陪护机器人基于视觉的物品抓取方法研究与系统软件开发

摘要

本论文以国家863高技术项目《助老/助残机器人关键技术研究》的子课题《实用型陪护机器人》为背景，针对助老助残陪护性机器人的视觉伺服抓取任务要求，研究机器人手臂的运动控制、目标识别方法的改进、基于视觉的物品快速抓取方法，并完成了陪护机器人系统软件与人机接口的设计开发。
　　 首先，研究了陪护机器人机械手臂的运动控制，实现了4自由度机械臂的正逆解计算，在此基础上通过插补计算完成机械臂的关节空间插补，笛卡尔空间直线/圆弧插补等运动控制。其次，对陪护型机器人抓取物品过程中的标签识别方法进行了改进，补偿了标签与杯子中心的误差，研究了阈值自适应分割算法，从而可以在更大的范围内能准确识别出目标的中心，并通过创建动态窗口的方法提高了图像处理的速度与成功率；针对实用型陪护机器人本身的特点，本文采用了“眼在手上”的视觉系统方案，结合无标定的视觉伺服算法，通过图像雅可比伪逆矩阵的在线估计计算出机器人关节角的变化量，反馈给助老助残陪护型机器人控制器，控制机器人相应关节运动，完成移动机器人对目标的抓取。最后完成陪护机器人系统人机接口与编程方式设计、系统集成与软件开发，实现物品的取放、传送等作业。
　　 本文的最后介绍了陪护机器人机械臂运动控制、标签识别及物品抓取的试验，试验表明系统能够准确地完成相应轨迹运动、实现快速稳定的目标抓取，从而实现了课题的研究目标。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 项目背景和研究意义

1.2 国内外机器人视觉伺服研究现状

1.2.1 机器人视觉伺服发展状况

1.2.2 视觉伺服关键问题的研究现状

1.2.3 视觉伺服系统的分类

1.3 机器入视觉伺服研究趋势

1.4 本论文的研究目标与章节安排

1.5 本章小结

第二章 机械臂的运动控制

2.1 引言

2.2 机械臂运动学分析

2.1.1“东2”机器人机械臂运动学正解

2.1.2“东2”机器人机械臂运动学逆解

2.1.3“东2”机器人机械臂可达空间

2.3 机械臂运动轨迹控制

2.3.1 实时轨迹插补算法

2.3.2 关节空间实时轨迹规划方法

2.3.3 笛卡儿空间实时轨迹规划方法

2.3.4 机械臂运动轨迹的实现

2.4 本章小结

第三章 目标识别方法的改进

3.1 引言

3.2 目标对准的偏差补偿

3.2.1 基于Canny算法的边缘检测

3.2.2 基于Hough变换的直线检测

3.2.3 修正标签的中心与目标中心的偏差

3.3 彩色阈值分割的阈值自适应分割算法

3.4 创建动态图像处理窗口

3.5 本章小结

第四章 陪护机器人视觉伺服方法与抓取策略

4.1“东2”机器人视觉伺服系统硬件简介

4.2 视觉抓取伺服策略

4.2.1 图像特征的选择

4.2.2 物品抓取策略

4.3 基于图像雅可比矩阵的伪逆的视觉伺服方法

4.4 本章小结

第五章 系统软件与人机接口设计

5.1 系统软件运行环境

5.1.1 机器人系统硬件结构

5.1.2 控制软件开发和运行环境

5.2 相关技术介绍

5.3 控制软件系统设计

5.3.1 控制软件总体分析

5.3.2 控制软件模块划分

5.3.3 控制软件体系结构

5.4 控制软件子模块的设计

5.4.1 人机接口模块

5.4.2 运动控制模块

5.4.3 视觉抓取模块

5.4.4 定位导航模块

5.4.5 通信接口模块

5.4.6 系统管理模块

5.5 本章小结

第六章“东2”机器人运动控制与视觉抓取实验

6.1 引言

6.2 机械臂运动控制实验

6.1.1 关节空间轨迹插补试验

6.1.2 笛卡尔空间直线轨迹插补试验

6.1.3 笛卡尔空间圆弧轨迹插补试验

6.3 物品抓取试验

6.3.1 无干扰情况下视觉抓取实验

6.3.2 有干扰情况下视觉抓取实验

6.4 本章小结

第七章 总结和展望

致谢

作者在学期间发表的论文清单

参考文献