機(jī)器人素描程序說(shuō)明知識(shí)交流

1、、人臉?biāo)孛鑼?shí)驗(yàn)流程框圖:二、實(shí)驗(yàn)二基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)：2.12.1 機(jī)器人作業(yè)空間、繪圖空間、軌跡圖像坐標(biāo)映射機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)由兩個(gè)臂組成，大臂有效長(zhǎng)度200200 毫米，小臂有效長(zhǎng)度（旋轉(zhuǎn)中心到繪圖筆中心距離）為 150150 毫米。大臂運(yùn)動(dòng)范圍土 100100 度，小臂運(yùn)動(dòng)范圍土 5555 度。機(jī)器人作業(yè)空間：機(jī)器人末端點(diǎn)可以到達(dá)的區(qū)域，如下圖所示（近似為一個(gè)扇環(huán)）:機(jī)器人繪圖空間：二自由度繪圖機(jī)械臂配備了一個(gè)長(zhǎng)方形繪圖平臺(tái)，在繪圖平臺(tái)上可以鋪上白紙，平臺(tái)的尺寸是 280mm*240mm280mm*240mm，結(jié)合機(jī)器人的環(huán)形的作業(yè)空間，我們?nèi)…h(huán)形工 作空間和繪圖平臺(tái)交集中的一個(gè)最大繪圖矩形作

2、為實(shí)際人臉?biāo)孛枥L圖空間，大小取為 147mm*110mm147mm*110mm（如此選擇主要是滿足長(zhǎng)寬比例與圖像風(fēng)辨率320*240320*240 一致），該矩形中心點(diǎn)在機(jī)器人坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（0 0，275275），如下圖所示：軌跡圖像坐標(biāo)映射：人臉圖像在處理時(shí)縮放為320320X240240 像素分辨率，在 WindowWindow 系統(tǒng)中繪圖坐標(biāo)系的定義為：圖像左上角為原點(diǎn)，X X 方向從左到右為正向，Y Y 方向從上到下為正向。繪圖空間坐標(biāo)系定義：繪圖空間為在機(jī)器人坐標(biāo)系中中心點(diǎn)坐標(biāo)為（0 0，275275）的大小為 147147X110mm110mm 的矩形，其中的坐標(biāo)系定義為：14

3、7147X110110 繪圖矩形中心點(diǎn)為原點(diǎn)，X X 方向從左到右， Y Y 方向從下到上。素描圖像處理出來(lái)后得到的筆跡曲線在軌跡圖像坐標(biāo)系中表示，大小為320320X240240,如果需要將筆跡曲線繪制在繪圖空間中， 需要做坐標(biāo)轉(zhuǎn)化， 從幾個(gè)坐標(biāo)系間的相對(duì)關(guān)系可以推導(dǎo)得 到：如果 在 320320X240240 圖像坐標(biāo)系中的一個(gè)點(diǎn) （x0,y0 x0,y0）映射到 機(jī)器人繪圖空間的對(duì)應(yīng)坐標(biāo) （x1,y1x1,y1）: :X1=x0/2.1818-147/2X1=x0/2.1818-147/2Y1=110/2-y0/2.1818+275Y1=110/2-y0/2.1818+275其中的縮放系

4、數(shù) 2.18182.1818 為 將 320320X240240 的圖像縮小到 147147X110110 繪圖空間的比例系數(shù)： 240/110=2.1818240/110=2.18182.22.2 二自由度機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)解： 機(jī)械臂通常具有兩種運(yùn)動(dòng)方式：關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)和直角坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)。 關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)模式 是指機(jī)器人操作臂的運(yùn)動(dòng)直接由各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)來(lái)確定,所有關(guān)節(jié)變量構(gòu)成一個(gè)關(guān)節(jié)矢 量。所有關(guān)節(jié)矢量構(gòu)成的空間稱為關(guān)節(jié)空間。 所謂關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)模式就是直接操作各個(gè)關(guān)節(jié) 的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。下圖a a）為二自由度機(jī)械臂的關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間定義，關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間由兩個(gè)關(guān)節(jié)組成。 直角坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)模式 是指機(jī)器

5、人末端工具的位置和方位通常是在直角坐標(biāo) 空間中描述。 直角坐標(biāo)空間運(yùn)動(dòng)模式通過(guò)指定機(jī)器人末端工具在直角坐標(biāo)空間中的運(yùn)動(dòng)來(lái)完 成機(jī)器人操作任務(wù)。下圖 b b）為二自由度機(jī)械臂直角坐標(biāo)空間的定義，這是一個(gè)二維的直角 坐標(biāo)空間。實(shí)際運(yùn)行是通過(guò)對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軸的伺服控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也就是最終的機(jī)械臂的控制是在關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間中進(jìn)行的， 但是對(duì)于操作者來(lái)說(shuō)， 直角坐標(biāo)空間更容易讓人理解和接受，操作者對(duì)機(jī)械臂的操作一般是在直角坐標(biāo)空間中進(jìn)行的，這樣就需要建立一種關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間和直角坐標(biāo)空間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，也就是說(shuō)如果已知機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)參數(shù)需要求解機(jī)械手末端 在直角坐標(biāo)空間中的坐標(biāo)， 反過(guò)來(lái)如果已知機(jī)械手末端在直角坐

6、標(biāo)空間的坐標(biāo)需要求解各個(gè) 運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)參數(shù)，前一個(gè)問(wèn)題稱為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解，后一個(gè)問(wèn)題稱為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解。從數(shù)學(xué)的角度定義機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和反解如下：設(shè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間中的關(guān)節(jié)變量記為q q qq1,q,q2,.q,.qn ，機(jī)器人末端工具在直角 坐標(biāo)空間中的坐標(biāo)記為 x x x,y,z,x,y,z,， ，關(guān)節(jié)變量和直角坐標(biāo)空間坐標(biāo)間存在如下運(yùn)動(dòng)學(xué)約束：F(x,q) 0這是一個(gè)隱式方程，如果能夠從上式式求解出:x f(q)即由關(guān)節(jié)坐標(biāo)變量表示的直角坐標(biāo)變量，這就是機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解，一般的可以得到機(jī)器 人運(yùn)動(dòng)學(xué)的唯一正解。a)a)關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間b)b)直角坐標(biāo)空間如果能夠從 4-1

7、4-1 式求解出：q g(x)也就是已知機(jī)器人末端工具的直角坐標(biāo)參數(shù)，求解出對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間中的各個(gè)關(guān)節(jié)變量，這就是運(yùn)動(dòng)學(xué)的反解，通常難以得到解析的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解，而且運(yùn)動(dòng)學(xué)反解一般也是不唯一的,實(shí)際應(yīng)用中常采用幾何法和數(shù)值解法來(lái)求解。下面我們來(lái)推導(dǎo)二自由度機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)解：1)1)二自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)正解已知：關(guān)節(jié) 1 1 連桿長(zhǎng)度l1200mm，關(guān)節(jié)變量 q qi(關(guān)節(jié)控制軸 1 1 角度位置)，關(guān)節(jié) 2 2 連桿長(zhǎng)度 J150mm，關(guān)節(jié)變量 q q2(關(guān)節(jié)控制軸 2 2 角度位置)。 求解：關(guān)節(jié)連桿末端工具安裝點(diǎn)在直角坐標(biāo)空間的坐標(biāo)x x x,yx,y。上圖為二自由度機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解的示意

8、圖，從圖上可以得到機(jī)械臂末端的直角坐標(biāo):x l1cosq1l2cos(q1q2)y hs inq1I2si n(q q2)2)2)二自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)反解已知：關(guān)節(jié) 1 1 連桿長(zhǎng)度l1200mm，關(guān)節(jié) 2 2 連桿長(zhǎng)度l2150mm，關(guān)節(jié)連桿末端工具安裝點(diǎn)在直角坐標(biāo)空間的坐標(biāo)x x x,x, y,y,求解：關(guān)節(jié)變量 q qi(關(guān)節(jié)控制軸 1 1 角度位置)，關(guān)節(jié)變量 q q2(關(guān)節(jié)控制軸 2 2 角度位置)。1ata n2(s in1,cos1)2ata n2(y,x)4atan2(y l1sinq1),(x l1cosq1)得到運(yùn)動(dòng)學(xué)反解的計(jì)算公式：qi21q24qix其中 atan2(x

9、atan2(x ,y),y)為計(jì)算一的反正切值(單位為弧度)的數(shù)學(xué)函數(shù)，利用雙變量函數(shù)atan2(xatan2(x ,y),y)y計(jì)算arctan0)的優(yōu)點(diǎn)在于利用了 x x 和 y y 的符號(hào)能夠確定角度所在的象限，例如xatan2( 1.0, 1.0)135，而atan2(1.0,1.0)45，如果使用單變量的反正切函數(shù)則不1 01 0能區(qū)分這兩種情況arctan( )arctan() arctanQ.O) 45， atan2(xatan2(x ,y),y)的值域?yàn)?.01.0(,)，當(dāng)雙變量反正切函數(shù)的兩個(gè)參數(shù)都為零時(shí)，函數(shù)值不定。下圖為求解二自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)反解的示意圖，如果不考慮奇

10、異點(diǎn)則有如下推導(dǎo):2r xcos3sin3sinicos1li2I22r2吐.1 cos23I2sin3,rr li2I222 rl1(x,y)2q1二自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)反解3 3）運(yùn)動(dòng)學(xué)反解的不唯一性機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)反解一般是不唯一的，也就是可能存在多組關(guān)節(jié)坐標(biāo)變量值使得機(jī)械手末端達(dá)到給定的目標(biāo)位置。二自由度機(jī)械手在工作空間中運(yùn)動(dòng)時(shí)存在兩組運(yùn)動(dòng)學(xué)反解，如下所示。實(shí)際運(yùn)行中如何從機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的多組反解中選擇一組合適的解是一個(gè)值得研究的問(wèn)題，一般的具有多組反解的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題可以采用優(yōu)化算法來(lái)解決，定義一定的優(yōu)化準(zhǔn)則，選擇滿足優(yōu)化準(zhǔn)則的最優(yōu)解作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的確定反解。優(yōu)化準(zhǔn)則的選取分兩種情況：一

11、種是不存在障礙物時(shí)可以使用“最短行程”準(zhǔn)則，因?yàn)闄C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的，結(jié)合前一次機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)反解得到的關(guān)節(jié)坐標(biāo)位置，選取使機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)量最小的一組解作為反 解，這種選取方法可以使得機(jī)器人運(yùn)動(dòng)保持連續(xù)；如果存在障礙物，沿“最短行程”運(yùn)動(dòng)可能導(dǎo)致碰撞，這時(shí)應(yīng)該結(jié)合機(jī)器人的有障礙路徑規(guī)劃和智能決策等方法來(lái)選取反解。4 4）運(yùn)動(dòng)學(xué)反解中的特殊情況特殊情況 1 1 :如下圖所示。在這時(shí)目標(biāo)位置點(diǎn)（x,x, y y）超出了機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)空間范圍，計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算的判別條件為: 2 2 22、h丨2（X y ）2如果滿足：則說(shuō)明給定的目標(biāo)位置超出運(yùn)動(dòng)學(xué)反解不存在。其中為一個(gè)正10特殊情況 2 2 :如下圖所示。

12、圖運(yùn)動(dòng)學(xué)反解特殊情況 1 1這時(shí)目標(biāo)位置剛好在機(jī)械臂工作空間邊界上，也就是目標(biāo)位置點(diǎn)處于奇異位置，在奇異點(diǎn)位置附近機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)特性比較差，控制軸運(yùn)動(dòng)可能會(huì)產(chǎn)生跳變，一般實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)該避開這些位置。對(duì)于這種奇異情況計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算的判別條件為：(1 )這種情況下機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)反解為qiata n2(y,x)q202.32.3 電機(jī)脈沖當(dāng)量機(jī)器人大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)為 100W100W 松下交流伺服電機(jī)，小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)為 50W50W 松下交流伺服電 機(jī)，電機(jī)后面都配備了光電編碼器，光電編碼器的分辨率為25002500 脈沖/ /轉(zhuǎn)，光電編碼器的信號(hào)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器中處理電路做了4 4 倍頻處理，也就是說(shuō)最終在使用運(yùn)

13、動(dòng)控制器時(shí)我們得到的電機(jī)角度分辨率為 1000010000 脈沖/ /轉(zhuǎn)。機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)在驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)時(shí)還連接了諧波減速器，大臂減速比如果需要大臂轉(zhuǎn)動(dòng)1 1 度，需要下發(fā)脈沖數(shù)為：1000010000 脈沖/ /轉(zhuǎn)X100100 / / 360360 度/ /轉(zhuǎn)= =2777.77782777.7778 脈沖 / /度；如果需要小臂轉(zhuǎn)動(dòng) 1 1 度，需要下發(fā)脈沖數(shù)為：1000010000 脈沖/ /轉(zhuǎn)X9999 /360/360 度/ /轉(zhuǎn)=2750=2750 脈沖/ /度。2.42.4 素描筆跡繪制策略：圖像處理后得到的素描軌跡為一個(gè)筆畫一個(gè)筆畫存儲(chǔ)， 在筆畫的起點(diǎn)需要落下繪圖筆， 在 筆畫的終

14、點(diǎn)需要抬起繪圖筆， 一個(gè)筆畫的終點(diǎn)到下一個(gè)筆畫的起點(diǎn)間為抬臂快速移動(dòng)， 不需 要做插補(bǔ)運(yùn)算 （可以提高設(shè)100100,小臂減速比 99.99.圖運(yùn)動(dòng)學(xué)反解特殊情況 2 2備運(yùn)行速度） ，筆畫由一系列坐標(biāo)點(diǎn)組成， 筆畫中的繪制策略為： 取一個(gè)筆畫坐標(biāo)點(diǎn)， 轉(zhuǎn)化到機(jī)器人直角坐標(biāo)系， 通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解運(yùn)算得到兩個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的 角度， 通過(guò)角度和電機(jī)脈沖數(shù)的變化關(guān)系轉(zhuǎn)化為電機(jī)目標(biāo)脈沖數(shù)， 下發(fā)給運(yùn)動(dòng)控制器， 運(yùn)動(dòng) 控制器協(xié)調(diào)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制關(guān)節(jié)電機(jī)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置， 此時(shí)繪圖比落下也就在繪圖板白紙上 繪制出筆跡，連續(xù)移動(dòng)則繪制出一條連續(xù)筆畫。三、實(shí)驗(yàn)三 機(jī)器人實(shí)時(shí)控制：現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)為 主從結(jié)構(gòu) （服務(wù)

15、器 / /客戶機(jī)結(jié)構(gòu)） ，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中一共有 4 4 套二自 由度機(jī)械臂，每套機(jī)械臂具有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)（電機(jī)） ，總共 8 8 個(gè)運(yùn)動(dòng)控制軸，使用一套 8 8 軸 GalilGalil 嵌入式網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)統(tǒng)一控制 4 4 套機(jī)器人的 8 8 個(gè)運(yùn)動(dòng)軸。設(shè)置一臺(tái)計(jì)算機(jī)為服務(wù) 器（教師監(jiān)督計(jì)算機(jī)） ，該服務(wù)器處理所有與運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)細(xì)節(jié)，也就是說(shuō)只有服務(wù)器才能 和運(yùn)動(dòng)控制器通訊連接直接控制運(yùn)動(dòng)控制器和機(jī)器人。網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)中有一臺(tái) 1616 口網(wǎng)絡(luò)交 換機(jī)， 8 8 軸運(yùn)動(dòng)控制器具有 192.168.0.101192.168.0.101 IPIP 地址 連接到交換機(jī)的一個(gè)端口，服務(wù)器（教師 機(jī)）需要

16、設(shè)置一個(gè)在 192.168.0.*192.168.0.* 的 唯一 IPIP 地址 供 客戶機(jī) 通過(guò)指定 IPIP 地址訪問(wèn)。8 8 套客戶機(jī)（學(xué)生機(jī)）也指定唯一的在 192.168.0.*192.168.0.*網(wǎng)段的 IPIP 地址，比如從 192.168.0.110192.168.0.110 到192.168.0.117192.168.0.117 ，客戶機(jī)的所有操作和請(qǐng)求均先發(fā)送到服務(wù)器，通過(guò)服務(wù)器解釋后， 合法并授權(quán)的命令將被服務(wù)器解釋執(zhí)行并發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制器， 通過(guò)服務(wù)器和客戶機(jī)兩個(gè)層次的設(shè)置 確保了多套客戶機(jī)對(duì) 4 4 臺(tái)機(jī)器人的分時(shí)共享及其客戶權(quán)限的設(shè)置。在客戶機(jī)上運(yùn)行客戶端程序，對(duì)

17、客戶機(jī)端的要求做前端預(yù)處理，歸一化得到筆畫數(shù)據(jù)， 如果申請(qǐng)到了服務(wù)器對(duì)機(jī)器人的訪問(wèn)權(quán)限則將筆畫數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器， 由服務(wù)器解 釋執(zhí)行；在服務(wù)器上運(yùn)行服務(wù)器程序，服務(wù)器程序處理客戶機(jī)的權(quán)限管理和機(jī)器人的實(shí)際控制。學(xué)曲字生P亨超學(xué)生4筆牛5孚主羊生丁學(xué)生日客戶端和服務(wù)器件網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議：客戶端和服務(wù)器間通訊流程：1.1.客戶端-（ CONNECTCONNECT 請(qǐng)求）-服務(wù)器提請(qǐng)建立網(wǎng)絡(luò)通訊連接請(qǐng)求，為了避免其他無(wú)關(guān)計(jì)算機(jī)連接到服務(wù)器干擾實(shí)驗(yàn)流程，在這里采用了 客戶機(jī) 網(wǎng)卡 MACMAC 地址校驗(yàn)，也就是說(shuō) 我們先 保存了 能夠連接服務(wù)器 的所有客戶計(jì)算機(jī) 網(wǎng)卡的 MACMAC 地址（MAC

18、MAC 地址在 客戶端軟件 運(yùn)行后能夠 在 窗口中顯示出來(lái)），客戶端 發(fā)送CONNECT請(qǐng)求時(shí) 服務(wù)器 會(huì) 在允許聯(lián)機(jī) 的MAC地址列表中查找，如果找到則分配給 客戶機(jī)一個(gè)連接序號(hào)，并在服務(wù)器上顯示連接客戶機(jī)的學(xué)號(hào)、姓名、IP地址等信息；如果客戶機(jī)的MAC地址與服務(wù)器不匹配 則 拒絕 客戶機(jī)的連接請(qǐng)求。2.2.客戶機(jī)正確聯(lián)機(jī)到服務(wù)器后，可以向服務(wù)器提交申請(qǐng)實(shí)時(shí)控制請(qǐng)求：客戶機(jī)一一（CONTROLAPPLY） 服務(wù)器，此時(shí)如果服務(wù)器允許客戶機(jī)控制實(shí)際 機(jī)器人硬件 并且4套機(jī)器人硬件有 空閑，則 分配 機(jī)器人編號(hào)給客戶端，接下來(lái)客戶端可以將處理好的素描數(shù)據(jù)或者鼠標(biāo)繪圖數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器做實(shí)時(shí)繪制實(shí)驗(yàn)?？蛻舳送瓿蓪?shí)時(shí)繪制實(shí)驗(yàn)后應(yīng)該自覺提請(qǐng)釋放 實(shí)際機(jī)器人硬件：客戶端一一(CONTROLNOT)服務(wù)器，此時(shí)服務(wù)器收回分配給客戶機(jī)的機(jī)器人硬件資源，可以供其他客戶器實(shí)驗(yàn)使用。在服務(wù)器上我們也顯示了每套客戶機(jī)聯(lián)機(jī)時(shí)間， 在服務(wù)器端也可以強(qiáng)制將長(zhǎng)時(shí)間占用機(jī)器人資 源而不主動(dòng)釋放的客戶機(jī)斷開資源連接。3.3.客戶機(jī)申請(qǐng)到機(jī)器人硬件資源后可以做三種類型實(shí)驗(yàn)：人臉?biāo)孛枥L制、鼠標(biāo)繪圖繪制、 手寫板實(shí)時(shí)控制，在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中將人臉?biāo)孛枥L制和鼠標(biāo)繪圖繪制歸一為文件發(fā)送繪制： 客戶端一一(SENDF