关系可以推导得到：如果在320240图像坐标系中的一个点（x0,y0）映射到机器人绘图空间的对应坐标(x1,y1):X

4、1=x0/2.1818-147/2Y1=110/2-y0/2.1818+275其中的缩放系数2.1818为将320240的图像缩小到147110绘图空间的比例系数：240/110=2.18182.2二自由度机械臂的运动学解：机械臂通常具有两种运动方式：关节空间运动和直角坐标运动。关节空间运动模式是指机器人操作臂的运动直接由各个关节的运动坐标来确定，所有关节变量构成一个关节矢量。所有关节矢量构成的空间称为关节空间。所谓关节空间运动模式就是直接操作各个关节的运动来完成机器人的运动。下图a)为二自由度机械臂的关节坐标空间定义，关节坐标空间由两个关节组成。直角坐标运动模式是指机器人末端工具的位置和方位

5、通常是在直角坐标空间中描述。直角坐标空间运动模式通过指定机器人末端工具在直角坐标空间中的运动来完成机器人操作任务。下图b)为二自由度机械臂直角坐标空间的定义，这是一个二维的直角坐标空间。a)关节坐标空间 b)直角坐标空间实际运行是通过对关节运动轴的伺服控制来实现的，也就是最终的机械臂的控制是在关节坐标空间中进行的，但是对于操作者来说，直角坐标空间更容易让人理解和接受，操作者对机械臂的操作一般是在直角坐标空间中进行的，这样就需要建立一种关节坐标空间和直角坐标空间的对应关系，也就是说如果已知机械臂各个关节的坐标参数需要求解机械手末端在直角坐标空间中的坐标，反过来如果已知机械手末端在直角坐标空间的坐

6、标需要求解各个运动关节的坐标参数，前一个问题称为机器人的运动学正解，后一个问题称为机器人的运动学反解。从数学的角度定义机器人的运动学正解和反解如下：设机器人的关节坐标空间中的关节变量记为q=q1,q2,.qn，机器人末端工具在直角坐标空间中的坐标记为x=x,y,z,.，关节变量和直角坐标空间坐标间存在如下运动学约束：F(x,q)=0这是一个隐式方程，如果能够从上式式求解出：x=f(q)即由关节坐标变量表示的直角坐标变量，这就是机器人的运动学正解，一般的可以得到机器人运动学的唯一正解。如果能够从4-1式求解出：q=g(x)也就是已知机器人末端工具的直角坐标参数，求解出对应关节坐标空间中的各个关节

7、变量，这就是运动学的反解，通常难以得到解析的运动学反解，而且运动学反解一般也是不唯一的，实际应用中常采用几何法和数值解法来求解。下面我们来推导二自由度机械臂的运动学解：1）二自由度机械臂运动学正解已知：关节1连杆长度l1=200mm，关节变量q1（关节控制轴1角度位置），关节2连杆长度l2=150mm，关节变量q2（关节控制轴2角度位置）。求解：关节连杆末端工具安装点在直角坐标空间的坐标x=x,y。y=l1sinq1+l2sin(q1+q2)二自由度机械臂运动学正解上图为二自由度机械臂的运动学正解的示意图，从图上可以得到机械臂末端的直角坐标：x=l1cosq1+l2cos(q1+q2)2）二自

8、由度机械臂运动学反解已知：关节1连杆长度l1=200mm，关节2连杆长度l2=150mm，关节连杆末端工具安装点在直角坐标空间的坐标x=x,y,求解：关节变量q1（关节控制轴1角度位置），关节变量q2（关节控制轴2角度位置）。下图为求解二自由度机械臂运动学反解的示意图，如果不考虑奇异点则有如下推导：r=x2+y2cos3=222l1l2sin3=1-cos23sin1=cos1=l2sin3r22rl12q2= 4-q11=atan2(sin1,cos1)2=atan2(y,x)4=atan2(y-l1sinq1),(x-l1cosq1)得到运动学反解的计算公式：q1=2-1其中atan2(x

9、,y)为计算xy的反正切值（单位为弧度）的数学函数，利用双变量函数atan2(x,y)计算arctan()的优点在于利用了x和y的符号能够确定角度所在的象限，例如yxatan2(-1.0,-1.0)=-135o，而atan2(1.0,1.0)=45o，如果使用单变量的反正切函数则不)=arctan(能区分这两种情况arctan(-1.0-1.01.01.0)=arctan(1.0)=45o，atan2(x,y)的值域为(-,)，当双变量反正切函数的两个参数都为零时，函数值不定。y(x,y)3214l1q2二自由度机械臂运动学反解x3）运动学反解的不唯一性机器人运动学反解一般是不唯一的，也就是可

10、能存在多组关节坐标变量值使得机械手末端达到给定的目标位置。二自由度机械手在工作空间中运动时存在两组运动学反解，如下所示。y(x,y)l2l1x图二自由度机械臂的两组反解实际运行中如何从机器人运动学的多组反解中选择一组合适的解是一个值得研究的问题，一般的具有多组反解的机器人运动学问题可以采用优化算法来解决，定义一定的优化准则，选择满足优化准则的最优解作为机器人运动学的确定反解。优化准则的选取分两种情况：一种是不存在障碍物时可以使用“最短行程”准则，因为机器人的运动是连续的，结合前一次机器人运动学反解得到的关节坐标位置，选取使机器人关节运动量最小的一组解作为反解，这种选取方法可以使得机器人运动保持

11、连续；如果存在障碍物，沿“最短行程”运动可能导致碰撞，这时应该结合机器人的有障碍路径规划和智能决策等方法来选取反解。4）运动学反解中的特殊情况 特殊情况1：如下图所示。y(x,y)l2l1qx图运动学反解特殊情况1在这时目标位置点(x,y)超出了机械臂运动空间范围，计算机数值计算的判别条件为：=222l1l2如果满足：1+则说明给定的目标位置超出了机械臂的运动空间范围，运动学反解不存在。其中为一个正小数，比如可以选取：=10-8 特殊情况2：如下图所示。yl2(x,y)l1qxq2=0图运动学反解特殊情况2这时目标位置刚好在机械臂工作空间边界上，也就是目标位置点处于奇异位置，在奇异点位置附近机械臂的运动特性比较差，控制轴运动可能会产生跳变，一般实验时应该避开这些位置。对于这种奇异情况计算机数值计算的判别条件为：服务器，客户端发送手写板实时绘制请求，一次发送一个笔画数据到服务器。客户端（HANDCONTROLNOT）-服务器，客户端完成手写板实时绘制请求后，发送断开实时绘制请求。4. 客户端（CLOSE）-服务器，客户端退出客户端应用程序后发送COLSE消息给服务器，在服务器上更新客户机联机状态。