陪护机器人基于视觉的物品识别与抓取方法研究

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，研究基于视觉的目标识别、伺服控制的算法及其实现方案，最终完成对目标的抓取。
　　 本论文的任务是在助老助残陪护型机器人抓取物品的过程中，首先将摄像机所获取的视觉信息转换成数字图像信息，然后从复杂的家庭环境中识别出物品和机器人执行手臂。本文分别设计了两种不同类型的标签用于识别不同的物品和机器人自身的手臂。通过对标签的颜色、结构、大小等特征识别出相关标签，同时从相关标签中提取出有用的图像特征信息：目标物的重心点、目标物的状态和机器人手臂标签的中心轴；针对实用型陪护机器人本身的特点，本文将整个抓取过程分解成不同的阶段。本文根据本项目的实际情况，结合无标定的视觉伺服算法，通过递推最小二乘法直接完成图像雅可比伪逆矩阵的在线估计，进而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，通过不断地调整图像雅克比伪逆矩阵各个元素的值，引导机器人在空间内跟踪上目标物，最终完成移动机器人对目标在空间上的抓取。
　　 本论文对多种干扰因素对识别结果的影响进行了试验与分析，实现了在复杂环境下对标签的识别。最后，在HHR-0303机器人实验系统上实现了整个抓取过程，基本能够实现快速稳定的抓取，从而实现了论文的目标。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

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图像特征选择

1.2.3视觉控制器的现有设计方法

1.2.4视觉伺服系统简介

1.2.5两种视觉伺服系统缺点比较

1.3机器人视觉伺服研究趋势

1.4本论文的研究目标与及目章节安排

1.5文章小结

第二章复杂环境下的标签设计

2.1引言

2.2识别方法选取

2.3标签设计

2.3.1目标标签设计

2.3.2机械手臂标签设计

2.3.3图像特征的选取

2.3.4图像特征的误差分析

2.4本章小结

第三章标签识别以及相关图像处理方法

3.1引言

3.2标签的识别方案

3.3本系统的数字图像处理方法

3.3.1图像预处理

3.3.2颜色模型转换

3.3.3连通分量扩展

3.3.4标签结构识别

3.4实验环境与识别结果

3.4.1实验目的与内容

3.4.2目标标签的实验环境与识别结果

3.4.3手臂标签的实验环境与识别结果

3.5输出图像的大小影响

3.6本章小结

第四章陪护机器人视觉伺服抓取策略

4.1 HHR-0303机器人简介

4.2视觉抓取伺服方案

4.2.1分步抓取策略

4.2.2机器人抓取过程的两个部分

4.2.3机器人抓取过程步骤详述

4.3本章小结

第五章无标定的视觉伺服方法

5.1问题的提出

5.2传统的无标定方法

5.3图像特征值

5.4雅克比伪逆矩阵

5.4.1无标定视觉伺服的基本原理

5.4.2跟踪固定目标的图像雅可比矩阵伪逆估计

5.4.3无标定视觉伺服离散系统的稳定性

5.4.4雅可比伪逆矩阵初值的估计

5.5雅克比矩阵伪逆方法在HHR-0303机器人上的应用

5.6本章小结

第六章HHR-0303机器人视觉抓取实验

6.1实验目的

6.2实验平台的建立

6.1.1 CMOS摄像头

6.1.2机器人底盘移动机构

6.1.3机器人主控制系统

6.1.3机器人机械手臂

6.3实验程序开发

6.3.1程序初始化

6.3.2程序流程以及模块结构

6.4实验内容与和结果分析

6.5本章小结

第七章总结和展望

作者在学期间发表的论文清单

致谢

参考文献