机械臂视觉伺服系统的研究

论文摘要

将视觉信息引入机器人控制中,使机器人具有同外部环境进行交互的能力,是当今机器人发展的重要方向。国外对视觉伺服的研究起步比较早,而国内对视觉伺服技术的研究还处于探索阶段,目前进行的许多研究工作主要集中在概念仿真,方法论证,关键技术试验上,因此进行深入的自主研究很有意义。视觉伺服是涉及多学科的复杂非线性控制,包括图像处理、动力学、运动学、控制理论、实时计算等领域。本文提出了基于图像的视觉伺服方案,避免了对系统的精确标定过程,降低了对系统硬件的要求,并进行了相关实验。机械臂系统采用PWM方式驱动各关节直流伺服电机,结合限位保护电路及信号检测处理电路构建驱动板。本文中提出了进行图像采集、处理以及图像特征点提取等工作的视觉信息处理系统实现方案,采用空间域相关算法处理图像,提取图像特征信息,形成视觉伺服循环。文中选择神经网络学习方案设计视觉伺服控制器,避免了求取图像雅可比矩阵的复杂运算和矩阵奇异性问题,给出了网络样本采集、训练方法。通过PCI-1711数据采集卡,搭建RTW实时仿真系统,提出电机模型测试方案。选择位置和速率相结合的双闭环结构设计关节伺服控制器,基于电机模型建立双闭环实时仿真系统,并进行关节伺服控制器调试。通过串口实现主控计算机和图像处理计算机通信,最后进行相应的实验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本文研究的目的和意义
• 1.2 视觉伺服技术的发展概况
• 1.2.1 视觉伺服技术
• 1.2.2 机器人视觉发展历程
• 1.2.3 机器人视觉伺服系统的分类
• 1.2.4 视觉伺服所面临的主要问题
• 1.2.5 视觉伺服的发展前景
• 1.3 论文的主要研究内容与结构安排
• 第2章 机械臂视觉伺服系统的总体设计
• 2.1 引言
• 2.2 视觉伺服系统的结构
• 2.2.1 物理结构
• 2.2.2 控制结构
• 2.3 系统硬件结构及工作流程
• 2.3.1 机械臂系统
• 2.3.2 关节控制子系统
• 2.3.3 视觉系统
• 2.4 本章小结
• 第3章 机械臂关节控制器硬件实现
• 3.1 引言
• 3.2 电机驱动电路的设计
• 3.2.1 PWM波形发生电路
• 3.2.2 PWM电机调速电路
• 3.2.3 速率反馈控制电路
• 3.3 限位保护电路的设计
• 3.4 关节控制器的硬件实现
• 3.5 本章小结
• 第4章 机械臂视觉信息处理算法
• 4.1 引言
• 4.2 图像采集及显示
• 4.2.1 图像采集
• 4.2.2 图像显示
• 4.3 图像信息处理
• 4.3.1 彩色图像与灰度图像之间的转换
• 4.3.2 图像增强的点运算
• 4.3.3 图像的空间域平滑
• 4.3.4 图像空间域锐化
• 4.3.5 SOBEL边缘检测算子
• 4.4 特征图像信息求解
• 4.4.1 圆形目标检测方案选取
• 4.4.2 哈夫变换的原理
• 4.4.3 基于哈夫变换的圆检测
• 4.4.4 实验结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于图像反馈的机械臂视觉定位
• 5.1 引言
• 5.2 图像雅可比矩阵方法原理
• 5.3 基于神经网络的视觉定位
• 5.3.1 基本原理
• 5.3.2 视觉伺服控制器设计
• 5.3.3 BP神经网络学习算法
• 5.4 本章小节
• 第6章 伺服控制系统的调试与运行
• 6.1 引言
• 6.2 基于MATLAB/RTW实时仿真系统的构建
• 6.2.1 方案的提出
• 6.2.2 实时仿真框图
• 6.3 关节伺服电机模型测定
• 6.4 机械臂单关节系统的闭环控制方案
• 6.5 实验结果数据分析
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢