基于双目立体视觉的机械臂伺服定位系统研究

摘要

服务型机器人不仅需要在非结构化环境中运动，更为重要的是需要具有操作能力，就好比人类做任何事情都离不开灵巧的手臂。服务型机器人的操作能力主要通过其安装的机械臂来体现。当被操作目标在机器人坐标系中的确切位置不可能预知时，仅仅依靠运动学和运动规划的方法不可能实现机械臂对目标的操作。立体视觉是服务型机器人获取环境信息最主要的传感系统，因此，对基于双目立体视觉的机械臂伺服定位系统进行研究成为完成机器人操作任务的必要选择，具有现实意义和理论意义。
　　 本文在构建灵活度较高的六自由度虚拟机械臂和立体视觉系统的基础之上，研究了固定于工作空间之中的摄像机引导机械臂跟踪目标小球的定位视觉伺服系统（ECL系统）。论文完成的主要工作包括：
　　 （1）根据服务型机器人实验平台的需求，确定了机械臂的自由度及各关节和杆件间的结构。在SolidWorks环境下构建了一个六自由度开链式机械臂的三维仿真模型，并建立了该机械臂的运动学模型。借助ADAMS虚拟样机软件进行仿真，以验证该机械臂机械结构的合理性。
　　 （2）研究了基于双目立体视觉的小球位姿检测方法。采用双目立体摄像机对处于复杂静止背景下的运动小球进行检测、跟踪以及特征提取。利用双目视差原理获取特征点的深度信息，最终较准确地得到了小球的圆心三维坐标和旋转姿态。
　　 （3）在Eye-to-hand视觉伺服系统结构下，研究了以双目立体摄像机测得的运动目标位姿作为给定信息的位置给定型视觉伺服系统控制方法。利用ADAMS与Matlab进行联合仿真实验，实现了用实际双目立体摄像机控制虚拟机械臂跟踪运动目标小球的实验。
　　 （4）研究了模型预测控制（MVC）方法，并将该方法进行改进应用于机械臂关节的伺服控制。实现了关节空间内的轨迹跟踪控制，仿真试验结果显示该算法具有抑制干扰和受系统中不确定因素影响较小的特性。
　　 本论文的研究工作得到国家自然科学基金（N0.60774077）、国家863计划（N0.2007AA042226）、北京市教育委员会科技计划面上项目（N0.KM200810005016）和北京市教委科技创新平台项目（N0.0020005466018）的资助。论文的研究工作对于提高机械臂的工作效率以及拓展服务型机器人的应用范围具有参考价值。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 服务型机器人研究现状

1.2.1 服务型机器人系统介绍

1.2.2 运动目标的检测和特征提取方法

1.2.3 视觉测量技术的发展

1.2.4 机器人系统控制方法

1.3 视觉伺服系统的类型与结构分类

1.3.1 基于位置的视觉伺服系统

1.3.2 基于图像的视觉伺服系统

1.3.3 混合视觉伺服系统

1.4 基于视觉的机械臂伺服系统发展趋势

1.5 论文的课题来源及主要研究内容

1.5.1 论文的课题来源

1.5.2 论文的主要研究内容

第2章 机械臂的造型与运动学模型的建立

2.1 机械臂的自由度及关节和杆件间的结构

2.1.1 机械臂的结构设计方法概述

2.1.2 构建机械臂三维模型

2.2 各关节驱动电机选型

2.3 刚体的位置与姿态描述

2.3.1 位置描述

2.4.2 方位描述

2.4.3 位姿描述和齐次变换

2.4 六自由度机械臂运动学分析

2.4.1 运动学概述

2.4.2 建立各杆件局部坐标系

2.4.3 齐次变换法求解正运动学方程

2.4.4 逆运动学的推导

2.4.5 雅克比矩阵的计算

2.4.6 验证逆运动学推导

2.5 本章小结

第3章 双目立体视觉下目标小球的检测

3.1 双目立体摄像机标定

3.1.1 摄像机成像模型

3.1.2 摄像机标定常用坐标系及其变换

3.1.3 双目立体摄像机的标定

3.2 双目立体视觉的视差原理

3.3 目标的特征提取

3.3.1 颜色空间及其相互间的转换

3.3.2 彩色分割

3.3.3 目标区域确定

3.3.4 Hough变换

3.4 目标的位姿计算

3.4.1 目标的位置

3.4.2 目标的姿态

3.5 本章小结

第4章 基于双目视差的机械臂定位系统研究

4.1 系统组成与各部分之间变换关系

4.2 基于位置的视觉伺服控制

4.3 ADAMS环境下机械臂运动学仿真

4.3.1 计算机辅助工程（CAE）ADAMS虚拟样机介绍

4.3.2 六自由度机械臂运动学仿真

4.4 机械臂定位控制ADAMS/MATLAB交互式仿真实现

4.4.1 仿真设置

4.4.2 ADAMS与Matlab的链接

4.4.3 实验结果分析

4.5 本章小结

第5章 基于MPC方法的关节伺服控制算法研究

5.1 预测控制的基本原理

5.2 预测控制算法介绍

5.2.1 预测模型

5.2.2 反馈校正

5.2.3 滚动优化

5.3 机械臂关节伺服控制

5.3.1 机械臂的动力学模型

5.3.2 关节伺服控制器的设计

5.4 仿真实验及结果分析

5.5 本章小结

结 论

附 录

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致 谢