电子生产线上料机器人视觉抓取方法研究

摘要

机器人以其高效率、高精度等优点被广泛的用于工业生产的各个环节。在电子自动化生产线上，由于物料本身外形等因素以及物料的无序摆放等问题，实现机器人自动上料难度较大，人工上料是现在主要的方式。上料机器人是一条智能生产线上不可或缺的机器人，它对稳定生产节拍、提高生产效率具有重要作用，因此实现自动上料机器人十分必要。本文以智能电子生产线上手机摄像头和闪光灯的自动装配为背景，将手机外壳作为上料机器人自动抓取的对象，重点研究了手机外壳的视觉定位方法和位姿估计方法，本文主要研究内容与成果如下：　　在研究了目前机器人抓取的发展现状与基本框架的情况下，结合本文研究的手机外壳自动上料机器人的特点，设计了一套可行的上料方案。论述了上料机器人的主要构成，研究了机器人手眼系统中相机标定方法和手眼标定方法，并进行了相关实验，从而准确的获取了手眼系统的参数，这对后续的研究至关重要。　　针对手机外壳的视觉定位，由于基于矩形检测的方法对有圆弧倒角的手机外壳表现较差，以及目前通用目标检测方法在本文所述情况下的不适用性，提出了一种基于图像几何不变矩的手机外壳检测与定位方法，其对检测出的目标进行计算其最小面积外接矩形，从而定位手机外壳中心和顶点，实验表明这种方法可以达到98.7%的召回率、定位误差在0.5个像素以内。　　针对手机外壳的位姿估计，研究并实现了一种基于单目视觉的位姿估计方法。该方法利用视觉定位得到的特征点和其在物体坐标系下的对应关系，构建一个PNP问题，重点研究了利用手机外壳摄像头安装孔圆心构建参考向量，从而得到特征点像素坐标与三维空间坐标的对应关系，这种方法不需要物体的三维模型且只需要单目就能完成目标的位姿估计。　　本文设计的电子生产线手机外壳机器人自动上料方案，具有较高的目标定位精度，以及实用的位姿估计方法，对上料机器人的应用具有较高的价值。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 机器人在智能制造中的应用

1.1.2 上料机器人与智能电子生产线

1.1.3机器视觉技术在上料机器人中的应用

1.2 国内外研究现状

1.3主要研究内容与组织结构

第 2 章 电子生产线上料机器人系统构建

2.1 基于视觉的上料机器人工作流程

2.2 上料机器人系统设计

2.2.1 上料机器人总体设计

2.2.2 手眼系统设计

2.3 手眼系统的标定

2.3.1 刚体的位姿描述方法

2.3.2 相机标定

2.3.3 手眼标定

2.4 本章小结

第 3 章 基于视觉的手机外壳定位算法研究

3.1 抓取对象特征分析

3.2 基于矩形检测的手机外壳定位算法

3.3 基于图像几何不变矩的手机外壳定位算法

3.3.1 基于图像几何不变矩的手机外壳定位算法流程

3.3.2 图像预处理

3.3.3 手机外壳检测

3.3.4 矩形拟合与手机外壳中心定位

3.4 基于图像几何不变矩的手机外壳定位算法实现

3.5 本章小结

第 4 章 基于视觉的手机外壳位姿估计算法研究

4.1 位姿估计方法分析

4.2 上料机器人视觉抓取中的目标位姿估计问题分析

4.3 基于单目视觉的手机外壳位姿估计方法

4.3.1特征点二维坐标与三维坐标对应关系的确定

4.3.2 手机外壳摄像头安装孔定位

4.3.3 位姿矩阵的求解

4.4 目标位姿估计结果评估方法

4.5 基于单目视觉的手机外壳位姿估计算法实现

4.6 本章小结

第 5 章 基于视觉的上料机器人系统集成与实验

5.1 上料机器人系统集成

5.1.1 硬件系统集成

5.1.2 软件系统集成

5.2 相机标定实验

5.3 手眼标定实验

5.4手机外壳定位实验

5.5 手机外壳位姿估计实验

5.6 手机外壳抓取实验

5.7 本章小结

总结与展望

参考文献

致 谢

附录A攻读学位期间所发表论文和专利

附录 B 攻读学位期间所参加的科研项目目录

附录 C 手机外壳定位算法与位姿估计算法的实现