作者：李英博士， Energid Technologies公司

　　摘要

　　如圖1所示，Energid的軟件，針對(duì)特定的機(jī)器人手，任何種類的物體，用數(shù)據(jù)庫儲(chǔ)存抓取的算法。通過模擬的方法，可以容易地創(chuàng)建，編輯，模擬測試抓取的序列。這個(gè)模擬工具也包括了抓取力和位置的控制。所需的抓取力也可以通過圖形界面指定，編輯和測試。將成功的抓取路徑和力儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫中。抓取的動(dòng)作可以離線創(chuàng)作和編輯。當(dāng)給機(jī)器人一個(gè)物體，類似的抓取可以根據(jù)物體的相似性，從數(shù)據(jù) 庫中進(jìn)行搜索。相似性度量可以根據(jù)物體的形狀，表面特性，鉸接運(yùn)動(dòng)學(xué)（有關(guān)節(jié)的物體）等等。我們已經(jīng)開發(fā)了一種，三維物體識(shí)別算法--形狀匹配的算法。通過力的控制，機(jī)器人可以容納接觸位置誤差，實(shí)現(xiàn)兼容的抓取。視覺系統(tǒng)用于跟蹤物體的方位進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。整個(gè)抓取的系統(tǒng)可以通過模擬進(jìn)行測試，和編輯。

圖1:抓取系統(tǒng)簡圖

　　對(duì)于一個(gè)給定的物體，如果相應(yīng)的手爪的抓取動(dòng)作序列在數(shù)據(jù)庫中存在的話，類似的抓取很容易被搜索到。使用機(jī)器視覺系統(tǒng)，抓取的軟件工具可以用于在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。該軟件包括一個(gè)用于仿真和實(shí)時(shí)硬件控制的圖形用戶界面GUI。該系統(tǒng)也可以和視覺系統(tǒng)整合跟蹤物體的位置，方向，和發(fā)音。該視覺系統(tǒng)利用Energid的Selection視覺工具包。 該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)利用Energid的機(jī)器人控制工具包Actin。

　　創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫

　　機(jī)器人抓取的數(shù)據(jù)庫的方法，適用于所有的類型的物體。通過圖形界面，用戶可以修改抓取的動(dòng)作和進(jìn)行準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)模擬。數(shù)據(jù)庫建成樹狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)物體的形狀，關(guān)節(jié)，軟硬程度，和表面特性等物體的特征用來搜索相似的物體及其抓取動(dòng)作。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)包含一種特定的物體相似性的算法。 每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以執(zhí)行快速的計(jì)算，一旦理想的相似的物體被搜索到�？梢月匀ハ旅娴乃阉饔�(jì)算。系統(tǒng)的輸入是一個(gè)物體的描述。輸出是抓取的路徑和力。該工具包支持力控制的整合， 并且抓取的路徑和力可以通過Energid專利的運(yùn)動(dòng)控制和高逼真度的動(dòng)態(tài)仿真測試和改進(jìn)。

　　抓取的創(chuàng)作

　　抓取和操作的創(chuàng)作可以通過圖形界面移動(dòng)附加在機(jī)器手上的點(diǎn)和框架， 或改變關(guān)節(jié)的角度。 然后可以通過移動(dòng)手指尖接觸物體進(jìn)一步改進(jìn)抓取動(dòng)作。在創(chuàng)作過程中，會(huì)用到具體的手臂和手，或只有手。 抓取的動(dòng)作序列的創(chuàng)作過程是視覺化的創(chuàng)作，編輯和記錄。 圖2所示的是使用抓取創(chuàng)作工具創(chuàng)作用Schunk公司的手臂和手抓取和操作一個(gè)杯子的序列。

　　圖2: 視覺化的創(chuàng)作用Schunk的手臂和手抓取一個(gè)杯子的動(dòng)作。抓取的動(dòng)作序列被顯示在這個(gè)工具的底部。

　　抓取創(chuàng)作工具按鍵功能分別如下：

　　添加框架按鈕：把序列的每一幀作為機(jī)器人要經(jīng)過的點(diǎn)。

　　更新框架按鈕：用戶可以通過移動(dòng)機(jī)器 人編輯抓取的每一幀。

　　保存序列按鈕：用戶可以將抓取序列儲(chǔ)存 為日后的執(zhí)行文件。

　　測試序列按鈕：執(zhí)行抓取動(dòng)作。

　　清除序列按鈕：移除所有的抓取的幀，重新開始。

　　編輯序列按鈕：啟用的抓取順序編輯功能。

　　抓取和操作工具的一個(gè)強(qiáng)大的功能是能夠儲(chǔ)存抓取動(dòng)作序列。手臂和手的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)可以用Energid開發(fā)的Actin工具包來控制。和機(jī)器視覺軟件整合，機(jī)器視覺系統(tǒng)提供物體的方位給機(jī)器人，因此一套抓取動(dòng)作序列可以用于在一個(gè)較大范圍內(nèi)抓取物體。

　　這一創(chuàng)作靈巧的抓取工具，方便易用。用鼠標(biāo)和其他輸入設(shè)備移動(dòng)手和手指接觸物體，手的運(yùn)動(dòng)路徑可以記錄下來。 然而，如果只用位置控制，不可能實(shí)現(xiàn)所有目的的抓取。因?yàn)楫?dāng)手指接觸物體的表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生不定的力。對(duì)于易碎的物體，手需要輕輕地和物體接觸， 因此需要如下面的所述力的控制的整合，

　　力控制

　　通過仿真測試和驗(yàn)證，進(jìn)行力的控制下的抓取和操作是這一抓取動(dòng)作設(shè)計(jì)的一個(gè)重要過程。適當(dāng)?shù)牧�和接觸路徑被儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中。力的控制系統(tǒng)通過圖形用戶界面（GUI），很容易配置，測試和編輯。

　　力的控制框架

　　力的控制 框架設(shè)計(jì)主要有以下要求：

　　必須能夠容納不同的力控制算法，并允許新的用戶定義的算法。

　　能夠容納不同類型的力量/力 矩傳感器。

　　必須適合模擬的和實(shí)際的機(jī)器人和傳感器。

　　必須很好地與位置控制框架整合。

Figure 3: 力的控制框架

　　力的控制框架支持位置為基礎(chǔ)的力控制（PBFC），也被稱作內(nèi)位置環(huán)力控制，即位置控制用來執(zhí)行力控制。PBFC 力控制不要求直接控制執(zhí)行器的扭矩， 因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人。PBFC 力控制。 如圖3所示， 外環(huán)的力通過調(diào)節(jié)器（Modifier）為內(nèi)環(huán)力控制提供參考位置。調(diào)節(jié)器用理想的力（Fd）和力反饋 (F) 修改理想的軌跡 (xd)， 然后傳遞指令位置(xc)給運(yùn)動(dòng)學(xué)的控制器。算出關(guān)節(jié)位置(qc)， 傳遞給機(jī)器人的控制器。

　　力控制插件

　　力控制插件是個(gè)工具，它與抓取創(chuàng)作圖形界面結(jié)合，允許用戶用使用所提供的力控制框架而無需寫C++程序。此插件允許用戶定義和管理力傳感器類型，力量控制的具體參數(shù)，在主動(dòng)力控制框架中的每個(gè)傳感器的力。通過改變控制參數(shù)和傳感器的位置和類型，該控 制系統(tǒng)可以容易地配置和編輯。

　　該插件包括若 干對(duì)話框。通過對(duì)話框，用戶可以在任何一節(jié)臂附加傳感器,

　　選擇傳感器類型，當(dāng)前的軟件包括皮膚觸覺傳感器，六維力/力矩傳感器和關(guān)節(jié)力矩傳感器和關(guān)節(jié)力矩傳感器模型。

　　設(shè)定理想傳感器的值(以幀為基礎(chǔ))，

　　選擇力的控制方法，打開/關(guān)閉控制系統(tǒng)

　　變更控制系統(tǒng)參數(shù)，例如，對(duì)于一個(gè)PID控制器，位置，積分，微分增益可以調(diào)整.

　　所有的配置都可以視覺化的界面上進(jìn)行，例如，在圖4所示對(duì)話框可幫助管理和確定每個(gè)機(jī)械手的力傳感器的集合。此對(duì)話框從菜單欄通過=>力控制=>管理力傳感器進(jìn)入。用戶首先使用第一個(gè)下拉框選擇要為其定義機(jī)器人力來為其定義傳感器。然后，通過第二個(gè)下拉框連接選擇一節(jié)臂。新加入的傳感器將顯示在右側(cè)的表格。用戶可以通過調(diào)節(jié)傳感器性能表中的值編輯配置傳感器特性。按一下刪除鍵，所選擇的傳感器可以被刪除。

　　圖4: 管理力傳感器的對(duì)話框

　　模擬例

　　抓取路徑和把握力控制框架的有效性的驗(yàn)證是通過模擬德國Schunk公司的LWA機(jī)械臂和SDH的手抓取各種物體。每個(gè)手指配備了觸摸感應(yīng)器，這里用了手指末端的傳感器。這三個(gè)手指上的遠(yuǎn)端觸摸傳感器用于為力的控制提供反饋數(shù)據(jù)。每一個(gè)力的控制器，PI力控制比例 增益為0.02和積分增益0.005。

　　抓取和移動(dòng)壘球

　　圖5和圖6描述了Schunk手抓取一個(gè)高爾夫球和壘球的動(dòng)作序列。最初手直接放在球的上方，手指關(guān)節(jié)設(shè)置有一定的相同的角度。給機(jī)器人力控制器0.5 N的命令，這個(gè)作用力引導(dǎo)三根手指關(guān)閉。當(dāng)手指觸及球，觸摸傳感器測力變得大于零，隨即相關(guān)力控制器處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)所有三個(gè)手指觸摸球，其中一個(gè)手指力控制器打開，設(shè)定理想的力為2N。圖5和圖6中左邊的手指用于加力。其他兩個(gè)手指控制使用位置控制。然后該機(jī)器人等待了3秒，讓手指上 的力達(dá)到預(yù)期的水平，以確保成功的抓取。最后，將球拿起來。

　　兩種球的抓取，用了一樣的抓取序列和控制參數(shù)。這樣的結(jié)果說明用力的控制的有效性。 如果只是用位置控制，每一種情況將需要不同的抓取序列適應(yīng)不同的球的尺寸。

　　圖 5: Schunk 的手抓取高爾夫球的仿真

　　圖 6: Schunk的手抓取壘球的仿真

　　 用修改抓取球序列抓取一個(gè)杯子

　　圖7的仿真演示了用力控制抓取更復(fù)雜的物體，一個(gè)杯子的效果。抓取的力和位置的控制參數(shù)是和抓取球一樣的。只有開始手相對(duì)于杯子的位置，手的關(guān)節(jié)角度和抓取球時(shí)有所不同。而命令抓取的動(dòng)作序列是一樣的。

　　圖 7: Schunk 手臂和手抓取杯子的動(dòng)力學(xué)仿真

　　仿真的結(jié)果表明，用力的控制，機(jī)器人能夠抓住一個(gè)物體，即使抓取路徑和接觸位置不完全一樣。例如，一個(gè)高爾夫球的抓取可以用來抓取壘球。利用力的控制，即使在物體的形狀的不確定，仍然可以成功地編寫抓取的腳本。利用力的控制，抓取的路徑和姿勢很容易編輯， 從一個(gè)相似物體的抓取修改成對(duì)一個(gè)新的物體的抓取。減少創(chuàng)作抓取腳本的努力。例如，例如一個(gè)球的抓取很容易被修用于抓取和拿起一個(gè)杯子。

　　數(shù)據(jù)庫

　　抓取和操作的數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建成樹狀結(jié)構(gòu)。樹的節(jié)點(diǎn)用黃色的長方塊表示，樹的節(jié)點(diǎn)包含物體的特征信息，用來比較物體的相似性。 樹葉用淺藍(lán)色的長方塊表示， 其中、存有該物體的抓取動(dòng)作序列。當(dāng)機(jī)器被命令抓取一個(gè)物體時(shí)，機(jī)器人根據(jù)物體的形狀，通過搜索樹的節(jié)點(diǎn)，找到合適的的樹葉，用其中的抓取動(dòng)作序列來控制機(jī)器人。例如：如果給一個(gè)球，可能壘球的抓取被搜索到，用來抓取這個(gè)球。

　　圖 8: 抓取和操作的數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建成樹狀結(jié)構(gòu)。樹的節(jié)點(diǎn)用黃色的長方塊表示，樹的節(jié)點(diǎn)包含物體的特征信息，用來比較物體的相似性。 樹葉用淺藍(lán)色的長方塊表示， 其中、存有該物體的抓取動(dòng)作路徑和力。

　　數(shù)據(jù)庫可以方便地 編輯和擴(kuò)展，

　　•可以很容易地創(chuàng)建一個(gè)分支，單點(diǎn)擊紅色的點(diǎn)，可以在此添加一個(gè)新的分支。•可以編輯分支，用戶可以復(fù)制，粘貼和刪除分支。例如，在圖中顯示，壘球的分支可以 復(fù)制粘貼到另一個(gè)分支。•節(jié)點(diǎn)也可以被編輯，節(jié)點(diǎn)可以是一個(gè)真實(shí)的節(jié)點(diǎn)用來比較物體的相似性，也是一個(gè)節(jié)點(diǎn)只是占有一個(gè)位置。圖9顯示了一個(gè)真實(shí)的壘球的節(jié)點(diǎn)。壘球的形狀特征直方圖表示。直方圖是用來比較壘球與其他物體的相似性。•葉節(jié)點(diǎn)可以被編輯，當(dāng)點(diǎn)擊一個(gè)葉子 節(jié)點(diǎn)，將彈出抓創(chuàng)作工具。將數(shù)據(jù)庫與抓取創(chuàng)建工具連接。修改后的抓取可以保存到數(shù)據(jù)庫中。

　　數(shù)據(jù)庫接口的一個(gè)關(guān)鍵部分是形狀匹配算法。形狀匹配算法：（1）該算法能夠區(qū)別物體的不同的形狀和大小。（2）物體應(yīng)與本身匹配但區(qū)別于其它不同的任選的物體。（3）物體與類似的形狀的物體相匹配。

　　形狀匹配算法

　　該算法結(jié)合物體形狀特征直方圖來計(jì)算兩個(gè)剛性物體之間的一個(gè)簡單的相異值。物體的特征被定義為兩個(gè)選定點(diǎn)之間的距離和兩個(gè)點(diǎn)的方向向量之間的角度，如圖9所示。該物體特征的直方圖設(shè)置是利用角度和距離作為兩個(gè)獨(dú) 立的變量。兩個(gè)物體形狀之間的差異可以計(jì)算來那個(gè)直方圖的差異來計(jì)算。即計(jì)算兩個(gè)直方圖的每個(gè)格子的計(jì)數(shù)差的總和。

　　圖9: 直方圖用來評(píng)估基于形狀的相異。每個(gè)方格的計(jì)數(shù)用顏色顯示。物體形狀的差異通過比較兩個(gè)直方圖的方格子里的計(jì)數(shù)來計(jì)算。

　　結(jié)果

　　圖10 顯示一組物體用物體形狀匹配方法計(jì)算相似程度的結(jié)果。我們用了三個(gè)球形狀，三個(gè)膠囊形， 三個(gè)方盒子形狀的物體，另外還有筆，網(wǎng)球和高爾夫球。膠囊形狀1和2是同一物體， 但用的是任意的特征集合進(jìn)行物體匹配比較。方盒1和方盒2也是同樣的物體。

　　圖 10: 形狀匹配算法的評(píng)價(jià)，在兩個(gè)軸線上的物體以相同的順序排列，每個(gè)物體和本身比較，也和所有其他的物體比較。藍(lán)顏色表示相異值較低或接近的匹配。一個(gè)完美的匹配結(jié)果圖表是對(duì)角線是藍(lán)色其它方格里顏色離藍(lán)色較遠(yuǎn)。   

　　這些結(jié)果與預(yù)期相符：

　　每一個(gè)物體和本身相匹配但有別于其它物體。

　　在一類物體中， 比如球狀物體，物體有同樣的形狀，但不同的大小。這些物體相互匹配但有一定的不同。

　　網(wǎng)球和球1，筆和膠囊狀物體0有較好的匹配。

　　視覺跟蹤系統(tǒng)的整合

　　視覺系統(tǒng)提供場景中物體的位置，姿勢和幾何形狀。此信息用于抓取物體匹配計(jì)算。機(jī)器視覺算法包括離線訓(xùn)練，在線識(shí)別和姿勢檢測過程。訓(xùn)練過程是在各種照明條件下，收集物體各種姿勢的圖像。這些圖像可以是來自實(shí)物照片或它們的CAD模型。

　　該視覺跟蹤系統(tǒng)包含一個(gè)空間處理模塊和時(shí)間處理模塊。這些說明，在圖11所示�？臻g處理包括模塊化的三個(gè)階段，1）分割，2）初步位置，姿勢和幾何形狀估計(jì)，3）改進(jìn)位置，姿勢，幾何形狀估計(jì)。時(shí)空處理如圖11所示，結(jié)合多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的結(jié)果，對(duì)物體的位置，姿勢和幾何的評(píng)估。而且能夠隨時(shí)間提供新的物體的位置，姿勢和幾何形狀的能力，使改進(jìn)跟蹤有新的可能性。

　　圖 11: 物體跟蹤識(shí)別系統(tǒng)由空間組件和時(shí)間組件構(gòu)成.

　　硬件控制例

　　圖12顯示用Schunk公司的機(jī)器人硬件整合 視覺跟蹤抓取一個(gè)球。當(dāng)跟蹤壘球時(shí)，只需跟蹤物體的位置，但物體的姿勢可以忽略。圖12顯示了從一個(gè)示范抓取球的動(dòng)作序列，用戶可以隨意擲到現(xiàn)場一個(gè)球，機(jī)器人視覺系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)球并使用我們的工具將球抓起來。圖13顯示了配置的軟件可控制各種任務(wù)。

　　圖 12: 視覺跟蹤抓取球的顯示。 用戶往機(jī)器人前扔一個(gè)球，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)識(shí)別和抓取。

　　圖 13: 抓取和操作其它物體的演示， 包括1）鉗子，2）手電筒，3）木頭塊，4）瓶子，5）筆，6）螺絲刀，7）電話，8）訂書機(jī)，9）倒水， 10）將電池裝到手電筒里，11）打開瓶蓋， 12） 手機(jī)。

　　參考文獻(xiàn)

　　1．“A Reusable Robotic Grasping Creator”, Ying Li, Justin Keesling, Chalongrath Pholsiri, Neil Tardella, and James English, Proc. of SPIE Vol. 7692 76921N-2, 2010

　　2．機(jī)器人抓取數(shù)據(jù)庫，http://v.youku.com/v_show/id_XMTc2NzkxMzYw.html

　　3．機(jī)器人抓取創(chuàng)作工具，http://v.youku.com/v_show/id_XMTc2MDE0ODgw.html

　　4. 機(jī)器人仿真控制軟件Atin工具箱，http://www.robotain.com/articles/ji-qi-ren-fang-zhen-kong-zhi-ruan-jian-actin-gong-ju-xiang.html

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