基于双目视觉的护理机器人抱取功能的实现

论文摘要

随着老龄化社会的到来,为了更好的照顾老年人、病人和行动不方便者而研制出的护理机器人是机器人领域理论研究和工程实验的重点。护理机器人是一个集环境和目标获取、行为决策、控制和执行为一体的综合系统。本文以英集斯公司和南京理工大学共同研制的MT-Bear机器人实验平台为对象,研究了双臂机器人运动学及轨迹规划、动力学及控制,以及基于双目视觉的图像处理、目标识别和目标测距等关键技术。初步实现了护理、救护作业的典型且基本动作,能平稳柔顺地抱取物体。本文主要工作包括以下几点：（1）对MT-Bear机器人的系统结构进行了分析,包括其仿人双臂、双目视觉、履带式行走结构等。利用D-H法对MT-Bear机器人双臂进行运动学建模,研究了三自由度机械臂的运动学正逆解。为了使机械臂运行更加平稳、路径更加柔化,设计了正弦型加速度路径对机械臂进行轨迹规划,仿真结果表明正弦路径有着更好的特性；（2）利用Lagrange法对MT-Bear机械臂进行动力学建模,研究了PD控制、PD带重力补偿控制和传统变结构控制、带边界层变结构控制并使用上述方法对机械臂控制,仿真结果表明控制算法能够使机械臂完成定点控制和轨迹规划,且控制力矩符合预期要求；（3）在MT-Bear机器人平台上,对其双目摄像机进行了标定,完成了图像预处理、形态学处理；对基于单目和双目视觉的目标定位进行了研究,提出了MT-Bear机器人适用的目标识别方法,完成目标的测距工作,为MT-Bear机器人抱取目标物体打下基础;（4）在Webots仿真平台上构建了机器人的三维仿真模型,设计了控制算法,实现了机器人路径规划和目标抱取的三维仿真。并移植到MT-Bear机器人上进行抱取动作的实验,顺利实现了目标物体的抱取。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外护理机器人研究现状
• 1.2.1 国外护理机器人的发展概况
• 1.2.2 国内护理机器人研究概况
• 1.3 护理机器人的关键技术分析
• 1.4 护理机器人的功能分析
• 1.5 本文研究内容
• 2 MT-Bear机器人实验平台结构简介
• 2.1 MT-Bear系统基本组成
• 2.2 三自由度的双臂结构
• 2.3 双目视觉
• 2.4 履带行走结构
• 2.5 本章小结
• 3 MT-Bear双臂运动学建模与抱取物体的轨迹规划
• 3.1 机械臂运动学模型建立
• 3.1.1 空间位置和姿态表示法
• 3.1.2 刚体的空间变换
• 3.2 机械臂的正逆运动学解
• 3.2.1 机械臂的正运动学解
• 3.2.2 机械臂的逆运动学解
• 3.3 机械臂运动轨迹规划
• 3.3.1 基于三段式正弦型加速度的柔化路径设计
• 3.3.2 抱取物体的轨迹规划
• 3.4 本章小结
• 4 MT-Bear双臂动力学建模与控制
• 4.1 机械臂的动力学建模
• 4.2 机械臂的控制方法选择
• 4.2.1 PD控制
• 4.2.2 变结构控制
• 4.3 本章小结
• 5 基于双目视觉的目标定位
• 5.1 机器视觉
• 5.1.1 摄像机的标定
• 5.1.2 机器人摄像机参数的确定
• 5.2 图像处理与目标定位
• 5.2.1 图像处理
• 5.2.2 目标定位
• 5.3 仿真与实际对比
• 5.4 本章小结
• 6 MT-Bear抱取物体的仿真与实验研究
• 6.1 仿真平台介绍
• 6.1.1 Webots软件介绍
• 6.1.2 Webots仿真过程
• 6.2 机器人路径规划和抱取三维仿真
• 6.2.1 路径规划仿真
• 6.2.2 抱取物体的三维仿真
• 6.3 机器人软件编写与抱取实现
• 6.3.1 MT-Bear机器人软件编写
• 6.3.2 抱取动作的实现
• 6.4 本章小结
• 总结与展望
• 致谢
• 参考文献