基于力反馈和视觉的板材安装定位研究

论文摘要

大型建筑场馆内石材壁板的安装是一项繁重的体力劳动,开发并推广自动化的板材安装机工具和安装方法具有重要的意义。在先前研究的基础上,本文针对当前研制的板材安装机器人存在的传感信息不完整、挂件粘接误差引起的安装成功率不高等问题,在自动化干挂工艺优化、基于多种传感信息的安装策略以及由此衍生出的“多方轴-槽孔装配”接触状态识别问题等方面展开研究。论文主要内容如下:在了解室内石材壁板传统干挂工艺的基础上,确定了自动化干挂板材的工艺流程以及挂件的粘接方式;分析了保证板材成功挂装的挂件粘接误差条件,为实现大尺寸SE型干挂石材的批量化、标准化生产提供了理论基础。针对基于视觉的定位方法无法获取挂装件位置关系的缺陷,本文将基于力觉的方法引入到板材的安装过程中,并在此基础上提出了两种搜孔定位方法——平面搜索法和立体搜索法,进一步完善了自动板材安装的方法和流程。搭建了板材安装定位的物理系统,对视觉和力传感器进行了选择和布置;建立了板材安装机器人的运动学模型、视觉系统测量模型和基于多个单维力传感器的外力检测模型,并将三者统一成板材安装系统的安装定位模型,为板材安装的实施奠定了理论基础。接触状态识别问题是“多个方轴-槽孔”装配过程中搜孔阶段的核心问题,对此本文分析了两种搜索策略中接触状态的类别,提出了基于接触力位置和基于接触力模式两种接触状态识别方法,使搜孔策略得以实现,也为多点接触中状态识别这一相对普适的问题提供了借鉴。最后,以板材安装机器人为实验平台,实验验证了接触状态识别算法和板材搜索策略的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 引言
• §1-2 问题的提出与研究意义
• §1-3 相关国内外研究现状
• 1-3-1 建筑幕墙装饰自动化安装研究现状
• 1-3-2 基于力觉和视觉信息的机器人操作的研究现状
• §1-4 论文主要工作内容
• 第二章 干挂板材自动化安装策略的研究
• §2-1 引言
• §2-2 板材干挂工艺和挂件位置误差要求分析
• 2-2-1 板材干挂工艺
• 2-2-2 挂件位置误差要求分析
• §2-3 基于结构光视觉的板材安装策略
• 2-3-1 结构光视觉板材安装原理
• 2-3-2 基于结构光视觉的板材安装策略分析
• §2-4 基于力觉与视觉的板材安装策略
• 2-4-1 基于力觉的轴孔装配研究现状
• 2-4-2 基于力觉与视觉的板材安装定位策略
• 2-4-3 基于力觉的槽孔搜索策略
• §2-5 本章小结
• 第三章 板材安装定位物理系统的搭建
• §3-1 引言
• §3-2 板材安装机器人系统的构建
• §3-3 板材定位系统传感器的选择布置
• §3-4 力反馈系统的研究与设计
• 3-4-1 板材安装过程受力分析
• 3-4-2 力传感系统设计要求分析
• 3-4-3 多个单维力传感器检测原理
• 3-4-4 力传感系统的建立
• §3-5 本章小结
• 第四章 板材安装定位系统数学模型
• §4-1 引言
• §4-2 机器人系统数学模型
• §4-3 视觉传感器成像模型的建立
• §4-4 力传感检测模型的建立
• §4-5 板材安装机器人板材安装定位模型
• §4-6 本章小结
• 第五章 接触状态识别方法的研究
• §5-1 引言
• §5-2 板材安装接触状态分析
• 5-2-1 平面搜索运动中接触状态分析
• 5-2-2 立体搜索运动中接触状态分析
• §5-3 板材接触状态的识别
• 5-3-1 基于受力点位置的接触状态识别
• 5-3-2 接触力位于同一区域内接触状态的区分
• 5-3-3 基于板材受力模式的接触状态识别
• §5-4 本章小结
• 第六章 实验研究
• §6-1 实验装置与实验环境
• 6-1-1 实验系统的搭建
• 6-1-2 力传感器的标定
• 6-1-3 实验程序
• §6-2 实验过程
• 6-2-1 接触状态识别实验
• 6-2-2 板材安装实验
• §6-3 板材安装精度分析
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢