基于视觉的船舶分段划线机械臂控制技术研究

摘要

随着工业4.0时代的到来，智能制造在各行各业的作用越来越重要。机器人作为智能制造的重要工具之一，越来越受到各领域的青睐。船舶工业作为国家重要支柱，采用自动化、智能化造船技术将会大获收益。机械臂作为机器人的一种，具有优良的工作特性，尤其在造船业复杂、危险的工作环境下具有明显的作业优势。船体分段余量划线和切割是船舶分段建造的重要工序，人工进行操作时存在劳动强度高、操作难度大、精度难控制等诸多问题，因此控制机械臂自动进行船体分段余量划线和切割任务意义十分重大。机器视觉作为机器人获取丰富信息并进行反馈和决策判断的重要方式近年来发展迅猛，并取得了重大突破，已经进入了高速发展的时期。所以研究基于视觉的机械臂控制技术既是实践需要也是行业趋势。本文将以船舶分段划线机械臂为研究对象、以机器视觉为反馈机制展开基于视觉的船舶分段划线机械臂控制技术的研究和设计工作。 首先，本文以实验室船舶分段划线机械臂为研究对象，论述分析了基于视觉的船舶分段划线机械臂控制系统组成，确定了系统硬件总体方案，对系统核心部分图像采集和图像处理设备进行了阐述和说明，并针对机械臂运动控制系统进行了探究。 然后，说明了通用机械臂位姿描述方法，并利用D-H方法建立了机械臂运动学模型，确立了相邻关节单元的位姿变换矩阵，并对机械臂正运动和逆运动进行了求解分析。针对船舶分段划线机械臂结构和工作的特殊性，提出了船舶分段划线机械臂正逆运动具体求解方法。 其次，探究了双目立体视觉系统和三维重构基本原理，并对摄像机标定方法进行了研究，深度探究了张氏平面模板法，进一步利用张氏平面模板法对实验室双目相机进行了标定，求得相机内参数和外参数。另外，对双目立体视觉中的匹配问题进行了分析，通过对匹配约束的研究，给出了双目立体视觉深度测量简化形式视差与深度的关系。本论文最后也采用了视差与深度的关系进行三维空间坐标求取。 最后，结合船舶分段划线机械臂工作特性和双目立体视觉系统，对基于视觉的船舶分段划线机械臂控制系统进行了系统流程设计和程序模块设计，为船舶分段划线机械臂智能划线提供了新思路、新方法。该技术的研究不仅可以应用到船体分段划线还可以应用到船体涂装、切割等其他方面，为智能化造船提供参考。

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