1、一、 人臉素描實驗流程框圖：開始新循環拍攝一張人臉照片Canny算子邊緣檢測步驟：用高斯濾波器平滑圖像；用一階偏導的有限差分來計算梯度的幅值和方向；對梯度幅值進行非極大值抑制；用雙閾值算法檢測和連接邊緣。選擇處理精細模式：詳盡、一般、簡略彩色圖轉為256階灰度256色灰度值 0.30*紅色分量值+ 0.587*綠色分量值+ 0.114*藍色分量值圖像細化先進行水平方向細化，再進行垂直方向細化。去除離散噪聲：如果孤立像素塊像素點小于一定閾值，則認為是離散噪聲點，需要去除。輪廓跟蹤二、實驗二 基礎運動控制實驗：2.1 機器人作業空間、繪圖空間、軌跡圖像坐標映射機器人機械機構由兩個臂組成，大臂有效長

2、度200毫米，小臂有效長度（旋轉中心到繪圖筆中心距離）為150毫米。大臂運動范圍±100度，小臂運動范圍±55度。機器人作業空間：機器人末端點可以到達的區域，如下圖所示（近似為一個扇環）：機器人繪圖空間：二自由度繪圖機械臂配備了一個長方形繪圖平臺，在繪圖平臺上可以鋪上白紙，平臺的尺寸是280mm*240mm，結合機器人的環形的作業空間，我們取環形工作空間和 繪圖平臺 交集 中的一個最大繪圖矩形作為實際人臉素描繪圖空間，大小取為147mm*110mm(如此選擇主要是滿足長寬比例與圖像風辨率320*240一致)，該矩形中心點在機器人坐標系中的坐標為（0，275），如下圖所示：軌

3、跡圖像坐標映射：人臉圖像在處理時縮放為320×240像素分辨率，在Window系統中繪圖坐標系的定義為：圖像左上角為原點，X方向從左到右為正向，Y方向從上到下為正向。繪圖空間坐標系定義：繪圖空間為在機器人坐標系中中心點坐標為（0，275）的大小為147×110mm的矩形，其中的坐標系定義為：147×110繪圖矩形中心點為原點，X方向從左到右，Y方向從下到上。素描圖像處理出來后得到的筆跡曲線在軌跡圖像坐標系中表示，大小為320×240，如果需要將筆跡曲線繪制在繪圖空間中，需要做坐標轉化，從幾個坐標系間的相對關系可以推導得到：如果 在320×240

4、 圖像坐標系 中的 一個點 （x0,y0）映射到 機器人繪圖空間的對應坐標(x1,y1): X1=x0/2.1818-147/2 Y1=110/2-y0/2.1818+275其中的縮放系數2.1818 為 將320×240的圖像縮小到147×110繪圖空間的比例系數：240/110=2.18182.2 二自由度機械臂的運動學解：機械臂通常具有兩種運動方式：關節空間運動和直角坐標運動。關節空間運動模式是指機器人操作臂的運動直接由各個關節的運動坐標來確定，所有關節變量構成一個關節矢量。所有關節矢量構成的空間稱為關節空間。所謂關節空間運動模式就是直接操作各個關節的運動來完成機器人

5、的運動。下圖 a)為二自由度機械臂的關節坐標空間定義，關節坐標空間由兩個關節組成。直角坐標運動模式是指機器人末端工具的位置和方位通常是在直角坐標空間中描述。直角坐標空間運動模式通過指定機器人末端工具在直角坐標空間中的運動來完成機器人操作任務。下圖b)為二自由度機械臂直角坐標空間的定義，這是一個二維的直角坐標空間。 a)關節坐標空間 b)直角坐標空間實際運行是通過對關節運動軸的伺服控制來實現的，也就是最終的機械臂的控制是在關節坐標空間中進行的，但是對于操作者來說，直角坐標空間更容易讓人理解和接受，操作者對機械臂的操作一般是在直角坐標空間中進行的，這樣就需要建立一種關節坐標空間和直角坐標空間的對應

6、關系，也就是說如果已知機械臂各個關節的坐標參數需要求解機械手末端在直角坐標空間中的坐標，反過來如果已知機械手末端在直角坐標空間的坐標需要求解各個運動關節的坐標參數，前一個問題稱為機器人的運動學正解，后一個問題稱為機器人的運動學反解。從數學的角度定義機器人的運動學正解和反解如下：設機器人的關節坐標空間中的關節變量記為，機器人末端工具在直角坐標空間中的坐標記為，關節變量和直角坐標空間坐標間存在如下運動學約束： 這是一個隱式方程，如果能夠從上式式求解出： 即由關節坐標變量表示的直角坐標變量，這就是機器人的運動學正解，一般的可以得到機器人運動學的唯一正解。如果能夠從4-1式求解出： 也就是已知機器人末

7、端工具的直角坐標參數，求解出對應關節坐標空間中的各個關節變量，這就是運動學的反解，通常難以得到解析的運動學反解，而且運動學反解一般也是不唯一的，實際應用中常采用幾何法和數值解法來求解。下面我們來推導二自由度機械臂的運動學解：1） 二自由度機械臂運動學正解已知：關節1連桿長度，關節變量（關節控制軸1角度位置），關節2連桿長度，關節變量（關節控制軸2角度位置）。求解：關節連桿末端工具安裝點在直角坐標空間的坐標。二自由度機械臂運動學正解上圖為二自由度機械臂的運動學正解的示意圖，從圖上可以得到機械臂末端的直角坐標： 2） 二自由度機械臂運動學反解 已知：關節1連桿長度，關節2連桿長度， 關節連桿末端工

8、具安裝點在直角坐標空間的坐標, 求解：關節變量（關節控制軸1角度位置）， 關節變量（關節控制軸2角度位置）。下圖為求解二自由度機械臂運動學反解的示意圖，如果不考慮奇異點則有如下推導： 得到運動學反解的計算公式： 其中atan2(x ,y)為計算的反正切值（單位為弧度）的數學函數，利用雙變量函數 atan2(x ,y)計算的優點在于利用了x和y的符號能夠確定角度所在的象限，例如，而，如果使用單變量的反正切函數則不能區分這兩種情況，atan2(x ,y)的值域為，當雙變量反正切函數的兩個參數都為零時，函數值不定。二自由度機械臂運動學反解3）運動學反解的不唯一性機器人運動學反解一般是不唯一的，也就是

9、可能存在多組關節坐標變量值使得機械手末端達到給定的目標位置。二自由度機械手在工作空間中運動時存在兩組運動學反解，如下所示。圖 二自由度機械臂的兩組反解實際運行中如何從機器人運動學的多組反解中選擇一組合適的解是一個值得研究的問題，一般的具有多組反解的機器人運動學問題可以采用優化算法來解決，定義一定的優化準則，選擇滿足優化準則的最優解作為機器人運動學的確定反解。優化準則的選取分兩種情況：一種是不存在障礙物時可以使用“最短行程”準則，因為機器人的運動是連續的，結合前一次機器人運動學反解得到的關節坐標位置，選取使機器人關節運動量最小的一組解作為反解，這種選取方法可以使得機器人運動保持連續；如果存在障礙

10、物，沿“最短行程”運動可能導致碰撞，這時應該結合機器人的有障礙路徑規劃和智能決策等方法來選取反解。4）運動學反解中的特殊情況² 特殊情況1：如下圖所示。圖 運動學反解特殊情況1在這時目標位置點(x, y)超出了機械臂運動空間范圍，計算機數值計算的判別條件為： 如果滿足： 則說明給定的目標位置超出了機械臂的運動空間范圍，運動學反解不存在。其中為一個正小數，比如可以選取： ² 特殊情況2：如下圖所示。圖 運動學反解特殊情況2這時目標位置剛好在機械臂工作空間邊界上，也就是目標位置點處于奇異位置，在奇異點位置附近機械臂的運動特性比較差，控制軸運動可能會產生跳變，一般實驗時應該避開這

11、些位置。對于這種奇異情況計算機數值計算的判別條件為： 這種情況下機械臂運動學反解為:2.3 電機脈沖當量 機器人大臂驅動電機為100W松下交流伺服電機，小臂驅動電機為50W松下交流伺服電機，電機后面都配備了光電編碼器，光電編碼器的分辨率為2500脈沖/轉，光電編碼器的信號通過運動控制器中處理電路做了4倍頻處理，也就是說最終在使用運動控制器時我們得到的電機角度分辨率為10000脈沖/轉。機器人關節電機在驅動關節時還連接了諧波減速器，大臂減速比100，小臂減速比99. 如果需要大臂轉動1度，需要下發脈沖數為：10000脈沖/轉 × 100 / 360 度/轉 = 2777.7778 脈沖

12、/度； 如果需要小臂轉動 1 度， 需要下發脈沖數為： 10000 脈沖/轉 × 99 /360度/轉 =2750 脈沖/度。2.4 素描筆跡繪制策略： 圖像處理后得到的素描軌跡為一個筆畫一個筆畫存儲，在筆畫的起點需要落下繪圖筆，在筆畫的終點需要抬起繪圖筆，一個筆畫的終點到下一個筆畫的起點間為抬臂快速移動，不需要做插補運算（可以提高設備運行速度），筆畫由一系列坐標點組成，筆畫中的繪制策略為：取一個筆畫坐標點，轉化到機器人直角坐標系，通過運動學反解運算得到兩個機器人關節的角度，通過角度和電機脈沖數的變化關系轉化為電機目標脈沖數，下發給運動控制器，運動控制器協調電機驅動器控制關節電機運動

13、到目標位置，此時繪圖比落下也就在繪圖板白紙上繪制出筆跡，連續移動則繪制出一條連續筆畫。三、 實驗三 機器人實時控制： 現有網絡結構 設計為 主從結構（服務器/客戶機結構），在實驗系統中一共有4套二自由度機械臂，每套機械臂具有兩個運動關節（電機），總共8個運動控制軸，使用一套8軸Galil嵌入式網絡運動控制器來統一控制4套機器人的8個運動軸。設置一臺計算機為服務器（教師監督計算機），該服務器處理所有與運動控制相關細節，也就是說只有服務器才能和運動控制器通訊連接直接控制運動控制器和機器人。網絡組織結構中有一臺16口網絡交換機，8軸運動控制器具有192.168.0.101 IP 地址 連接到交換機的

14、一個端口，服務器（教師機）需要設置一個在 192.168.0.* 的 唯一IP地址 供 客戶機 通過指定 IP地址訪問。8套客戶機（學生機）也指定唯一的在192.168.0.*網段的 IP地址，比如從 192.168.0.110到192.168.0.117，客戶機的所有操作和請求均先發送到服務器，通過服務器解釋后，合法并授權的命令將被服務器解釋執行并發送到運動控制器，通過服務器和客戶機兩個層次的設置確保了多套客戶機對4臺機器人的分時共享及其客戶權限的設置。在客戶機上運行客戶端程序，對客戶機端的要求做前端預處理，歸一化得到筆畫數據，如果申請到了服務器對機器人的訪問權限則將筆畫數據通過網絡發送到服

15、務器，由服務器解釋執行；在服務器上運行服務器程序，服務器程序處理客戶機的權限管理和機器人的實際控制。客戶端和服務器件網絡通訊協議：客戶端和服務器間通訊流程：1. 客戶端-（CONNECT 請求）-服務器提請建立網絡通訊連接請求，為了避免其他無關計算機連接到服務器干擾實驗流程，在這里采用了 客戶機 網卡 MAC 地址校驗，也就是說 我們先 保存了 能夠連接服務器 的 所有 客戶計算機 網卡的 MAC地址（MAC地址在客戶端軟件運行后能夠在窗口中顯示出來），客戶端發送請求時服務器會在允許聯機的地址列表中查找，如果找到則分配給客戶機一個連接序號，并在服務器上顯示連接客戶機的學號、姓名、地址等信息；如

16、果客戶機的地址與服務器不匹配則拒絕客戶機的連接請求。2. 客戶機正確聯機到服務器后，可以向服務器提交申請實時控制請求：客戶機（CONTROLAPPLY）服務器，此時如果服務器允許客戶機控制實際機器人硬件并且套機器人硬件有空閑，則分配機器人編號給客戶端，接下來客戶端可以將處理好的素描數據或者鼠標繪圖數據發送到服務器做實時繪制實驗。客戶端完成實時繪制實驗后應該自覺提請釋放實際機器人硬件：客戶端（CONTROLNOT）服務器，此時服務器收回分配給客戶機的機器人硬件資源，可以供其他客戶器實驗使用。在服務器上我們也顯示了每套客戶機聯機時間，在服務器端也可以強制將長時間占用機器人資源而不主動釋放的客戶機斷開資源連接。3. 客戶機申請到機器人硬件資源后可以做三種類型實驗：人臉素描繪制、鼠標繪圖繪制、手寫板實時控制，在實際實現中將人臉素描繪制和鼠標繪圖繪制歸一為文件發送繪