基于多个位姿标识确定可形变机械臂的外部受力的方法及机器人系统

1.一种确定可形变机械臂的外部受力的方法，其特征在于，所述方法包括：获取定位图像；在所述定位图像中，识别位于所述可形变机械臂的末端上的多个位姿标识，所述多个位姿标识包括不同的位姿标识图案，所述可形变机械臂包括至少一根结构骨、固定盘以及至少一个间隔盘，所述至少一根结构骨穿过所述至少一个间隔盘并且末端与所述固定盘固定连接；基于所述多个位姿标识，获得所述可形变机械臂的末端相对参考坐标系的位姿；获得所述可形变机械臂的所述至少一根结构骨的驱动信息；以及基于所获得的所述可形变机械臂的末端相对所述参考坐标系的位姿、所述至少一根结构骨的所述驱动信息及所述可形变机械臂的力学模型，确定所述可形变机械臂的外部受力，其中，所述力学模型基于所述可形变机械臂的所述至少一根结构骨在所述可形变机械臂的横截面上的分布以及所述至少一根结构骨的物理特性；其中，获得所述可形变机械臂的末端相对所述参考坐标系的位姿包括：基于所述多个位姿标识的分布，确定所述多个位姿标识相对可形变机械臂的末端坐标系的Z轴的绕轴角度；以及基于所述多个位姿标识的绕轴角度，确定所述多个位姿标识相对所述可形变机械臂的末端坐标系的三维坐标；所述力学模型包括与所述至少一根结构骨相关的本构关系及力学平衡关系；所述本构关系包括内部受力本构关系及内部力矩本构关系，所述内部受力本构关系基于所述至少一根结构骨的剪切拉伸刚度矩阵，所述内部力矩本构关系基于所述至少一根结构骨的弯曲扭转刚度矩阵；所述力学平衡关系包括所述可形变机械臂的受力平衡关系及力矩平衡关系，所述受力平衡关系包括所述至少一根结构骨沿轴向的受力，所述力矩平衡关系包括所述至少一根结构骨沿轴向的力矩。 2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：确定所述多个位姿标识在所述定位图像中的二维坐标；以及基于所述多个位姿标识在所述定位图像中的二维坐标和所述多个位姿标识相对所述可形变机械臂的末端坐标系的三维坐标，确定所述可形变机械臂的末端相对所述参考坐标系的位姿。 3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：从所述定位图像中确定多个候选位姿标识；基于多个不同的位姿图案匹配模板，从所述多个候选位姿标识中识别第一位姿标识；以及以所述第一位姿标识作为起点，搜索其他的位姿标识。 4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述多个位姿标识包括在多个不同的所述位姿标识图案中的位姿标识图案角点，所述方法包括：在所述定位图像中确定感兴趣区域；将所述感兴趣区域划分为多个子区域；确定每个所述子区域中角点似然值最大的像素以形成像素集合；确定所述像素集合中角点似然值最大的像素作为候选位姿标识图案角点；以及将所述多个不同的位姿图案匹配模板分别与所述候选位姿标识图案角点位置处的图案进行匹配，以识别所述第一位姿标识。 5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，包括：响应于匹配失败，确定所述像素集合中剩余像素的角点似然值最大的像素作为候选位姿标识图案角点。 6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，还包括：以所述第一位姿标识作为起点，搜索第二位姿标识；基于所述第一位姿标识、所述第二位姿标识，确定搜索方向；以及以所述第一位姿标识或所述第二位姿标识作为起点，在所述搜索方向上搜索其他的位姿标识。 7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，以所述第一位姿标识作为起点搜索第二位姿标识包括：以所述第一位姿标识作为起点，搜索所述第二位姿标识的候选位姿标识图案角点；基于所述多个位姿标识的分布，确定第一位姿图案匹配模板和第二位姿图案匹配模板，所述第一位姿图案匹配模板和第二位姿图案匹配模板对应于与所述第一位姿标识相邻的位姿标识；以及将所述第一位姿图案匹配模板或所述第二位姿图案匹配模板与所述第二位姿标识的候选位姿标识图案角点位置处的图案进行匹配，以识别所述第二位姿标识。 8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，以所述第一位姿标识或所述第二位姿标识作为起点在所述搜索方向上搜索位姿标识包括：以所述第一位姿标识或所述第二位姿标识作为起点，搜索第三位姿标识的候选位姿标识图案角点；基于所述多个位姿标识的分布，确定第三位姿图案匹配模板，所述第三位姿图案匹配模板对应于与所述第一位姿标识相邻或与所述第二位姿标识相邻的位姿标识；以及将所述第三位姿图案匹配模板与所述第三位姿标识的候选位姿标识图案角点位置处的图案进行匹配，以识别所述第三位姿标识。 9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：响应于搜索距离大于搜索距离阈值，确定所述像素集合中剩余像素的角点似然值最大的像素作为候选位姿标识图案角点；以及将所述多个不同的位姿图案匹配模板分别与所述候选位姿标识图案角点位置处的图案进行匹配，以识别第一位姿标识。 10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：响应于识别到的位姿标识数量小于位姿标识数量阈值，确定所述像素集合中剩余像素的角点似然值最大的像素作为候选位姿标识图案角点；以及将所述多个不同的位姿图案匹配模板分别与所述候选位姿标识图案角点位置处的图案进行匹配，以识别第一位姿标识。 11.根据权利要求3-5中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：基于所述多个位姿标识中的至少两个，确定所述多个位姿标识的排布顺序。 12.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述多个位姿标识设置在所述可形变机械臂的末端的柱状部分的外表面上。 13.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述可形变机械臂的末端的柱状部分的外表面上设置有包括所述多个位姿标识的定位标签，所述多个位姿标识包括沿柱状部分的周向分布在所述定位标签上的多个不同的位姿标识图案以及在所述位姿标识图案中的位姿标识图案角点。 14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述受力平衡关系包括：所述可形变机械臂沿轴向在受力处的外部受力与内部受力处于平衡，并且在末端处内部受力平衡；或者所述可形变机械臂沿轴向在末端处的外部受力与内部受力处于平衡。 15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一根结构骨的力矩是基于所述至少一根结构骨在所述可形变机械臂的横截面上的分布以及所述至少一根结构骨的剪切拉伸刚度矩阵来确定的。 16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可形变机械臂的力学模型包括所述至少一根结构骨沿轴向的长度变化量与所述至少一根结构骨在所述可形变机械臂的横截面上的分布之间的关系。 17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：应用所述至少一根结构骨的长度边界条件，所述长度边界条件包括所述至少一根结构骨在末端处的长度等于长度驱动量与长度形变量之和，所述至少一根结构骨的驱动信息包括所述长度驱动量。 18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：应用所述可形变机械臂在末端的力矩边界条件，所述力矩边界条件包括所述可形变机械臂在末端处的内力矩之和为零。 19.根据权利要求1-5、7-10、14-18中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：基于打靶法或解析法对所述可形变机械臂的力学模型求解，以确定所述可形变机械臂的外部受力。 20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，基于打靶法对所述可形变机械臂的力学模型求解，以确定所述可形变机械臂的外部受力包括：基于所述可形变机械臂在初始位置处的初始受力和初始力矩、所述至少一根结构骨的长度形变量和驱动信息及所述可形变机械臂的力学模型，确定所述可形变机械臂的末端的计算位姿，其中所述驱动信息包括长度驱动量；以及响应于所述计算位姿与所获得的所述位姿之差满足误差要求，基于所述初始受力和初始力矩，确定所述可形变机械臂的外部受力。 21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，基于打靶法对所述可形变机械臂的力学模型求解，以确定所述可形变机械臂的外部受力还包括：响应于所述计算位姿与所获得的所述位姿之差不满足误差要求，调整所述初始受力、所述初始力矩和所述长度形变量；以及基于经调整的所述初始受力、所述初始力矩和所述长度形变量、所述驱动信息及所述可形变机械臂的力学模型，确定所述可形变机械臂的末端的计算位姿，直到所述计算位姿与所获得的所述位姿之差满足误差要求。 22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，确定所述可形变机械臂的外部受力，包括：基于所述初始受力、初始力矩以及所述可形变机械臂的受力平衡关系，计算所述可形变机械臂的末端的外部受力。 23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，还包括：基于初值向量的变化对边界条件值向量的影响矩阵，确定所述初值向量的调整量，所述初值向量包括所述初始受力、所述初始力矩和所述长度形变量；以及基于所述调整量，调整所述初值向量。 24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括：通过对所述初值向量的元素施加扰动，计算所述影响矩阵的元素；以及基于所述影响矩阵的元素，调整所述初值向量的元素。 25.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括：迭代地调整所述初值向量，直到所述边界条件值向量的误差满足要求，所述边界条件值向量包括所述至少一根结构骨在末端处的长度等于所述驱动信息中包括的长度驱动量与长度形变量之和，所述计算位姿与所获得的所述位姿之差满足误差要求，以及所述可形变机械臂在末端处的力矩平衡。 26.一种计算机设备，包括：存储器，用于存储至少一条指令；以及处理器，与所述存储器耦合，用于执行所述至少一条指令以执行根据权利要求1-25中任一项所述的方法。 27.一种计算机可读存储介质，用于存储至少一条指令，所述至少一条指令由计算机执行时致使所述计算机执行根据权利要求1-25中任一项所述的方法。 28.一种机器人系统，包括：至少一个可形变机械臂，所述可形变机械臂包括至少一根结构骨、固定盘、至少一个间隔盘以及设置在所述可形变机械臂的末端上的多个位姿标识，所述多个位姿标识包括不同的位姿标识图案，所述至少一根结构骨穿过所述至少一个间隔盘并且末端与所述固定盘固定连接；以及图像采集设备，用于采集所述可形变机械臂的定位图像；控制装置，被配置为与所述图像采集设备连接，执行根据权利要求1-25中任一项所述的方法，以确定所述可形变机械臂的外部受力。