作者：李英博士， Energid Technologies公司
摘要
如圖1所示，Energidderuanjian，zhenduitedingdejiqirenshou，renhezhongleidewuti，yongshujukuchucunzhuaqudesuanfa。tongguomonidefangfa，keyirongyidichuangjian，bianji，moniceshizhuaqudexulie。zhegemonigongjuyebaokuolezhuaquliheweizhidekongzhi。suoxudezhuaquliyekeyitongguotuxingjiemianzhiding，bianjiheceshi。jiangchenggongdezhuaqulujinghelichucundaoshujukuzhong。zhuaqudedongzuokeyilixianchuangzuohebianji。danggeijiqirenyigewuti，leisidezhuaqukeyigenjuwutidexiangsixing，congshuju 庫中進行搜索。相似性度量可以根據物體的形狀，表麵特性，鉸接運動學（有關節的物體）等等。我們已經開發了一種，三維物體識別算法--xingzhuangpipeidesuanfa。tongguolidekongzhi，jiqirenkeyirongnajiechuweizhiwucha，shixianjianrongdezhuaqu。shijiaoxitongyongyugenzongwutidefangweijinxingshishidingwei。zhenggezhuaqudexitongkeyitongguomonijinxingceshi，hebianji。
圖1:抓取係統簡圖
對dui於yu一yi個ge給gei定ding的de物wu體ti，如ru果guo相xiang應ying的de手shou爪zhao的de抓zhua取qu動dong作zuo序xu列lie在zai數shu據ju庫ku中zhong存cun在zai的de話hua，類lei似si的de抓zhua取qu很hen容rong易yi被bei搜sou索suo到dao。使shi用yong機ji器qi視shi覺jiao係xi統tong，抓zhua取qu的de軟ruan件jian工gong具ju可ke以yi用yong於yu在zai非fei結jie構gou化hua環huan境jing。該gai軟ruan件jian包bao括kuo一yi個ge用yong於yu仿fang真zhen和he實shi時shi硬ying件jian控kong製zhi的de圖tu形xing用yong戶hu界jie麵mianGUI。該係統也可以和視覺係統整合跟蹤物體的位置，方向，和發音。該視覺係統利用Energid的Selection視覺工具包。 該運動控製係統利用Energid的機器人控製工具包Actin。
創建數據庫
機ji器qi人ren抓zhua取qu的de數shu據ju庫ku的de方fang法fa，適shi用yong於yu所suo有you的de類lei型xing的de物wu體ti。通tong過guo圖tu形xing界jie麵mian，用yong戶hu可ke以yi修xiu改gai抓zhua取qu的de動dong作zuo和he進jin行xing準zhun確que的de動dong態tai模mo擬ni。數shu據ju庫ku建jian成cheng樹shu狀zhuang結jie構gou。根gen據ju物wu體ti的de形xing狀zhuang，關guan節jie，軟ruan硬ying程cheng度du，和he表biao麵mian特te性xing等deng物wu體ti的de特te征zheng用yong來lai搜sou索suo相xiang似si的de物wu體ti及ji其qi抓zhua取qu動dong作zuo。每mei一yi個ge節jie點dian包bao含han一yi種zhong特te定ding的de物wu體ti相xiang似si性xing的de算suan法fa。 每(mei)一(yi)個(ge)節(jie)點(dian)都(dou)可(ke)以(yi)執(zhi)行(xing)快(kuai)速(su)的(de)計(ji)算(suan)，一(yi)旦(dan)理(li)想(xiang)的(de)相(xiang)似(si)的(de)物(wu)體(ti)被(bei)搜(sou)索(suo)到(dao)。可(ke)以(yi)略(lve)去(qu)下(xia)麵(mian)的(de)搜(sou)索(suo)計(ji)算(suan)。係(xi)統(tong)的(de)輸(shu)入(ru)是(shi)一(yi)個(ge)物(wu)體(ti)的(de)描(miao)述(shu)。輸(shu)出(chu)是(shi)抓(zhua)取(qu)的(de)路(lu)徑(jing)和(he)力(li)。該(gai)工(gong)具(ju)包(bao)支(zhi)持(chi)力(li)控(kong)製(zhi)的(de)整(zheng)合(he)， 並且抓取的路徑和力可以通過Energid專利的運動控製和高逼真度的動態仿真測試和改進。
抓取的創作
抓取和操作的創作可以通過圖形界麵移動附加在機器手上的點和框架， 或改變關節的角度。 然後可以通過移動手指尖接觸物體進一步改進抓取動作。在創作過程中，會用到具體的手臂和手，或隻有手。 抓取的動作序列的創作過程是視覺化的創作，編輯和記錄。 圖2所示的是使用抓取創作工具創作用Schunk公司的手臂和手抓取和操作一個杯子的序列。
圖2: 視覺化的創作用Schunk的手臂和手抓取一個杯子的動作。抓取的動作序列被顯示在這個工具的底部。
抓取創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器人要經過的點。
更新框架按鈕：用戶可以通過移動機器 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存 為日後的執行文件。
測試序列按鈕：執行抓取動作。
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強大的功能是能夠儲存抓取動作序列。手臂和手的逆運動學可以用Energid開發的Actin工gong具ju包bao來lai控kong製zhi。和he機ji器qi視shi覺jiao軟ruan件jian整zheng合he，機ji器qi視shi覺jiao係xi統tong提ti供gong物wu體ti的de方fang位wei給gei機ji器qi人ren，因yin此ci一yi套tao抓zhua取qu動dong作zuo序xu列lie可ke以yi用yong於yu在zai一yi個ge較jiao大da範fan圍wei內nei抓zhua取qu物wu體ti。
這一創作靈巧的抓取工具，方便易用。用鼠標和其他輸入設備移動手和手指接觸物體，手的運動路徑可以記錄下來。 然ran而er，如ru果guo隻zhi用yong位wei置zhi控kong製zhi，不bu可ke能neng實shi現xian所suo有you目mu的de的de抓zhua取qu。因yin為wei當dang手shou指zhi接jie觸chu物wu體ti的de表biao麵mian時shi會hui產chan生sheng不bu定ding的de力li。對dui於yu易yi碎sui的de物wu體ti，手shou需xu要yao輕qing輕qing地di和he物wu體ti接jie觸chu， 因此需要如下麵的所述力的控製的整合，
力控製
通(tong)過(guo)仿(fang)真(zhen)測(ce)試(shi)和(he)驗(yan)證(zheng)，進(jin)行(xing)力(li)的(de)控(kong)製(zhi)下(xia)的(de)抓(zhua)取(qu)和(he)操(cao)作(zuo)是(shi)這(zhe)一(yi)抓(zhua)取(qu)動(dong)作(zuo)設(she)計(ji)的(de)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)過(guo)程(cheng)。適(shi)當(dang)的(de)力(li)和(he)接(jie)觸(chu)路(lu)徑(jing)被(bei)儲(chu)存(cun)在(zai)數(shu)據(ju)庫(ku)中(zhong)。力(li)的(de)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)通(tong)過(guo)圖(tu)形(xing)用(yong)戶(hu)界(jie)麵(mian)（GUI），很容易配置，測試和編輯。
力的控製框架
力的控製 框架設計主要有以下要求：
必須能夠容納不同的力控製算法，並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際的機器人和傳感器。
必須很好地與位置控製框架整合。
Figure 3: 力的控製框架
力的控製框架支持位置為基礎的力控製（PBFC），也被稱作內位置環力控製，即位置控製用來執行力控製。PBFC 力控製不要求直接控製執行器的扭矩， 因此被廣泛應用於工業機器人。PBFC 力控製。 如圖3所示， 外環的力通過調節器（Modifier）為內環力控製提供參考位置。調節器用理想的力（Fd）和力反饋 (F) 修改理想的軌跡 (xd)， 然後傳遞指令位置(xc)給運動學的控製器。算出關節位置(qc)， 傳遞給機器人的控製器。
力控製插件
力控製插件是個工具，它與抓取創作圖形界麵結合，允許用戶用使用所提供的力控製框架而無需寫C++程cheng序xu。此ci插cha件jian允yun許xu用yong戶hu定ding義yi和he管guan理li力li傳chuan感gan器qi類lei型xing，力li量liang控kong製zhi的de具ju體ti參can數shu，在zai主zhu動dong力li控kong製zhi框kuang架jia中zhong的de每mei個ge傳chuan感gan器qi的de力li。通tong過guo改gai變bian控kong製zhi參can數shu和he傳chuan感gan器qi的de位wei置zhi和he類lei型xing，該gai控kong 製係統可以容易地配置和編輯。
該插件包括若 幹對話框。通過對話框，用戶可以在任何一節臂附加傳感器,
選擇傳感器類型，當前的軟件包括皮膚觸覺傳感器，六維力/力矩傳感器和關節力矩傳感器和關節力矩傳感器模型。
設定理想傳感器的值(以幀為基礎)，
選擇力的控製方法，打開/關閉控製係統
變更控製係統參數，例如，對於一個PID控製器，位置，積分，微分增益可以調整.
所有的配置都可以視覺化的界麵上進行，例如，在圖4所示對話框可幫助管理和確定每個機械手的力傳感器的集合。此對話框從菜單欄通過=>力控製=>guanlilichuanganqijinru。yonghushouxianshiyongdiyigexialakuangxuanzeyaoweiqidingyijiqirenlilaiweiqidingyichuanganqi。ranhou，tongguodiergexialakuanglianjiexuanzeyijiebi。xinjiarudechuanganqijiangxianshizaiyoucedebiaoge。yonghukeyitongguotiaojiechuanganqixingnengbiaozhongdezhibianjipeizhichuanganqitexing。anyixiashanchujian，suoxuanzedechuanganqikeyibeishanchu。
圖4: 管理力傳感器的對話框
模擬例
抓取路徑和把握力控製框架的有效性的驗證是通過模擬德國Schunk公司的LWA機械臂和SDH的de手shou抓zhua取qu各ge種zhong物wu體ti。每mei個ge手shou指zhi配pei備bei了le觸chu摸mo感gan應ying器qi，這zhe裏li用yong了le手shou指zhi末mo端duan的de傳chuan感gan器qi。這zhe三san個ge手shou指zhi上shang的de遠yuan端duan觸chu摸mo傳chuan感gan器qi用yong於yu為wei力li的de控kong製zhi提ti供gong反fan饋kui數shu據ju。每mei一yi個ge力li的de控kong製zhi器qi，PI力控製比例 增益為0.02和積分增益0.005。
抓取和移動壘球
圖5和圖6描述了Schunk手抓取一個高爾夫球和壘球的動作序列。最初手直接放在球的上方，手指關節設置有一定的相同的角度。給機器人力控製器0.5 N的de命ming令ling，這zhe個ge作zuo用yong力li引yin導dao三san根gen手shou指zhi關guan閉bi。當dang手shou指zhi觸chu及ji球qiu，觸chu摸mo傳chuan感gan器qi測ce力li變bian得de大da於yu零ling，隨sui即ji相xiang關guan力li控kong製zhi器qi處chu於yu關guan閉bi狀zhuang態tai。當dang所suo有you三san個ge手shou指zhi觸chu摸mo球qiu，其qi中zhong一yi個ge手shou指zhi力li控kong製zhi器qi打da開kai，設she定ding理li想xiang的de力li為wei2N。圖5和圖6中左邊的手指用於加力。其他兩個手指控製使用位置控製。然後該機器人等待了3秒，讓手指上 的力達到預期的水平，以確保成功的抓取。最後，將球拿起來。
兩種球的抓取，用了一樣的抓取序列和控製參數。這樣的結果說明用力的控製的有效性。 如果隻是用位置控製，每一種情況將需要不同的抓取序列適應不同的球的尺寸。
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杯子
圖7的(de)仿(fang)真(zhen)演(yan)示(shi)了(le)用(yong)力(li)控(kong)製(zhi)抓(zhua)取(qu)更(geng)複(fu)雜(za)的(de)物(wu)體(ti)，一(yi)個(ge)杯(bei)子(zi)的(de)效(xiao)果(guo)。抓(zhua)取(qu)的(de)力(li)和(he)位(wei)置(zhi)的(de)控(kong)製(zhi)參(can)數(shu)是(shi)和(he)抓(zhua)取(qu)球(qiu)一(yi)樣(yang)的(de)。隻(zhi)有(you)開(kai)始(shi)手(shou)相(xiang)對(dui)於(yu)杯(bei)子(zi)的(de)位(wei)置(zhi)，手(shou)的(de)關(guan)節(jie)角(jiao)度(du)和(he)抓(zhua)取(qu)球(qiu)時(shi)有(you)所(suo)不(bu)同(tong)。而(er)命(ming)令(ling)抓(zhua)取(qu)的(de)動(dong)作(zuo)序(xu)列(lie)是(shi)一(yi)樣(yang)的(de)。
圖 7: Schunk 手臂和手抓取杯子的動力學仿真
仿fang真zhen的de結jie果guo表biao明ming，用yong力li的de控kong製zhi，機ji器qi人ren能neng夠gou抓zhua住zhu一yi個ge物wu體ti，即ji使shi抓zhua取qu路lu徑jing和he接jie觸chu位wei置zhi不bu完wan全quan一yi樣yang。例li如ru，一yi個ge高gao爾er夫fu球qiu的de抓zhua取qu可ke以yi用yong來lai抓zhua取qu壘lei球qiu。利li用yong力li的de控kong製zhi，即ji使shi在zai物wu體ti的de形xing狀zhuang的de不bu確que定ding，仍reng然ran可ke以yi成cheng功gong地di編bian寫xie抓zhua取qu的de腳jiao本ben。利li用yong力li的de控kong製zhi，抓zhua取qu的de路lu徑jing和he姿zi勢shi很hen容rong易yi編bian輯ji， 從cong一yi個ge相xiang似si物wu體ti的de抓zhua取qu修xiu改gai成cheng對dui一yi個ge新xin的de物wu體ti的de抓zhua取qu。減jian少shao創chuang作zuo抓zhua取qu腳jiao本ben的de努nu力li。例li如ru，例li如ru一yi個ge球qiu的de抓zhua取qu很hen容rong易yi被bei修xiu用yong於yu抓zhua取qu和he拿na起qi一yi個ge杯bei子zi。
數據庫
抓取和操作的數據庫創建成樹狀結構。樹的節點用黃色的長方塊表示，樹的節點包含物體的特征信息，用來比較物體的相似性。 樹葉用淺藍色的長方塊表示， 其中、存cun有you該gai物wu體ti的de抓zhua取qu動dong作zuo序xu列lie。當dang機ji器qi被bei命ming令ling抓zhua取qu一yi個ge物wu體ti時shi，機ji器qi人ren根gen據ju物wu體ti的de形xing狀zhuang，通tong過guo搜sou索suo樹shu的de節jie點dian，找zhao到dao合he適shi的de的de樹shu葉ye，用yong其qi中zhong的de抓zhua取qu動dong作zuo序xu列lie來lai控kong製zhi機ji器qi人ren。例li如ru：如果給一個球，可能壘球的抓取被搜索到，用來抓取這個球。
圖 8: 抓取和操作的數據庫創建成樹狀結構。樹的節點用黃色的長方塊表示，樹的節點包含物體的特征信息，用來比較物體的相似性。 樹葉用淺藍色的長方塊表示， 其中、存有該物體的抓取動作路徑和力。
數據庫可以方便地 編輯和擴展，
&# 8226;可以很容易地創建一個分支，單點擊紅色的點，可以在此添加一個新的分支。&# 8226;可以編輯分支，用戶可以複製，粘貼和刪除分支。例如，在圖中顯示，壘球的分支可以 複製粘貼到另一個分支。&# 8226;節點也可以被編輯，節點可以是一個真實的節點用來比較物體的相似性，也是一個節點隻是占有一個位置。圖9顯示了一個真實的壘球的節點。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。&# 8226;葉節點可以被編輯，當點擊一個葉子 節點，將彈出抓創作工具。將數據庫與抓取創建工具連接。修改後的抓取可以保存到數據庫中。
數據庫接口的一個關鍵部分是形狀匹配算法。形狀匹配算法：（1）該算法能夠區別物體的不同的形狀和大小。（2）物體應與本身匹配但區別於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
gaisuanfajiehewutixingzhuangtezhengzhifangtulaijisuanlianggegangxingwutizhijiandeyigejiandandexiangyizhi。wutidetezhengbeidingyiweilianggexuandingdianzhijiandejulihelianggediandefangxiangxiangliangzhijiandejiaodu，rutu9所示。該物體特征的直方圖設置是利用角度和距離作為兩個獨 立的變量。兩個物體形狀之間的差異可以計算來那個直方圖的差異來計算。即計算兩個直方圖的每個格子的計數差的總和。
圖9: 直方圖用來評估基於形狀的相異。每個方格的計數用顏色顯示。物體形狀的差異通過比較兩個直方圖的方格子裏的計數來計算。
結果
圖10 顯示一組物體用物體形狀匹配方法計算相似程度的結果。我們用了三個球形狀，三個膠囊形， 三個方盒子形狀的物體，另外還有筆，網球和高爾夫球。膠囊形狀1和2是同一物體， 但用的是任意的特征集合進行物體匹配比較。方盒1和方盒2也是同樣的物體。
圖 10: xingzhuangpipeisuanfadepingjia，zailianggezhouxianshangdewutiyixiangtongdeshunxupailie，meigewutihebenshenbijiao，yehesuoyouqitadewutibijiao。lanyansebiaoshixiangyizhijiaodihuojiejindepipei。yigewanmeidepipeijieguotubiaoshiduijiaoxianshilanseqitafanggeliyanselilansejiaoyuan。
這些結果與預期相符：
每一個物體和本身相匹配但有別於其它物體。
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。
網球和球1，筆和膠囊狀物體0有較好的匹配。
視覺跟蹤係統的整合
視(shi)覺(jiao)係(xi)統(tong)提(ti)供(gong)場(chang)景(jing)中(zhong)物(wu)體(ti)的(de)位(wei)置(zhi)，姿(zi)勢(shi)和(he)幾(ji)何(he)形(xing)狀(zhuang)。此(ci)信(xin)息(xi)用(yong)於(yu)抓(zhua)取(qu)物(wu)體(ti)匹(pi)配(pei)計(ji)算(suan)。機(ji)器(qi)視(shi)覺(jiao)算(suan)法(fa)包(bao)括(kuo)離(li)線(xian)訓(xun)練(lian)，在(zai)線(xian)識(shi)別(bie)和(he)姿(zi)勢(shi)檢(jian)測(ce)過(guo)程(cheng)。訓(xun)練(lian)過(guo)程(cheng)是(shi)在(zai)各(ge)種(zhong)照(zhao)明(ming)條(tiao)件(jian)下(xia)，收(shou)集(ji)物(wu)體(ti)各(ge)種(zhong)姿(zi)勢(shi)的(de)圖(tu)像(xiang)。這(zhe)些(xie)圖(tu)像(xiang)可(ke)以(yi)是(shi)來(lai)自(zi)實(shi)物(wu)照(zhao)片(pian)或(huo)它(ta)們(men)的(de)CAD模型。
該視覺跟蹤係統包含一個空間處理模塊和時間處理模塊。這些說明，在圖11所示。空間處理包括模塊化的三個階段，1）分割，2）初步位置，姿勢和幾何形狀估計，3）改進位置，姿勢，幾何形狀估計。時空處理如圖11所suo示shi，結jie合he多duo個ge時shi間jian點dian的de結jie果guo，對dui物wu體ti的de位wei置zhi，姿zi勢shi和he幾ji何he的de評ping估gu。而er且qie能neng夠gou隨sui時shi間jian提ti供gong新xin的de物wu體ti的de位wei置zhi，姿zi勢shi和he幾ji何he形xing狀zhuang的de能neng力li，使shi改gai進jin跟gen蹤zong有you新xin的de可ke能neng性xing。
圖 11: 物體跟蹤識別係統由空間組件和時間組件構成.
硬件控製例
圖12顯示用Schunk公司的機器人硬件整合 視覺跟蹤抓取一個球。當跟蹤壘球時，隻需跟蹤物體的位置，但物體的姿勢可以忽略。圖12顯示了從一個示範抓取球的動作序列，用戶可以隨意擲到現場一個球，機器人視覺係統發現球並使用我們的工具將球抓起來。圖13顯示了配置的軟件可控製各種任務。
圖 12: 視覺跟蹤抓取球的顯示。 用戶往機器人前扔一個球，機器人會自動識別和抓取。
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，9）倒水， 10）將電池裝到手電筒裏，11）打開瓶蓋， 12） 手機。
參考文獻
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．機器人抓取數據庫，http://v.youku.com/v_show/id_XMTc2NzkxMzYw.html
3．機器人抓取創作工具，http://v.youku.com/v_show/id_XMTc2MDE0ODgw.html
4. 機器人仿真控製軟件Atin工具箱，http://www.robotain.com/articles/ji-qi-ren-fang-zhen-kong-zhi-ruan-jian-actin-gong-ju-xiang.html
Energid Technologies Corporation, One Mifflin Place, Suite 400, Cambridge, MA 02138
聯係方式：李英，www.energid.com
