搬运装配机器人视觉引导智能作业系统与应用软件开发

摘要

随着技术的发展与成熟，机器视觉成为机器人智能感知的最重要能力之一，将机器视觉应用于工业机器人领域，对于提高机器人在工业生产过程中的智能化水平和环境适应性具有重要的意义。针对典型工件的搬运装配工艺需求，系统地研究了基于视觉引导的搬运与装配机器人智能作业系统技术、应用系统设计与软件开发。
　　本文首先阐述了搬运与装配机器人的发展现状及智能化机器人的特点与发展方向，综述了基于视觉引导的机器人技术在国内外的研究发展现状。在详细分析了重型支重轮在安装过程中的搬运与装配需求的基础上，给出了针对不同开放与扩展程度的机器人控制器的系统架构设计方案，根据视觉系统在不同应用场合的工作原理给出了基于单目视觉“眼在手上”与“眼在手外”组合式的视觉引导系统设计。针对直接影响到机器人对工件的定位效果的视觉系统的标定，论述了相机的成像模型、内外参数模型和手眼标定原理，详细给出了相机标定和两种手眼标定方法的视觉系统标定过程。针对工件快速准确识别定位、抓取放置的实现，详细论述了基于边缘轮廓特征、装配圆孔拟合和SIFT局部特征的工件识别定位方法，并通过坐标变换将在图像坐标系下描述的工件定位结果转换到世界坐标系下的描述。
　　接下来结合视觉引导配合搬运与装配作业的过程控制需求和工件抓取策略，设计了视觉引导的装配作业流程，并给出了工件抓取位姿以及抓取路径的规划设计;在总结了工件抓取过程中误差来源的基础上，提出了基于抓取偏差补偿的自动寻孔对准装配策略。然后在详细论述了相机采集、视觉标定、通信调试和引导作业等模块的功能设计与实现的基础上，完成了基于OpenCV图像处理算法库和Qt图形用户界面组件完成视觉作业控制软件的自主开发。最后以KUKA KR16工业机器人为平台搭建了基于上述方案的搬运与装配机器人视觉引导系统测试验证平台，给出了视觉引导系统的性能测试与分析，验证了视觉引导智能作业系统设计的有效性。