基于视觉引导的电容装盘机器人轨迹规划研究

摘要

电容器是现代化工业生产中必不可少的电子元件，其中的铝电解电容产量占比达到50%。铝电解电容采用自动化的生产模式，但由于引线易弯折以及出现其它新增缺陷，后期装盘、装箱一般采用人工作业方式。针对人工装盘、装箱自动化程度低、生产效率差以及作业质量不一等问题，本文提出了一种自动化的电解电容装盘、装箱生产线解决方案，其中电解电容装盘耗时最长且为后续工序的基础。为此，本文进行了基于机器视觉引导的电容装盘机器人轨迹规划的研究，实现了散乱电容的识别以及快速、准确地装盘过程。 首先，利用张正友标定法完成摄像机的标定，得到了其内部参数，在此基础上对需要识别的电容图进行图像预处理，包括：灰度图转换、中值滤波、最大类间方差法图像分割；Canny算子检测得到电容边缘。运用一阶、二阶矩理论将电容最小外接矩形与电容本体旋转至水平后比较两者列像素的坐标值，得到了待吸取装盘电容本体中心点坐标和所需旋转的角度值信息，并在Halcon中仿真实现其特征识别过程。 其次，运用D-H参数法建立了四自由度电容装盘SCARA型机器人模型，并对其进行了正、逆运动学分析，在MATLAB中利用Robotics Toolbox验证了机器人连杆模型运动学仿真结果的正确性。研究了电容装盘机器人关节空间的轨迹规划问题，得到了三次、五次多项式轨迹规划曲线并在MATLAB中仿真，但由于在规划的曲线上改变一点就会对整个轨迹造成影响，这对于机器人的控制是不利的，故进一步利用带有局部可控性的非均匀五次B样条曲线实现其轨迹的构造。 最后，研究带惩罚函数的遗传算法，结合非均匀五次B样条曲线实现时间最优的电容装盘机器人的轨迹规划，将带惩罚因子的函数结合组成新的适应度函数，在满足相应的速度、加速度以及加加速度约束条件下，利用MATLAB仿真得到电容装盘的最优时间为1.325s/个，且运动平滑无冲击，与人工电容装盘2s/个的速度相比，每盘电容的装盘时间大大减少，有效提高了其作业效率以及作业精度。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究目的及意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 机器视觉研究现状

1.3.2 SCARA型机器人研究现状

1.3.3 轨迹规划研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 电解电容装盘方案设计

2.1 电解电容装盘、装箱要求

2.2 电解电容装盘、装箱过程

2.3 电解电容装盘系统的设计

2.4 本章小结

第3章 视觉系统相机标定及图像处理

3.1 摄像机标定

3.1.1 参考坐标系及其转化关系

3.1.2 线性摄像机模型

3.1.3 摄像机标定及其结果

3.2 电解电容图像的处理及特征提取

3.2.1 电解电容图像的预处理

3.2.2 电解电容图像的边缘检测

3.2.3 电解电容图像的特征提取

3.3 本章小结

第4章 电解电容装盘机器人运动学分析

4.1 电解电容装盘机器人坐标系的描述

4.1.1 机器人位姿描述

4.1.2 齐次坐标变换

4.2 电解电容装盘机器人运动学模型

4.2.1 D-H参数法

4.2.2 电解电容装盘机器人D-H坐标系的建立

4.3 电解电容装盘机器人正运动学分析

4.4 电解电容装盘机器人逆运动学分析

4.5 MATLAB中机器人模型的建立及运动学仿真

4.5.1 电解电容装盘机器人模型的建立

4.5.2 MATLAB中电解电容装盘机器人运动学仿真

4.6 本章小结

第5章 电解电容装盘机器人轨迹规划

5.1 关节空间轨迹规划

5.2 多项式插值曲线构造及其仿真

5.2.1 三次多项式插值轨迹规划及仿真

5.2.2 五次多项式插值轨迹规划及仿真

5.3 B样条曲线的构造

5.3.1 B样条函数

5.3.2 非均匀五次B样条曲线的构造

5.4 本章小结

第6章基于改进遗传算法的轨迹优化及仿真分析

6.1 遗传算法基础

6.1.1 带惩罚函数遗传算法的主要内容

6.1.2 带惩罚函数遗传算法的实现过程

6.2 时间最优的非均匀五次B样条轨迹规划

6.2.1 时间最优轨迹规划模型

6.2.2 约束条件

6.3 带惩罚函数遗传算法的轨迹规划仿真及分析

6.3.1 带惩罚函数的遗传算法参数的设置

6.3.2 带惩罚函数的遗传算法运行结果及仿真分析

6.4 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 工作展望

参考文献

致谢