基于视觉的制孔机器人定位基准位姿测量研究

摘要

随着工业机器人的发展，以其为操作主体的自动化制孔系统逐渐成为自动化制孔技术的重要发展方向之一。机器人制孔系统能通过配置不同加工终端适应加工对象的更换，成本低、灵活性高，在国外航空航天制造业已得到了广泛的应用。但国内的机器人制孔系统的自主研发才刚刚起步，目前仍大范围地依赖国外先进的自动钻铆机来实现航空航天制造业的自动化制孔。 为了应对航空航天零部件大尺寸、长跨度的结构特点，采用移动机器人工作站是目前实现航空航天产品中大尺寸部件自动化制孔的重要发展趋势。然而此过程中频繁的基准变换引入的累积误差和机器人本身的动静误差会降低孔的加工质量，因此需引入辅助测量定位单元，实现对机器人和待加工区域定位基准的在机测量和调控，是实现大尺寸结构件现场高效精密制孔关键技术。本文以视觉测量单元作为制孔机器人的辅助定位设备，研究其局部工作范围内的定位基准位姿测量方法： 首先，提出了一个基于圆锥投影变换的位姿测量算法，该算法仅利用单幅图像即可实现基准孔空间位姿的测量，它将圆成像过程中不规则的斜椭圆锥几何转换成直椭圆锥几何，并利用直椭圆锥中几个极限位置的几何关系恢复了圆的部分深度信息，最后结合圆的图像点坐标求得基准孔的空间位姿。针对二义性和奇异位姿缺陷，进一步提出基于双目视觉的改进算法，利用两个摄像机测量结果的交集排除二义解，并综合双目位置信息降低奇异位姿的测量误差，有效提高算法的鲁棒性。 然后，搭建了一个机器人制孔系统，该系统以TriMule混联机器人为操作主体，双目视觉系统安装机器人末端动平台，可在机测量工件上的基准孔相对于末端坐标系的位姿，以实现机器人末端坐标系与工件坐标系的对准。实验结果表明，所述双目视觉辅助定位系统具有较好的测量精度，且对稍远距离和低像素摄像机具有较好的精度保持性，适用于航空航天零部件的自动化制孔。

目录

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字母注释表

第1章绪论

1.1.2国内自动化制孔技术的研究现状

1.2 机器人辅助定位技术的研究现状

1.2.1激光跟踪仪定位技术

1.2.2 室内GPS定位技术

1.2.3 视觉测量定位技术

1.3 视觉测量技术的研究现状

1.4论文选题意义及主要研究内容

1.4.1选题意义

1.4.2 主要研究内容和章节安排

第2章制孔机器人的视觉系统标定

2.1 前言

2.2 空间姿态的描述及坐标系统的变换

2.2.1空间姿态描述

2.2.2 坐标系统变换

2.3 摄像机的成像模型及摄像机标定

2.3.1摄像机的线性成像模型

2.3.2 畸变模型

2.3.3 张正友平面模板标定法

2.4 手眼标定

2.5 本章小节

第3章基于圆锥投影的视觉定位方法

3.1 前言

3.2 基于圆锥投影的单目视觉定位算法

3.2.1 直椭圆锥中心线的求取

3.2.2 直椭圆锥底面椭圆的求取

3.2.3 椭圆拟合

3.2.4 圆标记空间位姿求解

3.3 定位算法精度仿真

3.4 基于双目视觉的二义性排除和精度优化

3.5 本章小节

第4章制孔机器人系统

4.1 前言

4.2 机器人制孔系统相关设备

4.2.1 TriMule混联机器人

4.2.2 双目视觉系统

4.3 实验与分析

4.3.1 标定实验

4.3.2 基准圆图像处理方法

4.3.3 精度验证实验

4.3.4 位姿精度分析

4.4 本章小节

第5章总结与展望

5.1 全文总结

5.2 未来研究展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢