双目视觉的工业机器人
摘 要如今，工业机器人已广泛地应用于焊接、切割、装配、抓取、码垛等工业制造领域，其中抓取作业控制是机器人完成装配、搬运、码垛、包装等接触性操作的基础。利用双目视觉实现抓取对象及其环境的识别与定位是工业机器人控制的主要方式。本文利用Kinect对场景内的信息进行实时监测，识别三维场景，识别与定位环境中的小球，利用力位置混合控制算法控制MOTOMAN机械手抓取小球。再通过OpenGL构建了虚拟机器人及虚拟环境，用Kinect对虚拟环境进行实时更新，使得系统在原有的工作基础上，有了虚拟场景的辅助从而加入了带有遥操作机器人系统的预编程工作模式。本文结合了实际应用要求，采用分模块的设计思路来设计实现整个抓取任务，首先设计了整体的实现方案，之后详细阐述了设计的三个模块：识别与定位模块，机械臂建模与运动模块、机械手爪抓取模块。最后通过实验论证了抓取的可行性。整个系统主要由MOTOMAN机械臂、Kinect双目视觉摄像头和控制电路组成。操作者通过上位机看到虚拟机械臂运动并映射真实机械臂的运动，完成抓取任务。本文的主要工作包括小球的识别与定位，机器人的动力学分析与建模，机器人及工作环境的三维可视化虚拟建模，虚拟机器人的运动规划与仿真预演，机械手爪的抓取控制等。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题背景与意义 1
1.2相关国内外研究现状 1
1.2.1国外研究现状 1
1.2.2国内研究现状 3
1.3论文章节安排 4
第二章 小球的识别与定位 6
2.1 Kinect双目视觉摄像机 6
2.2 所用软件简介 7
2.3 小球识别与定位方法 7
第三章 虚拟场景的建立 11
3.1MOTOMAN机器人的几何模型构造 11
3.1.1建模软件的选取 11
3.1.2机器人模型的建立 13
3.2虚拟场景的建立 18
3.3 建模程序简介 19
第四章 机器人运动控制 22
4.1 MOTOMAN工业机械手 22
4.2虚拟机器人运动建模 23
4.3机器人运动分析 24
4.3.1
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
机器人正向运动学 24
4.3.2机器人逆向运动学 26
第五章 机器人抓取控制 28
5.1 硬件系统简述 28
5.2 机械手爪硬件设计 29
5.3 抓取软件实现 31
第六章 总结与展望 33
6.1总结 33
6.2 未来展望 34
致 谢 35
参 考 文 献 37
第一章 绪论
1.1 课题背景与意义
随着现代科技的不断发展，机器人的应用以及越来越智能化，可以应用于越来越多的领域。随着科学技术的发展和生产需要的增长，基于机器视觉的工业机器人的研究越来越得到广泛的关注，工业机器人也已经成为了一种高新技术产业，为工业自动化发挥了巨大作用，这些关注也已经带动出现一大批科技成果，而且已经在实际生产中广泛地应用于抓取、码垛、焊接、切割、装配等工业制造领域[1]，其中抓取作业控制是机器人完成大部分接触性操作的基础。抓取作业最初由生产需求发展而来，从人工流水线到机器人自动化的发展，一直是解放生产力的研究课题。目前利用双目视觉实现抓取对象及其环境的识别与定位是工业机器人控制的主要方式。机器人通过机器视觉技术可以提升对环境的感知与应变能力，无人操作时的工作与生产效率也大大提高了。
同时人类一直致力于对太空的探索发现，可是恶劣的环境却使人无法在太空中自由工作，同理很多环境恶劣的地方都需要遥操作机器人来完成人类不方便完成的工作，遥操作机器人可以大大减少工作的危险和成本[2]，本课题通过构建虚拟场景及虚拟机器人来进行运动规划和仿真预演[3][4]，做到虚拟与现实一致，可以实现简单遥操作要求，本设计可以使操纵者更直观地看出机器人的运动和执行抓取过程，整个系统更加完善。
1.2相关国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
双目立体视觉有着广阔的应用前景，目前主要应用于机器人导航，微操作系统的参数检测，虚拟现实和三维测量这几个领域。在这些领域中，国外已有较为成熟的研究成果，例如日本研制了一种自适应双目视觉伺服系统，实时计算目标图像的雅可比矩阵，从而预测出目标下一步移动方向，实现了对动方式未知的目标自适应跟踪。奈良科技大学提出了一种基于双目立体视觉的增强现实系统，基本难以区分现实和虚拟场景，除此之外日本的其他研究机构也实现了一种通过集成实时双目立体视觉机器人和机器人的姿态信息从而开发出动态行长导航的系统。美国麻省理工大学也提出一种用于智能交通工具的传感器融合方式，为了使交通工具在提高速度的同时更加安全化，即使是在实时运动的高速环境中也能做到令人满意的图像分割效果。美国闻名世界的探测者号火箭卫星也配备了立体视觉系统，实现了再高空对地面的地形分析和导航功能。
此外从90年代开始，美国，日本以及欧洲各国就已经开始关注空间遥操作技术了。日本的ETS7项目开发了人类历史上首台自由飞行式机器人卫星(如图1.1所示)，是第一个使用机器人手臂的卫星，它带有俩个六自由度遥操作机械臂，通过地面控制站对它进行远程操作控制[5]。这些研究展示了遥操作技术在空间探索方面的巨大应用前景。同时虚拟现实技术的应用使得人机交互更加方便，它能够提供更丰富形象的反馈信息，提高工作效率与工作精度，在1990年Bejczy就提出了“幻影机器人”的思想，主要采用远端机器人图像重现，1992年Kototu在虚拟环境中加入了力反馈，并进行了有时延的遥操作实验[6]。德国宇航中心的DLR研制的太空机器人使用预测显示和遥编程等操作模式并且十分成功，这也为遥操作在时延较大的情况下作了基础性的论证[7]。
图1.1日本ETS VII卫星搭载遥操作机器人
本文用到的视觉预测显示在1965年，由Sutherland在名为《终端显示》的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想。1984年，NASA开始了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器(VIVED)项目的研究，将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。随后NASA针对空间遥操作机器人作业研制了虚拟交互环境工作站，通过人与虚拟机器人及工作环境的交互，提供实时的视觉反馈。实验证明，该方法可以极大地提高系统的操作性能。2001年，DLR利用基于人机界面的虚拟环境技术首次进行了空间机器人ERA自由飞行实验[8]。
遥操作机器人在发展中遇到的主要问题是从控制端到从端的时延长度问题和操作人员对从端环境的感知和信息获取准确度的问题，这严重影响到整个系统的实用性和工作效率，而建立了虚拟环境就能使操作通过虚拟环境仿真得到的信息而产生身临其境的感觉并得到准确有效的信息。这样操作者就可以更加高效更加准确地去完成任务，这样就引入了力觉预测显示问题，这是仅仅通过视觉感知不到的信息也就无法通过视觉预测来解决，用力觉预测可以在视觉的基础上使系统更加完善，更加具有实用性。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题背景与意义 1
1.2相关国内外研究现状 1
1.2.1国外研究现状 1
1.2.2国内研究现状 3
1.3论文章节安排 4
第二章 小球的识别与定位 6
2.1 Kinect双目视觉摄像机 6
2.2 所用软件简介 7
2.3 小球识别与定位方法 7
第三章 虚拟场景的建立 11
3.1MOTOMAN机器人的几何模型构造 11
3.1.1建模软件的选取 11
3.1.2机器人模型的建立 13
3.2虚拟场景的建立 18
3.3 建模程序简介 19
第四章 机器人运动控制 22
4.1 MOTOMAN工业机械手 22
4.2虚拟机器人运动建模 23
4.3机器人运动分析 24
4.3.1
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
机器人正向运动学 24
4.3.2机器人逆向运动学 26
第五章 机器人抓取控制 28
5.1 硬件系统简述 28
5.2 机械手爪硬件设计 29
5.3 抓取软件实现 31
第六章 总结与展望 33
6.1总结 33
6.2 未来展望 34
致 谢 35
参 考 文 献 37
第一章 绪论
1.1 课题背景与意义
随着现代科技的不断发展，机器人的应用以及越来越智能化，可以应用于越来越多的领域。随着科学技术的发展和生产需要的增长，基于机器视觉的工业机器人的研究越来越得到广泛的关注，工业机器人也已经成为了一种高新技术产业，为工业自动化发挥了巨大作用，这些关注也已经带动出现一大批科技成果，而且已经在实际生产中广泛地应用于抓取、码垛、焊接、切割、装配等工业制造领域[1]，其中抓取作业控制是机器人完成大部分接触性操作的基础。抓取作业最初由生产需求发展而来，从人工流水线到机器人自动化的发展，一直是解放生产力的研究课题。目前利用双目视觉实现抓取对象及其环境的识别与定位是工业机器人控制的主要方式。机器人通过机器视觉技术可以提升对环境的感知与应变能力，无人操作时的工作与生产效率也大大提高了。
同时人类一直致力于对太空的探索发现，可是恶劣的环境却使人无法在太空中自由工作，同理很多环境恶劣的地方都需要遥操作机器人来完成人类不方便完成的工作，遥操作机器人可以大大减少工作的危险和成本[2]，本课题通过构建虚拟场景及虚拟机器人来进行运动规划和仿真预演[3][4]，做到虚拟与现实一致，可以实现简单遥操作要求，本设计可以使操纵者更直观地看出机器人的运动和执行抓取过程，整个系统更加完善。
1.2相关国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
双目立体视觉有着广阔的应用前景，目前主要应用于机器人导航，微操作系统的参数检测，虚拟现实和三维测量这几个领域。在这些领域中，国外已有较为成熟的研究成果，例如日本研制了一种自适应双目视觉伺服系统，实时计算目标图像的雅可比矩阵，从而预测出目标下一步移动方向，实现了对动方式未知的目标自适应跟踪。奈良科技大学提出了一种基于双目立体视觉的增强现实系统，基本难以区分现实和虚拟场景，除此之外日本的其他研究机构也实现了一种通过集成实时双目立体视觉机器人和机器人的姿态信息从而开发出动态行长导航的系统。美国麻省理工大学也提出一种用于智能交通工具的传感器融合方式，为了使交通工具在提高速度的同时更加安全化，即使是在实时运动的高速环境中也能做到令人满意的图像分割效果。美国闻名世界的探测者号火箭卫星也配备了立体视觉系统，实现了再高空对地面的地形分析和导航功能。
此外从90年代开始，美国，日本以及欧洲各国就已经开始关注空间遥操作技术了。日本的ETS7项目开发了人类历史上首台自由飞行式机器人卫星(如图1.1所示)，是第一个使用机器人手臂的卫星，它带有俩个六自由度遥操作机械臂，通过地面控制站对它进行远程操作控制[5]。这些研究展示了遥操作技术在空间探索方面的巨大应用前景。同时虚拟现实技术的应用使得人机交互更加方便，它能够提供更丰富形象的反馈信息，提高工作效率与工作精度，在1990年Bejczy就提出了“幻影机器人”的思想，主要采用远端机器人图像重现，1992年Kototu在虚拟环境中加入了力反馈，并进行了有时延的遥操作实验[6]。德国宇航中心的DLR研制的太空机器人使用预测显示和遥编程等操作模式并且十分成功，这也为遥操作在时延较大的情况下作了基础性的论证[7]。
图1.1日本ETS VII卫星搭载遥操作机器人
本文用到的视觉预测显示在1965年，由Sutherland在名为《终端显示》的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想。1984年，NASA开始了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器(VIVED)项目的研究，将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。随后NASA针对空间遥操作机器人作业研制了虚拟交互环境工作站，通过人与虚拟机器人及工作环境的交互，提供实时的视觉反馈。实验证明，该方法可以极大地提高系统的操作性能。2001年，DLR利用基于人机界面的虚拟环境技术首次进行了空间机器人ERA自由飞行实验[8]。
遥操作机器人在发展中遇到的主要问题是从控制端到从端的时延长度问题和操作人员对从端环境的感知和信息获取准确度的问题，这严重影响到整个系统的实用性和工作效率，而建立了虚拟环境就能使操作通过虚拟环境仿真得到的信息而产生身临其境的感觉并得到准确有效的信息。这样操作者就可以更加高效更加准确地去完成任务，这样就引入了力觉预测显示问题，这是仅仅通过视觉感知不到的信息也就无法通过视觉预测来解决，用力觉预测可以在视觉的基础上使系统更加完善，更加具有实用性。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/3051.html
