双目定位多功能机械臂系统设计

准确性、快速性与鲁棒性是机械臂系统设计的要求，经过研究提出一套新形式的机器人视觉系统，利用非接触式测量，对所操控单元进行位姿计算，完成操控单元的三维信息与机械臂执行单元进行命令交互。设计采用双目CMOS工业相机，通过Matlab进行相机标定并得到内外参数，然后进行立体校正，结合SGBM立体匹配算法解算出位置深度信息，进而对应帧的二维图像，利用OpenCV视觉算法获取操控器下端标志物的三维坐标，传递执行指令给机械部控制单元。由实验结果分析，在白光环境下该机器人系统同步现实功能展现出良好的跟随准确性，精度误差始终保持在4.5%以内，命令响应时间短，鲁棒性好。

随着科技与文明的发展， 人类对辅助机器人的研究日益深入， 逐渐成为机器人研究领域发展的潮流[1]。

实际工程应用中为了检验零部件与标准数据的偏差需要对零部件实物进行三维扫描获得数据与标准数据进行误差分析[2]。光学扫描测量目前以精度高、无接触、分辨率高等优点已经成为获得物体外貌数据的常用手段[3] [4]。目前应用中的三维扫描仪在单次测量扫描时间长，面积较小，操作复杂等特点[5]，双目视觉技术依据双目人眼定位原理对当前视角范围数据测量， 以特定标志点为不变量建立自动拼接模型， 现实环境三维空间信息的获取，成本较低且测量方式和计算简单。

通过研究，设计了一套由双目相机，Jetson Nano 边缘计算操作平台，AHRS 系统构成的机器人视觉系统[6]， 由双目相机对操控单元目标识别进行准确定位， 以及AHRS系统对操作平台进行姿态解算来实现， 通过Jetson Nano 边缘计算操作平台来承载大量且复杂的矩阵以及偏微分计算， 接着实时的位姿信息经过坐标换算[7]，发送给机械臂，机械臂收到指令后响应指令。

2. 操控平台系统设计 2.1. 视觉系统设计 双目立体视觉是机器视觉设计灵感来自与人类的双眼，基于视觉差的原理并通过多幅图像来较为准确获取物体三维几何信息的方法[8]。以双目视觉摄像头为视觉传感器，在自然光的条件下，两个距离固定CMOS 摄像头对下端装配红外LED 灯的目标操作平台进行图像采集，经过图像算法处理将目标物的三维信息以及红外LED 的位置信息传递到机械臂控制系统中做出响应的指令响应。

该系统可以分为四个步骤分别是双目标定、立体校正、立体匹配、测距计算。

2.2. 双目视觉三角测距原理 双目通过感知物体图像所呈现的差异来判断前物体的远近，视差越小，物体的距离越远，反之越近， 双目视觉距离演示如图1 所示。通过三角测量的数学模型计算，即可得出摄像头与物体的距离[9]。

双目视觉测量原理图如图2 所示， 双目摄像头实验平台处于同一水平面Ol 和Or 分别是左右摄像头的