[发明专利]一种排爆机器人的目标抓取系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及自动控制、无线传输、遥操作、激光测距、空间坐标变换和机器人运动学技术，尤其涉及一种能够实现类圆柱体目标位姿获取的测量机构，该机构固定于排爆机器人机体，与排爆机器人的机械手构成确定的位置关系，从而通过坐标变换计算出目标物相对于机械手的位姿，引导机械手实现自主抓取。

背景技术

随着国际反恐形势的日趋严峻和反恐斗争的深入，危险弹药处理与搬运已成为世界各国和军队共同关注的课题。由于危险弹药的保险状态、质量状况不明、放置的位置与位姿随机性较大，搬运过程中随时有爆炸的可能，因此，采用排爆机器人进行弹药处理作业，降低危险弹药的处理难度，避免工作人员的伤亡，对提高弹药处理技术水平和作业效率具有重要意义。世界上已有的排爆机器人包括履带式“手推车”、“超级手推车”MPR-800型多功能智能机器人、威霸龙排爆机器人、安德鲁斯HD-I机器人、Rode排爆机器人、“灵蜥A”和“灵蜥B”排爆机器人、RAPTOR-EOD中型排爆机器人等。目前，这些排爆机器人普遍存在目标位姿获取和自主抓取的智能化程度不够、作业效率不高、对操作人员要求高等问题。危险弹药等类圆柱体目标的位姿获取是实现排弹机械手路径规划与自主抓取的基础和关键环节，已成为当前制约排爆机器人作业效率的“瓶颈”环节之一。

目前，国内外已有十余种排爆机器人，对弹药等类圆柱体目标的位姿获取主要通过以下途径实现：

（1）通过多个不同角度摄像头的2D图像信息，依靠人的目测与经验进行机械手末端执行器的控制。该方法对操作者的经验和心理素质要求较高，末端执行器的位置与实际偏差不能满足需求，抓取效果不够理想；由于该方法无法获得目标物的位姿信息，因此不能实现自主抓取。

（2）在手爪或腕部等部位安装测距传感器，辅助自主抓取。这种方法能够得到机器人手爪与抓取目标之间的距离信息，但无法得到其姿态信息，由于测距传感器安装在机械手上，对准目标物的操作存在一定困难，其初始位姿误差受到机械手多关节累积误差影响较大，需要在抓取过程中进行多次测量和调整；虽然该方法无法引导机器人的自主抓取，但能够在一定程度上消除操作人员的紧张程度。

（3）采用双目立体视觉系统，进行位姿确定，作为机械手自主抓取闭环控制的反馈环节，实现自动抓取和路径规划。该方法由于需要进行摄像机标定、目标图像分割处理、抓取点分析等处理，算法复杂，精度不够理想，特别是在复杂背景中提取出目标物并准确识别较为困难，对操作人员要求也较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于排爆机器人的类圆柱体目标位姿获取机构，采用该机构获取弹药等目标物的位姿，通过该机构与机械手的相对坐标关系，计算出目标物相对于机械手的位姿，从而实现自主抓取。

为实现上述目的，本发明提供了一种排爆机器人的目标抓取系统，所述系统包含：

位姿获取机构，用于测量激光测距传感器发射到目标物体上的激光束的长度值，并通过云台的旋转和俯仰运动采集所述激光束的旋转角和俯仰角，进而通过运动学方程获得所述激光束到达目标物体上的激光点的三维坐标；

信息处理单元，用于根据目标在位姿获取机构底座上的坐标信息，以及位姿获取机构和机械手的相对位置关系，计算目标物相对于机械手的位姿；

机械手，用于基于目标相对于机械手的位姿信息抓取目标；

机器人机体，用于固定机械手和位姿获取机构；

其中，所述激光测距传感器固定于云台上，且所述激光测距传感器能够与云台同步旋转和俯仰。

上述系统还包含：

后端控制台，用于依据得到的双目视觉图像，进而操作者遥控机器人行进到达作业区域，并通过发送控制指令实现自主抓取；和

无线传输设备，用于实现后端控制台和机器人之间的音频、视频、控制信号和数据的传输。主要包括音频和控制信号的双向传输，将双路视频信号、云台角度反馈值和激光测距反馈数值传输到后端控制台。

上述位姿获取机构从下向上依次包含：

底座，用于将云台固定于机器人机体上，且底座所在的位置为位姿获取机构的坐标基准；

云台，用于为激光测距传感器发出的激光提供旋转和俯仰两个旋转自由度，并能够反馈该云台的旋转角和俯仰角的值；

调节机构，该调节机构固定在云台上，能够相对于云台进行角度和位置微调；通过该调节机构，还能够调整激光测距传感器和双目摄像机相对于云台的安装位置关系并能够紧固；

双目摄像机，安装于调节机构上方，用于采集机械手的作业区域的双目视觉图像，并将采集的双目视觉图像传输到后端控制台，从而引导遥操作位姿获取和目标自主抓取；和