[发明专利]基于视觉实时示教与自适应DMPS的机械臂运动控制方法和系统

权利要求书

1.一种基于视觉实时示教与自适应DMPS的机械臂运动控制方法，其特征在于通过计算机视觉对具有设定QR码特征的示教物进行三维位姿识别、定位、跟踪，QR码中心为二维码示教识别部位，二维码示教识别部位外围为白色矩形区域和四角的黑色小矩形连接形成的矩形框；同时建立空间映射系统将示教物空间信息映射到机械臂末端，示教时使用者通过操控示教物间接实时控制机械臂运动；最后在线采集记录示教运动信息并运用自适应DMPS算法对运动信息进行局部线性优化与学习；其中，示教运动信息与机械臂命令信息在ROS环境下实时交互，包括以下步骤：

步骤1：搭建ROS环境，建立Kinect摄像头、机械臂信息交互节点，校正Kinect摄像头参数并设置图像传输大小与频率；初始化机械臂的控制模块，设置机械臂命令接收与发布频率；

步骤2：设定具有设定QR码的物体为示教物，使用Kinect摄像头对设定QR码进行识别，结合识别结果与相应深度信息图提取示教物深度信息，通过设定QR码图像二维信息与深度信息通过PnP算法求解其空间位姿，同时在示教物QR码处建立三维位姿坐标系；用于求解PnP算法的4个已知点为识别设定QR码外围四个黑色小矩形的中心点；

步骤3：建立机械臂D-H模型，根据正运动学设计机械臂末端相对于基座转换系统，然后结合示教物相对于Kinect的空间位姿建立空间映射系统；

步骤4：在Kinect摄像头前控制示教物进行示范运动，在线记录示范运动中示教物三维运动信息；

步骤5：根据步骤3中建立的空间映射系统将示教物运动映射为机械臂末端运动，由逆动力学解算出机械臂各关节的运动信息，通过节点向下位机运动控制卡发送关节运动命令驱动机械臂实时运动，实现机械臂视觉实时示教；

步骤6：将步骤4记录的训练运动信息在x、y、z三自由度上分解为三个一维的运动信息，单个一维运动信息为一组位移、速度和加速度的连续时间序列表示，取步长Δt将所述运动信息离散化，此时t∈{Δt，2Δt，…，nΔt}，运动起点x₀＝x_demo(0)，终点g＝x_demo(0)，运动时间常数τ＝nΔt，在三个自由度上分别利用DMPS算法对单自由度运动特征进行学习，计算出学习权重序列w_i；

步骤7：设定新的运动目标与泛化精度阈值，通过学习得到的权重序列与新目标信息泛化出新目标运动特征，若某一自由度的泛化结果大于精度阈值，则对相应自由度的训练运动特征进行局部最小二乘高阶多项拟合进行优化，并将优化后的训练运动返回步骤6重新学习；

步骤8：将步骤7中学习所得到的x、y、z三个符合精度要求的新目标一维运动特征在同一正则系统下进行拟合，得到机械臂对于新目标的三维空间运动信息，接着运用逆运动学将其分解，解算机械臂各关节的运动信息；

步骤9：将步骤8所得的机械臂各关节的运动信息发送给下位机运动控制卡，使机械臂根据运动信息自主精确地运动到新目标点。

2.根据权利要求1所述的基于视觉实时示教与自适应DMPS的机械臂运动控制方法，其特征在于，步骤1中，设置图像大小为640×480，图像获取频率为每秒30帧，设置机械臂节点命令发布与接收频率为30HZ。

3.根据权利要求1所述的基于视觉实时示教与自适应DMPS的机械臂运动控制方法，其特征在于，步骤2中，示教物定位算法为PnP算法，示教物深度信息为Kinect深度图中设定QR码中心深度；定位精度为1mm。

4.根据权利要求1所述的基于视觉实时示教与自适应DMPS的机械臂运动控制方法，其特征在于，步骤3中，设置空间转换系统中连接点为Kinect与机械臂基座，即示教物相对于Kinect位姿即为机械臂末端相对于机械臂基座位姿。

5.根据权利要求1所述的基于视觉实时示教与自适应DMPS的机械臂运动控制方法，其特征在于，步骤7中，设置泛化阈值精度为5％，设置训练运动局部优化范围为运动整体的5％～95％，设置最小二乘高阶多项式拟合中多项式阶数为8～15阶。