煤矸石分拣机器人动态目标稳定抓取轨迹规划

       目前，利用机器人进行动态目标跟踪抓取的方法能够快速跟踪运动目标并对其进行抓取，在机械臂末端达到抓取点时只需确保位置精度，无需速度同步。但由于矸石随带式输送机运动具有高速度特性，且矸石平均质量大，如果机械臂末端在抓取时只要求位置同步而对速度不做要求，则会因目标和机械臂末端之间速度差产生载荷冲击，严重时会造成机械臂末端损坏，降低机器人安全性和可靠性。且带式输送机在运输过程中存在打滑和跑偏问题，这对矸石定位提出了更高要求。本文结合煤矸石分拣机器人实际工况，提出了一种基于机器视觉的煤矸石分拣机器人动态目标稳定抓取轨迹规划方法。

       首先，结合机器人系统，利用相机获取煤矸石分拣机器人当前位姿下所对应的煤矸石图像，对模板图像（已知）和采集到的图像进行图像预处理后，获取最小封闭轮廓。以最小封闭轮廓为输入，分别计算 HU 不变矩特征向量，以欧氏距离作为目标矸石与模板图像的相似性测量函数，计算采样图像轮廓与模板图像的相似性测量函数值。采用最小外接矩形对得到的目标轮廓进行处理，得到目标矸石位置，实现目标矸石位姿确定。其次，通过建立相机−机器人运动学模型，对获取的目标矸石绝对位置坐标进行轨迹规划，通过相机获取目标矸石实时位置，并将得到的像素坐标转换为机器人坐标，实现矸石精确抓取。最后，通过位置−速度−加速度三环 PID 控制算法进行目标矸石动态跟踪，实现机械臂末端快速跟踪和稳定抓取。

       采用 Matlab 软件对实际工况中的追随式、同步式、拦截式 3 种情况轨迹规划进行动态仿真分析， 结果表明：三环 PID 控制算法在追随式、同步式和拦截式 3 种情况下响应时间、跟踪抓取时间均较比例导引算法及偏置比例导引算法的时间短，且三环PID 控制算法在整个过程中各轴速度、加速度连续、平滑，没有出现突变情况，状态平稳，没有大幅度的振荡，适应性强，可实现同步跟踪、精准抓取。

       对三环 PID 控制算法、比例导引法和偏置比例导引算法进行了实验验证，结果表明：3 种算法在规划控制机器人运行过程中，均未出现机器人关节超限现象；三环 PID 控制算法完成抓取的平均时间比比例导引算法和偏置比例导引算法短；三环PID 控制算法在抓取点的平均速度偏差在 1 mm/s 左右，跟踪速度偏差较小，可满足对高速度目标的同步跟踪、精准抓取要求。