华南理工大学机械工程学院“智能排爆机器人”成果简介

2012-04-24

华南理工大学机械工程学院蒋梁中教授主持研制的“智能排爆机器人”基于多级控制结构，采用人工智能层及运动控制层。运动控制层又由补间器及反馈控制组成，反馈采用PC-104的嵌入式结构，两层之间的联络由手眼协调担任。

在控制结构中，采用eye-in-hand的安装方式，即CCD摄像机和机器人的末端手爪固定在一起，CCD摄像机随着手爪移动而移动，然后利用双目视觉原理计算出目标相对于末端手爪的三维坐标。该结构能降低摄像机精确标定的要求，还可以避免末端手爪遮挡目标物、目标定位精度与视差的大小之间难以平衡等缺点；另外，将视觉处理与机器人的运动控制分开，可以直观地在坐标系中描述期望的运动轨迹。在手眼协调过程中，多次利用双目视觉计算出的三维坐标与机器手臂当前的姿态，实时地计算出机器手臂的目标姿态，并控制各关节运动到目标姿态。该排爆机器人控制系统主要在双目视觉计算精度和手眼协调系统上做了突破。

在双目视觉计算部分，精度提高的难点在于成像模型中。由于摄像头的畸变参数难以确定，造成双目视觉计算精度的降低。本系统在标定过程中，采用了更接近真实成像过程的畸变模型，并且在参数估计的过程中利用线形求解与非线性估计相结合的方法，更精确和有效地估计出成像模型的参数。

在抓取目标物的过程中，利用了手眼协调系统，即在手爪移向目标物的过程中，采用逐步逼近的过程。在双目视觉计算部分，一般能将误差控制在0.3%以内，为了达到更高的绝对精度，需要利用手眼协调的过程，在目标物距离较远时，先进行粗略定位，控制手臂运动到300mm处，然后再进行精确定位，调整机器人手臂姿态，进行精确抓取，将绝对误差控制在1mm以内。利用手眼协调系统，弥补了一次计算以及手臂运动过程中可能造成的误差。在运动控制中的补间器利用MATLAB进行“反向求解”解决了五自由度的机器人反向求解后解式计算量大难于求解的问题。反馈控制主要目前采用RTW及XPC技术，使其开发周期大为缩短。

经实验，系统的双目视觉计算算法能将误差控制在0.3%之内，采用手眼协调系统之后，更能将图像处理绝对误差控制在1mm之内, 极大地提高了该排爆机器人系统的性能以及实用性。

专家简介

蒋梁中，男，1966年本科毕业于西南大学物理系，1973年研究生毕业于复旦大学光学系激光物理专业。现为华南理工大学机械工程学院教授、博士生导师，日本早稻田大学理工学术院先端理工学部菅野研究室客座研究员，中国仪器仪表学会环境与安全分会副理事长。

蒋梁中教授是著名自动化专家，长期从事激光物理及机器人研究，先后研制出CO₂激光打孔机、钇铝石榴石激光打孔机、三公分船用雷达港口进港导航器、水下机器人、港口大型装卸桥吊自动控制系统、计算机柔性集成加工系统、冲电气彩色复印机控制系统、围棋机器人、环境在线监测监控系统等。其中，“智能排爆机器人”性能先进，取得多项技术创新。