基于视觉的PUMA560机械臂控制系统设计

论文摘要

机器人技术经过长期的发展历程,目前已成为一个跨学科的研究领域。同时随着科学技术的发展,机器人应用领域越来越广泛,为了适应不同环境下对机器人操作技术的要求,人们将各种传感器,如触觉、力觉、视觉等传感器应用于机器人控制系统中,以提高机器人的智能性和适应性。其中视觉伺服是目前机器人控制领域中最热门的研究领域之一。本文是基于视觉的PUMA560机械臂控制系统研究,主要目的是给机械臂设计一个开放式的、通用的、具备一定拓展性的控制系统。本文主要工作分为四个部分:原有控制系统的改造,视觉子系统的设计,关节伺服系统的设计以及视觉控制器的设计。其中,原控制系统的改造主要是隔离原控制系统的控制信号、抱闸信号并提取、调整其反馈信号,为课题设计新控制系统做准备。视觉子系统的设计是基于BF533 DSP图像采集及处理过程,主要包括目标图像的采集、图像信息的滤波去噪、灰度化、二值化、边缘检测以及特征点的提取。关节伺服系统的设计是基于MATLAB/RTW的半实物仿真过程,其控制结构是采用位置、速率双闭环结构,控制方式采用传统PID方式,MATLAB/RTW中的控制器与计算机外的机械臂本体通过PCI-1711数据采集卡实现信息传输。整个关节伺服系统主要设计工作包括功率放大驱动电路设计以及双闭环控制器设计。视觉控制器是通过BP神经网络实现的,其主要作用是实现视觉子系统与关节伺服系统的数据连通。视觉子系统计算得到的目标物体特征点作为视觉控制器的输入,通过视觉控制器的处理输出关节伺服系统的位置控制信号,关节伺服系统根据此位置控制信号控制机械臂运动到目标位置。本文完成了PUMA560机械臂视觉系统、关节伺服系统以及视觉控制器的设计,并对整个视觉系统进行了联调,取得了较好的效果,但是控制精度还有待提高,这也是今后课题进一步研究的方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 机器人技术概述
• 1.2.1 机器人技术早期发展历程
• 1.2.2 机器人技术主要发展方向
• 1.3 机器人视觉伺服概述
• 1.3.1 机器人视觉伺服主要内容
• 1.3.2 视觉伺服系统研究趋势
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 PUMA560 控制系统方案设计
• 2.1 控制系统的总体结构
• 2.2 视觉子系统设计方案
• 2.2.1 图像处理硬件平台
• 2.2.2 视觉子系统整体构成
• 2.3 关节控制系统设计方案
• 2.4 PUMA560 运动学仿真
• 2.5 视觉控制器设计方案
• 2.5.1 BP神经网络
• 2.5.2 视觉控制器的具体实现
• 2.6 课题所要达到的性能指标
• 2.7 本章小结
• 第3章 视觉图像处理系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 视觉系统硬件平台
• 3.2.1 课题所用的接口模块
• 3.2.2 视频采集模块
• 3.2.3 视频处理模块
• 3.3 图像处理主程序
• 3.4 基于BF533 的图像处理
• 3.4.1 图像灰度化
• 3.4.2 图像去噪
• 3.4.3 图像二值化
• 3.4.4 图像分割与边缘检测
• 3.5 图像特征矢量提取
• 3.6 数据DA转换输出
• 3.7 本章小结
• 第4章 关节伺服系统设计
• 4.1 关节控制系统设计前期准备
• 4.2 硬件电路设计
• 4.2.1 功率放大驱动电路设计
• 4.2.2 速率检测电路设计
• 4.3 PUMA560 关节控制系统设计
• 4.3.1 实时视窗目标RTW（Real-Time Windows Targert）
• 4.3.2 实时视窗目标RTW的安装
• 4.3.3 数据采集卡PCI-1711
• 4.3.4 采样频率分析
• 4.3.5 Simulink外部模式
• 4.3.6 代码创建过程
• 4.3.7 实时仿真系统的实现
• 4.3.8 PUMA560 关节电机模型
• 4.4 关节控制器设计
• 4.4.1 反馈回路设计与驱动板调零
• 4.4.2 速率控制器设计
• 4.4.3 位置控制器设计
• 4.4.4 位置速率双闭环设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 系统实验研究
• 5.1 视觉控制器
• 5.1.1 样本采集
• 5.1.2 神经网络训练
• 5.2 PUMA560 视觉伺服系统
• 5.2.1 视觉伺服系统通信
• 5.2.2 视觉伺服系统调试
• 5.2.3 视觉伺服系统调试结果分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢