机器人视觉伺服控制研究

论文摘要

本文主要针对机器人视觉伺服控制进行了研究,基于当前视觉伺服控制领域的不同问题提出了相关的控制算法,主要包括基于图像雅可比矩阵的视觉控制器、基于单应性矩阵的视觉控制器、基于仿射近似的视觉控制器和基于切换方法的视觉控制器。(1)应用图像雅可比矩阵理论,以PUMA560机器人为试验研究对象,在matlab/simulink环境下搭建了视觉伺服系统仿真平台,完成了伺服系统仿真及控制器的验证工作。(2)设计了基于单应性矩阵的视觉控制器,该方法克服了图像雅可比矩阵方法的局部线性化缺陷,扩大了机器人的应用范围,而且避开了图像深度信息的求取,当环境噪声影响较小时可获得较高的控制精度；针对机械臂作纯仿射运动的情况,即不包含绕X轴或Y轴的旋转,设计了基于仿射近似的视觉控制器,该控制器当环境中存在较大噪声时仍能获得较好的控制性能,因此该方法对噪声具有较强的鲁棒性。(3)为了克服以上控制器对应用环境的局限性,本文结合了以上控制器的优点,将切换方法引入到机器人视觉伺服系统中。切换控制器由两个或两个以上的子控制器和一个上层的决策控制器组成,决策控制器通过一组切换规则来选择视觉控制器,使系统得到更好的伺服效果。本文将基于单应性矩阵的控制器和基于仿射近似的控制器作为子控制器,选择一组切换规则,在两个子控制器之间切换,充分利用两个子控制器的优点,优势互补。并以六自由度的PUMA560机器人为例,通过控制机械臂抓取空间物体这一任务进行了验证,仿真结果表明所设计的控制器能够快速高效的完成伺服任务。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的背景及意义
• 1.2 机器人视觉伺服控制系统
• 1.2.1 机器人视觉伺服发展历史简介
• 1.2.2 机器人视觉伺服控制系统的组成
• 1.2.3 机器人视觉伺服控制系统的分类
• 1.3 机器人视觉伺服控制方法
• 1.4 视觉伺服控制的发展方向
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 机器人运动学分析和摄像机模型
• 2.1 机器人运动学基础知识
• 2.1.1 机器人的位姿描述
• 2.1.2 运动学正向问题
• 2.1.3 运动学逆向问题
• 2.2 PUMA560机器人介绍
• 2.2.1 PUMA560机器人结构及参数
• 2.2.2 PUMA560机器人正运动学建模与分析
• 2.2.3 PUMA560机器人逆运动学求解
• 2.2.4 机器人雅克比矩阵
• 2.3 摄像机透视投影模型
• 2.3.1 坐标系及坐标变换
• 2.3.2 摄像机针孔模型
• 2.4 小结
• 第3章 基于图像的机器人视觉伺服控制
• 3.1 引言
• 3.2 基于图像的机器人视觉伺服控制结构
• 3.3 图像雅克比矩阵
• 3.4 基于图像的机器人视觉伺服仿真
• 3.4.1 机器人工具箱（Robotics Toolbox for Matlab）简介
• 3.4.2 仿真模型的构建
• 3.4.3 仿真结果
• 3.5 小结
• 第4章 基于切换方法的机器人视觉伺服控制
• 4.1 混合动态系统简介
• 4.2 切换系统
• 4.3 视觉控制器的构建
• 4.3.1 基于单应性矩阵的控制器
• 4.3.2 仿射近似控制器
• 4.3.3 切换规则
• 4.4 仿真试验
• 4.4.1 基于单应性矩阵的机器人视觉伺服系统仿真
• 4.4.2 基于切换控制的机器人视觉伺服系统仿真
• 4.5 小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文情况
• 致谢