Delta高速并联机器人视觉控制技术及视觉标定技术研究

摘要

本文密切结合电子、轻工、食品和医药等领域自动化生产线高速轻载搬运作业需求,研究基于视觉的机器人控制技术、现场快速标定技术,以及机器人-视觉系统与生产线传送带的标定技术,并以开发具备视觉引导功能的少自由度高速包装机器人为工程背景,将研究成果用于提高Delta机器人精度和抓取准确性。全文取得了如下创造性成果:
　　在机器人视觉控制技术方面,构建了基于位置的Dynamic Look-and-Move结构的视觉控制系统方案,为实现机器人对传送带上散乱物料的快速抓放操作提供了重要保障,并在摄像机标定、目标方向定位和多目标动态跟踪抓取三个方面形成特色:
　　(1)摄像机标定。提出一种基于局部线性法的摄像机标定方法,该方法采用通用标定靶,仅需采集一副图片即可确定摄像机的测量精度,进而简化了视觉系统标定过程。
　　(2)目标方向定位。提出一种目标边缘极坐标化和等角度离散的匹配方法,解决了目标绕z轴旋转角度定位问题,具有定位精度高、计算过程简单、实用性强的优点。
　　(3)动态目标跟踪抓取。提出“伺服电机+同步传送带”的动态目标跟踪方法,该方法借助伺服电机编码器实现多目标不重复识别和动态跟踪,并引入牛顿二分法计算动态目标抓取位置,进而实现机器人对动态目标的高频率实时抓取。
　　在机器人运动学标定方面,提出一种基于“单目视觉+激光位移传感器”的机器人现场快速标定方法,标定后机器人精度得到显著提高。该方法在机器人误差建模、误差测量和参数辨识方面形成特色:
　　(1)机器人误差建模。构造了可将影响末端可补偿与不可补偿位姿精度几何误差源有效分离的误差模型,并借助误差灵敏度分析得出边界误差最敏感的结论,在此基础上揭示出仅需检测机器人末端全空间x、y向误差及部分测点z向误差即可有效实现几何误差参数的辨识,为误差测量与参数辨识提供了理论依据。
　　(2)误差测量与参数辨识。提出了一种适用于现场的快速误差测量方法,该方法采用移动摄像机,固定标靶方式,利用基于共面 P4P的单目视觉定位原理测量机器人末端在x-y向的定位误差,并借助激光位移传感器测量z向误差,从而有效的辨识出几何误差参数,补偿后机器人定位精度由1 mm提高至0.1 mm数量级。
　　在机器人-视觉系统与传送带标定方面,提出一种基于单目视觉测量技术的标定方法。该方法通过构造距离度量特征实现视觉系统与传送带之间绕z轴的旋转角度标定,在此基础上借助简易标靶,利用共面 P4P的单目视觉测量技术实现机器人与传送带的标定。所提方法为提高机器人系统整体精度提供了重要保障。
　　本文研究成果对丰富和发展视觉机器人技术,推进并联机器人的工程应用具有重要的理论意义和工程实用价值。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究状况

1.3 本文主要研究内容

第二章 Delta机器人视觉控制系统总体结构设计

2.1 引言

2.2 Delta机器人视觉控制系统方案设计

2.3 视觉控制系统硬件平台

2.4 视觉控制系统

2.5 小结

第三章 Delta机器人视觉控制关键技术

3.1 引言

3.2 视觉系统标定

3.3 目标识别与定位

3.4 动态目标跟踪与抓取

3.5 基于Labview的视觉控制系统软件

3.6 结论

第四章 基于单目视觉的Delta机器人运动学快速标定

4.1 引言

4.2 共面P4P单目视觉测量方法

4.3 Delta并联机器人系统建模

4.4 基于单目视觉技术的误差测量与参数辨识

4.5 Delta机器人运动学标定试验

4.6 小结

第五章 机器人-视觉系统及生产线传送带位置标定

5.1 引言

5.2 机器人-视觉系统与生产线位置关系

5.3 基于视觉的标定方法

5.4 基于工程应用的整体标定流程规划与实验

5.5 结论

第六章 全文结论

6.1 总结

6.2 工作展望

参考文献

作者在攻读博士学位期间

致谢