基于图像的机械臂手眼协调系统研究

论文摘要

自从诞生以来,机器人就一直处于从简单到复杂,从单一到多样,从低级到高级的不断发展过程中,特别是随着电子器件技术的发展,计算机的处理能力与传感器技术有了很大的提高,人们不再满足于机器人仅能在特定的工作环境中按照既定程序进行重复操作,纷纷为其添加各种外部传感器,使其具有更广的适用范围及更高的性能,其中机器人视觉的引入是机器人技术的一个飞跃性发展,其能够为机器人提供丰富而广泛的信息,并能够对环境进行非接触式测量。在机器视觉的的众多研究方向之中,研究机器人的视觉传感器与执行器之间的协调控制策略具有广泛的应用前景,并已经成为一个研究热点。实验室现有RM-501机械臂一台,但是除机体其余设备已损坏,本课题的主要目的是为其设计驱动控制系统,同时加入视觉检测系统,使其具备手眼协调功能,最终使其成为一个开放性的教学演示平台。论文首先对机器人及其手眼协调的背景及发展历程进行了详细的介绍,通过对机械臂手眼协调的特点、适用条件及优缺点进行分析,并结合本课题的特点及要求,本文选用了单目、眼在手上的物理结构及基于图像的视觉控制方式。然后对机械臂手眼协调系统进行了总体介绍,其主要分为关节驱动控制系统、视觉检测系统和视觉控制器,之后对它们进行了详细设计。其中,关节驱动控制系统中使用了PWM的调速方式对各关节电机进行驱动,采用了外环位置环与内环速率换的双闭环控制结构;视觉检测系统主要是采用了基于背景差分的方法实现对目标物体的检测,为了验证算法首先在MATLAB环境下对其进行了仿真,之后将其移植到ADSP Blackfin533平台上,并使用D/A将图像特征矢量输出给主控计算机;视觉控制器的设计是基于图像雅克比矩阵模型,其主要是建立起图像特征矢量变化与机械臂空间运动之间的关系。最后进行系统联调,其中控制器主要是在主控计算机的在Simulink/RTW环境下搭建的,其它个子系统通过PCI1711板卡与主控计算机的控制器进行实时通信,最终实现机械臂的手眼协调功能。目前已完成了对机械臂手眼协调的各子系统的设计与调试,并进行系统联调,实验结果比较理想,但是对目标物体的定位与跟踪精度上还需进一步研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 机器人手眼协调综述
• 1.2.1 机器人手眼协调的发展历程
• 1.2.2 机器人手眼协调系统的分类及特点
• 1.2.3 机器人手眼协调的发展趋势
• 1.3 本课题主要研究内容
• 第2章 机械臂手眼协调总体方案及运动学分析
• 2.1 引言
• 2.2 机械臂手眼协调系统的组成
• 2.3 机械臂关节驱动控制系统
• 2.4 视觉检测系统设计方案
• 2.5 视觉控制器设计方案
• 2.6 机械臂的运动学分析与仿真
• 2.6.1 正运动学分析
• 2.6.2 机械臂工作空间
• 2.7 本章小结
• 第3章 机械臂关节驱动控制系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 RM-501 机械臂拆装及端口测试
• 3.3 关节驱动电路设计与测试
• 3.3.1 PWM信号发生电路
• 3.3.2 光耦隔离电路
• 3.3.3 功率放大电路
• 3.3.4 关节驱动电路的测试
• 3.4 关节位置和速率反馈设计
• 3.4.1 位置反馈的实现
• 3.4.2 速率反馈的实现
• 3.5 本章小结
• 第4章 视觉检测系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 数字图像处理
• 4.2.1 图像的变换
• 4.2.2 图像增强
• 4.2.3 图像形态学处理
• 4.2.4 图像特征识别
• 4.3 视觉子系统设计及算法仿真
• 4.3.1 背景模型的建立
• 4.3.2 物体的识别和跟踪
• 4.3.3 系统仿真及结果显示
• 4.4 视觉检测系统的硬件实现
• 4.4.1 ADSP Blacfin533 性能
• 4.4.2 外设接口和访问方式
• 4.5 视觉检测系统的软件实现
• 4.5.1 图像采集及灰度处理
• 4.5.2 运动物体的检测和识别
• 4.5.3 检测结果D/A数据输出
• 4.6 本章小结
• 第5章 视觉控制器设计与系统调试
• 5.1 引言
• 5.2 基于雅可比矩阵的视觉控制器设计
• 5.2.1 机械臂手眼协调系统建模
• 5.2.2 系统建模
• 5.2.3 控制器设计
• 5.3 机械臂关节控制系统调试
• 5.3.1 直流电机的数学模型
• 5.3.2 电机参数测试
• 5.3.3 关节控制器的调试
• 5.4 机械臂手眼协调系统仿真
• 5.5 系统实物联调
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢