基于视觉和触觉传感的抓取技术研究

摘要

抓取是机器人对环境中的物体进行操作的一种重要方式,它是一个涉及机器人运动学、视觉测量技术和传感器信号处理等多个学科的交叉课题,是机器人进行更复杂应用的重要前提,可以应用于工业生产线上进行零件装配,也可以应用于商业进行配餐和整理餐桌,甚至可以成为普通家庭的消费品,具有广阔的应用前景,同时也具备市场化的潜力。随着传感器技术的发展,基于视觉和触觉传感的抓取研究成为了一个热点。
　　本文首先搭建了一个抓取实验平台,使用KUKA机械臂和一个二指机械手作为机械本体,使用视觉传感器和触觉传感器作为重要传感单元。然后研究了使用SIFT特征算子检测目标和使用点相关位姿测量方法测量目标物体位姿的方法,在目标物体被遮挡时,使用安装在机械臂末端的单目摄像机和红外测距传感器辅助引导机械臂接近目标并进入预抓取位姿。
　　通过建立二指机械手抓取的力学模型,分析了手指变形与受力之间的关系,并使用有限元分析方法,对手指表面的橡胶垫片进行了超弹性体分析,得出了有利于触觉传感器测量的垫片结构。
　　本文基于ROS(Robot operating System)设计了一个模块化的控制系统,将系统划分为四大功能模块,模块以节点的形式存在并采用话题和消息的方式进行通信,实现不同语言之间的通信。最后设计了一个抓取实验,完成从关闭的柜门里取物的实验,测量得到的触觉传感器数据导入Matlab进行了处理分析,得出了更加适合用于抓取状态判断的信号特征。
　　本文对视觉和触觉传感应用于抓取的研究具有一定的理论价值,将ROS系统应用于机器人抓取,具有较高的实用价值。

目录

基于视觉和触觉传感的抓取技术研究

RESEARCH OF GRASP TECHNIQUE BASED ON VISUAL AND TACTILE SENSING

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题背景及研究的目的和意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 基于视觉的抓取技术研究现状

1.3.2 国内外触觉反馈技术研究现状

1.4 主要研究内容

第2章 模块化抓取平台的搭建

2.1 引言

2.2目标检测和位姿测量模块

2.2.1视觉硬件设备

2.2.2位姿测量方法

2.3 机械臂运动控制模块

2.3.1 六自由度机械臂运动学基础

2.3.2 机械臂位姿检测和控制方式

2.4 抓取状态检测模块

2.4.1 二指手爪的运动控制

2.4.1 传感器的信号采集

2.5 本章小结

第3章 抓取目标的检测与位姿测量

3.1 引言

3.2 目标检测的方法研究

3.2.1 基于SIFT特征的目标匹配原理

3.2.2 基于SIFT特征算子的程序设计

3.2.3 基于SIFT特征检测的实验设计

3.3 目标位姿测量方法研究

3.3.1 基于点相关的位姿测量

3.3.2 机械臂末端位姿计算

3.3.3 抓取目标的位姿检测实验

3.4 本章小结

第4章 二指手爪静力学建模与分析

4.1 引言

4.2 抓取接触模型建立

4.2.1 二指手爪弹性接触模型建立

4.2.2 二指手爪弹性接触问题求解

4.2.3 抓取家庭环境下物体的模型简化

4.3弹性手指与物体接触时的压力分析

4.3.1 采用平垫时的接触建模与分析

4.3.2 采用半球性垫的接触建模分析

4.4本章小结

第5章 控制系统设计与抓取实验

5.1 引言

5.2 控制系统软件设计

5.2.1 模块划分与协议制定

5.2.2 模块化控制系统实现

5.3 触觉信号处理与特征分析

5.3.1 薄膜式压力传感器标定

5.3.2 巴特沃斯高通滤波器设计

5.3.3 抓取过程中各阶段触觉信号特征

5.4 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢