基于计算机视觉的机械臂控制技术研究

论文摘要

机器人技术近40年来有了飞速的发展,已成为现代化高技术的重要发展方向之一。它涉及到精密机械、机构运动学、计算机科学、传感器技术、人工智能等多个学科。本文在根据工程训练中心生产实际的需求基础上,论述了当前机器人控制技术的研究现状和发展趋势,在此基础上进一步论述了机器人视觉伺服控制系统所面临的主要问题和发展前景,以此为基础,完成了掂球机械臂的设计和建模。提出了基于视觉的机械臂的总体方案,对掂球机械臂的机械系统进行设计,包括机械臂整体方案的设计,伺服舵机的选择,推力轴承的选择以及可编程控制器的选择,对掂球机械臂位置定位及球拍姿态定位进行了规划和设计。在完成上述机械方案的基础上,搭建了实验环境。完成了掂球机械臂机械系统的建模,根据机械臂的工作任务,对机械臂提出运动性能要求,进行机械臂运动学设计,建立了掂球机械臂的运动方程。对掂球机械臂进行求运动学反解,通过求解获得各个关节的运动参数,为系统控制提供依据。采用基于邻域法进行图像分割,对获取的图像进行中值滤波、灰度化处理,采用sobel算子来求梯度,成功地提取了运动物体的图像信息。进行图像边缘求取、细化和去离散点操作,设计了图像边缘求取算法,并获取物体的中心点。完成了掂球机械臂的控制系统的设计,规划了其软件的流程,完成了可编程控制器的控制系统分析和设计。通过对四自由度机械臂的大量实验,表明系统可以对球拍的位置和姿态进行控制。也能够通过图像识别和控制系统的结合实现击球动作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 机器人分类及其研究现状
• 1.2 机器人、机械臂在工业生产中的应用
• 1.2.1 工业机器人的发展过程及其应用
• 1.2.2 工业机器人研究的现状与意义
• 1.3 国内外机器人研究现状
• 1.3.1 国外机器人研究现状
• 1.3.2 国内机器人研究现状
• 1.4 目前关于机器人、机械臂控制技术的发展与现状
• 1.4.1 机器人控制技术
• 1.4.2 机器人的智能控制现状分析
• 1.5 机器人视觉伺服控制系统
• 1.5.1 视觉伺服的定义
• 1.5.2 机器人视觉的发展历史
• 1.5.3 机器人视觉伺服系统分类
• 1.5.4 视觉伺服所面临的主要问题
• 1.5.5 视觉伺服的发展前景
• 1.6 本课题的研究目标和研究内容
• 2 基于视觉的机械臂总体方案设计
• 2.1 背景意义
• 2.1.1 装配机器人
• 2.1.2 足球机器人
• 2.1.3 导盲机器人
• 2.2 基于计算机视觉的机械臂系统方案设计
• 2.2.1 图像采集系统设计
• 2.2.2 机械系统设计
• 2.2.3 控制系统设计
• 2.3 小结
• 3 掂球机械臂的系统建模
• 3.1 机器人运动学基础知识
• 3.1.1 自由度的选择
• 3.1.2 机器人的位姿几何基础
• 3.1.3 连杆变换矩阵及其乘积
• 3.2 掂球机械臂运动方程
• 3.3 掂球机械臂运动学反解
• 1'>3.3.1 求解关节转角θ₁
• 3'>3.3.2 求解关节转角θ₃
• 2'>3.3.3 求解关节转角θ₂
• 4'>3.3.4 求解关节转角θ₄
• 3.4 小结
• 4 图像识别跟踪方法的研究
• 4.1 图像处理基础
• 4.1.1 颜色的理解
• 4.1.2 RGB颜色模型
• 4.2 图像分割
• 4.2.1 基于邻域的方法
• 4.2.2 直方图阈值法
• 4.2.3 颜色聚类法
• 4.3 图像处理
• 4.3.1 图像数据读取
• 4.3.2 图像的中值滤波
• 4.3.3 图像灰度化
• 4.3.4 图形梯度的获取
• 4.3.5 图像特征区域的确定
• 4.3.6 得到特征区域的颜色信息
• 4.3.7 两幅图的匹配
• 4.3.8 物体的区域定位
• 4.3.9 图像二值化
• 4.3.10 图像的膨胀
• 4.3.11 图像的边缘求取
• 4.3.12 图像的细化
• 4.3.13 图像的去离散点的操作
• 4.3.14 乒乓球中心点的取得
• 4.4 小结
• 5 控制系统设计
• 5.1 控制系统硬件构成
• 5.2 伺服舵机的控制
• 5.3 控制系统软件设计
• 5.3.1 软件流程
• 5.3.2 初始化处理
• 5.3.3 异常处理
• 5.4 BASICSteamp2可编程控制器控制程序部分源代码
• 5.5 试验结果
• 5.6 小结
• 6 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 在校期间发表的论文