（機(jī)械電子工程專業(yè)論文）氣動機(jī)械手視覺系統(tǒng)的研究.pdf

摘要機(jī)器視覺是智能機(jī)器人發(fā)展的一個重要方向，虛擬儀器是計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域里一個新興的、富有生命力的軟件平臺。本文基于虛擬儀器技術(shù)，在研究近年來機(jī)器人視覺技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r基礎(chǔ)上，開發(fā)了氣動機(jī)器人的視覺定位系統(tǒng)，研究了基于b p 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的攝像機(jī)標(biāo)定及畸變校正技術(shù)，針對圖像的平滑濾波、閾值分割、特征提取和視覺跟蹤軌跡插補(bǔ)等問題進(jìn)行了詳細(xì)的討論。在攝像機(jī)的標(biāo)定和調(diào)整上，通過對攝像機(jī)成像的物理模型的分析，利用b p神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對鏡頭進(jìn)行畸變校正，并根據(jù)機(jī)械手實(shí)驗(yàn)臺的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種簡單易行的網(wǎng)格平行線平面模板標(biāo)定方法，很好地實(shí)現(xiàn)了攝像機(jī)標(biāo)定：在圖像預(yù)處理方面，本文以實(shí)際零件圖像為例，利用分段線性變換方法進(jìn)行了對比度增強(qiáng)，分析了圖像檢測中c c d 攝像機(jī)的噪聲影響要素，利用差值濾波器對圖像進(jìn)行平滑濾波：在圖像分割方面，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的自適應(yīng)閾值分割算法，可以根據(jù)圖像特征自動分割圖像，提高了檢測的精度和快速性；在圖像特征提取方面，針對數(shù)字圖像的特征，討論了基本的特征提取方法，利用獲得的圖像形心坐標(biāo)描述目標(biāo)物體的位置信息：在視覺跟蹤和路徑規(guī)劃方面，研究并比較了常用的跟蹤理論，采用圖像分割求形心和直線軌跡插補(bǔ)的方法實(shí)現(xiàn)機(jī)械手快速跟蹤定位，并對跟蹤算法進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證；在視覺伺服系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方面，將虛擬儀器技術(shù)和機(jī)器視覺技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，利用l a b v i e w 和n i i m a q 開發(fā)了一套完整的視覺伺服定位系統(tǒng)。實(shí)踐證明，將虛擬儀器與機(jī)器視覺結(jié)合起來開發(fā)機(jī)器人視覺系統(tǒng)，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，同時也使系統(tǒng)的靈活性、可靠性和性價比大為提高，為視覺系統(tǒng)的二次開發(fā)提供了很好的試驗(yàn)平臺。關(guān)鍵詞；機(jī)器視黨；氣動機(jī)器人；虛擬儀器；路徑規(guī)劃a b s t r a c tm a c h i n ev i s i o ni sr e g a r d e da st h em o s ti m p o r t a n tb r a n c ho ft h er e s e a r c ho fi n t e l l i g e n tr o b o t s ，v i k u a li n s t r u m e n ti saf r e s hs o f t w a r ef l a ti nt h ef i e l do f t h ea p p l i c a t i o no f c o m p u t e r b a s e do i lt h et e c h n o l o g yo fv i r t u a li n s t r u m e n ta n dt h es t u d yo ft h es t a t u so fr o b o tv i s i o ni nr e c e n ty e a r s ，t h i st h e s i sd e s i g nt h ep n e u m a t i cr o b o tv i s i o no r i e n t a t i o ns y s t e m t h et h e s i sf i r s t l ya n a l y z e st h ec a m e r ac a l i b r m i o na n di t sa d j u s t m e n tf o rt h er o b o tv i s i o n f u r t h e rw ep a r t i c u l a r l yd i s c u s st h en o i s ef i l t e r i n ga n df e a t u r ee x t r a c t i o n t h et h e s i sa n a l y s e st h ep h y s i c a lm o d e lo fc a m e r aa n dt h eg e o m e t r i c a lm o d e lo fg r i l l ei m a g i n gi nc a m e r ap l a n e a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo f 2 dp l a n ei m a g e ，w ep r e s e n t e dam e t h o df o rt h ec a m e r aa d j u s t i n gt h a tc a nr e d u c et h ec a m e r ad i s t o r ta n di m p r o v et h ep r e c i s i o no fo r i e n t a t i o nb a s e do nb pn e u r a ln e t w o r k s f o rt h ei m a g ep r o c e s s ，t h es t u d yi si l l u s t r a t e dw i t hah e x a n g u l a rn u te x p e r i m e n t sr e l a t i n gt ot h em e t h o dd e v e l o p m e n ta n da n a l y s i s f o rt h ef e a t u r ee x t r a c t i o n ，b a s e do nt h eb a s i cs h a p ef e a t u r ei n s p e c t i o ni nt h ew o r kp i e c ei n s p e c t i o n ，t h et h e s i sp r e s e n t sam e t h o dt og e tt h ec e n t e rc o o r d i n a t eo f t h ei m a g ew i t ht h ea r e a o nt h ea s p e c to f t h er e a l i z a t i o no f r o b o tv i s i o ns e r v oc o n t r o ls y s t e m ，t h i st h e s i sb a s e dt h ea d v a n t a g eo ft h ev i s u a lp r o g r a m m i n g ，c o m b i n e dw i t ht h es o f t w a r ei m a qv i s i o n ，d e v e l o p e dac o m p l e t e dv i s i o ns e r v oc o n t r o ls y s t e m a n dt h er o u t eo fr o b o tl i n ei n t e r p o l a t i o na l s op r o g r a m m e d p r a c t i c eh a v ep r o v e dt h a tc o m b i n e dt h ev i r t u a li n s t r u m e n tw i 廿lt h em a c h i n ev i s i o nt od e s i g nt h er o b o tv i s i o ns y s t e ms h o r t e n e dt h ed e s i g n i n gp e r i o d ，a n da l s oi m p r o v e dt h er e l i a b i l i t ya n dt h er a t i ot oc a p a b i l i t ya n dc o s t m o r e o v e r ，c o m b i n e dt h ev i r t u a li n s t r u m e n tw i t ht h em a c h i n ev i s i o n ，i nt e r r ao ft h el o g i co ft h em a c h i n ev i s i o ns y s t e mt oa n a l y s et h ew h o l es y s t e m ，e x p l o r et h ew a yt od e v e l o pt h em a c h i n ev i s i o n t h e r e f o r e ，i th a sp r o f u n d i t ys i g n i f i c a n c ei nb o t hp r o j e c ta n dt h e o r e t i c s k e yw o r d s ：m a c h i n ev i s i o n ；p n e u m a t i cr o b o t ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；r o u t ep r o g r a m m i n gi i湖南大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均己在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名：髟日期：御中年r 月，f 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)湖南大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于1 、保密口，在年解密后適用本授權(quán)書。2 、不保密團(tuán)。( 請?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“4 ”)作者簽名：導(dǎo)師簽名：的像主犸日期：瀘嘶年廠月f r 日日期：砷年廠月，廠日碩士學(xué)位論文1 1 氣動機(jī)器人第1 章緒論1 1 1 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)概述工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)( 機(jī)械本體) 、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。1 1 2 氣動技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及優(yōu)缺點(diǎn)氣動技術(shù)是一門正在蓬勃發(fā)展的新技術(shù)，用氣動元件組成的傳動和控制系統(tǒng)已廣泛用于國民經(jīng)濟(jì)各部門的成套設(shè)備和自動化生產(chǎn)線上。氣動技術(shù)是以壓縮氣體為工作介質(zhì)進(jìn)行能量和信號的傳遞，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的一門技術(shù)。它包含氣壓傳動和氣動控制兩方面的內(nèi)容。目前，氣動和液壓是兩種較為普遍應(yīng)用的傳動和控制方式，兩者有許多相同點(diǎn)，也有許多不同點(diǎn)，氣動技術(shù)真正為全世界各個工業(yè)部門所接受并廣泛應(yīng)用，是由于日益迫切的生產(chǎn)自動化和操作程序合理化的需要。氣動技術(shù)具有以下許多優(yōu)點(diǎn)：1 、氣動技術(shù)以空氣為工作介質(zhì)，空氣隨處可取，且粘性小，在管內(nèi)流動阻力小，便于集中供氣和遠(yuǎn)距離輸送。大多數(shù)工廠有方便的壓縮空氣氣源。作為工作介質(zhì)的壓縮空氣的物理性質(zhì)，使氣動技術(shù)在廣泛的各種應(yīng)用中具有安全、方便和費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。壓縮空氣沒有產(chǎn)生電火花的危險。因此，適用于易燃、易爆炸等危險的工況。氣動機(jī)械手視覺系統(tǒng)的研究2 、氣動元件結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，并可直接向大氣排放，處理方便，不必使用回收管道。3 、氣動系統(tǒng)清潔，即使有泄漏，也不會像液壓系統(tǒng)那樣污染產(chǎn)品和環(huán)境，也不像電子系統(tǒng)受到電磁干擾。4 、氣動系統(tǒng)維護(hù)不復(fù)雜，也不需要特殊的培訓(xùn)和試驗(yàn)設(shè)備。5 、適應(yīng)性強(qiáng)，現(xiàn)有的機(jī)器可方便地改為氣動傳動，氣缸可以直接安裝在要求出力的地方。6 、便于進(jìn)行能量存儲，可以進(jìn)行應(yīng)急或系統(tǒng)需要用。7 、氣壓傳動本身有過載保護(hù)性能。氣動執(zhí)行元件能長期在滿負(fù)荷下工作，在過載時會自動停止。8 、氣動元件運(yùn)動速度高。普通氣缸的運(yùn)動速度一般為0 0 5 0 7 m s ，有的高達(dá)1 3 m s ，高速氣缸可達(dá)1 5 m s 。當(dāng)然，氣動技術(shù)也有其缺點(diǎn)：1 、由于空氣的可壓縮性大，使得工作部件運(yùn)動速度穩(wěn)定性差，要獲得精確的進(jìn)給運(yùn)動是困難的。2 、由于氣壓傳動的工作壓力遠(yuǎn)低于液壓傳動的工作壓力，氣動執(zhí)行元件輸出的力小。3 、氣動工作介質(zhì)無潤滑性能。氣體排放時噪聲大，需加消聲器。4 、氣動信號的傳遞速度遠(yuǎn)比電信號低，而且有較大的延遲和失真，因而氣動控制技術(shù)不宜用于高速傳遞和處理信息的復(fù)雜系統(tǒng)，而且氣動信號的傳送距離也受限制。1 1 3 氣動機(jī)器人( 機(jī)械手) 應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢盡管氣動技術(shù)上有一些缺點(diǎn)，但它的優(yōu)點(diǎn)還是主要的。所以氣動技術(shù)能在各個工業(yè)部門中得到日益廣泛的應(yīng)用。而氣動元件更是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的機(jī)械化、自動化的理想元件。現(xiàn)在，氣動技術(shù)和電子電器、液壓技術(shù)一樣，都成為自動化生產(chǎn)過程的有效技術(shù)之一，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起著越來越大的作用。氣動技術(shù)由風(fēng)動技術(shù)及液壓技術(shù)演變，發(fā)展而成為獨(dú)立的技術(shù)門類不到5 0 年，卻已經(jīng)充分顯示出它在自動化領(lǐng)域中強(qiáng)大的生命力，成為二十世紀(jì)應(yīng)用最廣，發(fā)展最快，也最容易接受及重視的技術(shù)之一。氣動技術(shù)已成為各個行業(yè)不可缺少的一部分。在國外，氣動被成為“廉價的自動化技術(shù)”。微電子加氣動技術(shù)的應(yīng)用已成為現(xiàn)代化的一個重要標(biāo)志。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家中，全部自動化流程中約有3 0 裝有氣動系統(tǒng)【2 】。9 0 的包裝機(jī)、7 0 的鑄造和焊接設(shè)各、5 0 的自動操作機(jī)、4 0 的鍛壓設(shè)備和洗衣設(shè)備、3 0 的采煤機(jī)械、2 0 的紡織機(jī)械、制鞋業(yè)、木材加工、食品機(jī)械、碩士學(xué)位論文4 3 的工業(yè)機(jī)器人有氣壓系統(tǒng)。美、日、德等國的氣動元件銷售平均每年增長超過1 0 1 5 。許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家的氣動元件產(chǎn)值已接近液壓元件的產(chǎn)值，且仍以較大的速度發(fā)展。為了適應(yīng)這一形勢的發(fā)展，近年來在氣動控制技術(shù)上特別引人矚目的發(fā)展趨勢之一是通過氣動技術(shù)與電子技術(shù)以及機(jī)械技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，以及周邊技術(shù)的成熟，在工業(yè)自動化領(lǐng)域里，氣動機(jī)械手、氣動機(jī)器人的實(shí)用性已經(jīng)充分體現(xiàn)出來。因?yàn)闅鈩铀欧ㄎ患夹g(shù)一出現(xiàn)，就受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視，為氣動機(jī)器人、氣動機(jī)械手大規(guī)模進(jìn)入工業(yè)自動化領(lǐng)域開辟了十分寬廣的前景【3 】。由于大量采用傳感器，使氣動元件智能化，國外發(fā)展的氣動定位系統(tǒng)，采用反饋控制，速度在l o m s ，行程為3 0 0 m m 時，定位精度可達(dá)0 o l m m ，國外還開發(fā)了新型智能型電磁閥，可直接接受傳感器信號，并自行完成動作，達(dá)到控制的目的，以應(yīng)用于物件的傳輸，并能識別搬運(yùn)物的大小。廣泛采用總線連接集成系統(tǒng)，提高氣動控制系統(tǒng)的可靠性，簡化安裝和維修。1 2 虛擬儀器技術(shù)在紛繁的測試產(chǎn)品中，虛擬儀器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，簡稱v i ) 已經(jīng)成為越來越多測試人員的最佳選擇，這是因?yàn)関 i 系統(tǒng)能更迅捷、更經(jīng)濟(jì)、更靈活地解決測試問題。隨著v i 驅(qū)動程序標(biāo)準(zhǔn)化及軟件開發(fā)環(huán)境的發(fā)展，代碼復(fù)用成為儀器編程中的基礎(chǔ)，這意味著可以避免儀器編程過程中的大量重復(fù)性勞動，從而大大縮短復(fù)雜程序的開發(fā)時間，可以用不同的模塊構(gòu)造自己的v i 系統(tǒng)，這不僅會節(jié)省大量人力物力，而且已有的測試投資在未來仍能得到可靠保護(hù)。1 2 1 虛擬儀器的概念虛擬儀器通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與儀器硬件結(jié)合起來，用戶可以通過友好的圖形界面( 通常叫做虛擬前面板) 操作這臺計(jì)算機(jī)，就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺單個傳統(tǒng)儀器一樣【4 】。v i 以透明的方式把計(jì)算機(jī)資源( 如微處理器、內(nèi)存、顯示器等) 和儀器硬件( 如a d 、d a 、數(shù)字i 0 、定時器、信號調(diào)理等) 的測量、控制能力結(jié)合在一起，通過軟件實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析處理、表達(dá)以及圖形化用戶接口。應(yīng)用程序?qū)⒖蛇x硬件( 如g p i b 、v x i 、r s 一2 3 2 、d a q 板) 和可重復(fù)用原碼庫函數(shù)等軟件結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了儀器模塊闋的通信、定時與觸發(fā)等。原碼庫函數(shù)為用戶構(gòu)造自己的v i 系統(tǒng)提供了基本的軟件模塊。由于v i 的模塊化、開放性和靈活性，以及軟件是關(guān)鍵的特點(diǎn)，當(dāng)用戶的測試要求變化時，可以方便地由用戶自己來增減硬、軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測試要求。這樣，當(dāng)用戶從一個項(xiàng)目轉(zhuǎn)向另一個項(xiàng)目時，就能簡單地構(gòu)造出新的v i 系統(tǒng)而不丟棄已氣動機(jī)械手視覺系統(tǒng)的研究有的硬件和軟件資源。1 2 2 虛擬儀器的特點(diǎn)v i 與傳統(tǒng)儀器的比較見表1 1 ，其最主要的區(qū)別是v i 的功能由用戶使用時自己定義，而傳統(tǒng)儀器的功能是由廠商事先定義好的。有人把功能確定的計(jì)算機(jī)插卡式儀器也籠統(tǒng)地叫做v i ，這有悖于v i 與傳統(tǒng)儀器本質(zhì)的區(qū)別。由此可見沒有面向科學(xué)家與工程師的圖形化編程平臺就很難談得上廣泛普及v i 。表1 1v i 與傳統(tǒng)儀器的比較v i傳統(tǒng)儀器軟件使得開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用降至最低開發(fā)維護(hù)開銷高技術(shù)更新周期短( 1 2 年)技術(shù)更新周期長( 5 1 0 年)關(guān)鍵是軟件關(guān)鍵是硬件價格低、可復(fù)用與可重配置性強(qiáng)價格昂貴用戶定義儀器功能廠商定義儀器功能開放、靈活，可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步封閉、固定與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備方便互聯(lián)的面功能單一，互聯(lián)有限的獨(dú)立設(shè)備向應(yīng)用的儀器系統(tǒng)1 3 機(jī)器人視覺系統(tǒng)與虛擬儀器技術(shù)1 3 1 智能機(jī)器人與機(jī)器視覺智能機(jī)器人的“智能”特征在于它具有通過各種傳感器( 視覺、觸覺、接近覺、測距傳感、力2 矩傳感、滑覺、聲覺等) 與外部世界( 包括工作對象、工作環(huán)境和人) 相協(xié)調(diào)工作的機(jī)能。“讓機(jī)器入學(xué)會感知它們所觸到的部件”已成為機(jī)器人發(fā)展的趨勢。因此，機(jī)器人視覺系統(tǒng)的研究一直是各類智能機(jī)器人研究的一個熱點(diǎn)【5 1 。如果想要賦予機(jī)器人較為高級的智能，那么離開視覺系統(tǒng)是無法做到的。第一代工業(yè)機(jī)器人只能按照預(yù)先規(guī)定的動作往返操作，一旦工作環(huán)境變化，機(jī)器人就不能勝任工作。這是因?yàn)榈谝淮鷻C(jī)器人沒有視覺系統(tǒng)，無法感知周圍環(huán)境和工作對象的情況，因此對于智能機(jī)器人來說，視覺系統(tǒng)是不可缺少的。從六十年代開始，人們著手研究機(jī)器視覺系統(tǒng)。一開始，視覺系統(tǒng)只能夠識別平面上的類似積木的物體。到了七十年代，已經(jīng)可以認(rèn)識某些加工部件，也能認(rèn)識室內(nèi)的桌子，電話等物品了。當(dāng)時的研究工作雖然進(jìn)展很快，但卻無法用于實(shí)際。這是因?yàn)橐曈X系統(tǒng)的信息量極大，處理這些信息的硬件系統(tǒng)十分龐大，花費(fèi)的時間也很長。4碩士學(xué)位論文機(jī)器人視覺是一門新興的發(fā)展迅速的學(xué)科，八十年代以來，機(jī)器人視覺的研究已經(jīng)歷了從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用的發(fā)展階段。從簡單的二值圖象處理到高分辨率多灰度的圖象處理，從一般的二維信息處理到三維視覺機(jī)理以及模型和算法的研究都取得了很大的進(jìn)展。而計(jì)算機(jī)工業(yè)水平的飛速提高以及人工智能、并行處理和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等學(xué)科的發(fā)展，更促進(jìn)了機(jī)器人視覺系統(tǒng)的實(shí)用化和涉足許多復(fù)雜視覺過程的研究。目前，機(jī)器人視覺系統(tǒng)正在廣泛地應(yīng)用于視覺檢測、機(jī)器人的視覺引導(dǎo)和自動化裝配領(lǐng)域中。1 3 2 機(jī)器視覺與虛擬儀器的結(jié)合機(jī)器視覺與虛擬儀器結(jié)合的必要性是顯而易見的。傳統(tǒng)的基于專用硬件來實(shí)現(xiàn)的機(jī)器視覺系統(tǒng)由于硬件的價格昂貴、開發(fā)方法難度大( 一般用匯編語言來編程) 因此開發(fā)周期和開發(fā)的成本非常高，這與市場競爭的日益加劇格格不入。而機(jī)器視覺和虛擬儀器強(qiáng)大的開發(fā)工具和低廉的成本使大多數(shù)傳統(tǒng)機(jī)器視覺系統(tǒng)必將為其所替代。機(jī)器視覺注重對圖像進(jìn)行分析并作出控制外部控制機(jī)構(gòu)動作的決定，但是任何所做的決定，最終都用于指導(dǎo)外部的運(yùn)動控制模塊工作。虛擬儀器除了具備較強(qiáng)的分析功能外還增強(qiáng)了控制功能，將二者結(jié)合就可以使機(jī)器視覺的分析功能和虛擬儀器的控制功能同時為系統(tǒng)所用，而機(jī)器視覺和虛擬儀器各自的靈活性、可靠性、低成本必將給予系統(tǒng)很強(qiáng)的靈活性和可靠性，同時也使系統(tǒng)有很高的性價比。機(jī)器視覺軟件與虛擬儀器開發(fā)平臺的結(jié)合使機(jī)器視覺傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)模式( 如基于p l c 和專用硬件實(shí)現(xiàn)方式) 向基于p c ( p cb a s em a c h i n ev i s i o n ) 的實(shí)現(xiàn)模式逐步轉(zhuǎn)化。這種轉(zhuǎn)化的可能性和原因有以下幾個方面：1 、計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)使基于p c 實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺系統(tǒng)稱為可能性，也使得機(jī)器視覺系統(tǒng)的價格進(jìn)入平民化時代。過去，由于機(jī)器視覺系統(tǒng)需要對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而計(jì)算機(jī)的處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到要求，因此大部分機(jī)器視覺表1 2p o i 總線與其它傳輸介質(zhì)的傳輸速率總線類型傳輸速率( m b s )i s a3 - 5e i s a3 3p c i9 5 1 3 2f u l lm o n t i o nv i d e o2 1 l w i n d o ws v g a3 0 4 0h a r dd i s k ( s c s l )4 2 01 0 - 1 0 0 m b p se t h e r n t e2 2 0系統(tǒng)都采用專用的硬件來實(shí)現(xiàn)，這些硬件往往由專用d s p 芯片構(gòu)成，價格非常氣動機(jī)械手視覺系統(tǒng)的研究昂貴。而到今天，計(jì)算機(jī)的處理能力已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，如p e n t i u m 系列處理器的處理能力已經(jīng)達(dá)到1 g 以上。這使基于多媒體計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺系統(tǒng)成為可能，而計(jì)算機(jī)高的性價比也使得機(jī)器視覺系統(tǒng)的價格讓用戶很容易接受。2 、局部總線技術(shù)使基于p c 的視覺系統(tǒng)有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。表1 2 列出p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 總線與其他幾種傳輸介質(zhì)傳輸速率的比較。由表1 2 可知p c i 總線的帶寬最高，因此，p c i 總線日趨代替了i s a ( i n d u s t r ys t a n d a r d a r c h i t e c t u r e ) 總線。不僅如此，p c i 總線還允許設(shè)備以主模式( m a s t e r )和從模式( s l a v e ) 兩種方式與之連接，以主模式與之連接的設(shè)備可以不經(jīng)過c p u的干涉直接將大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入內(nèi)存，這樣系統(tǒng)就可以為c p u 留出足夠的時間來處理其他工作，機(jī)器視覺系統(tǒng)的速度也會因此得到提高。機(jī)器視覺中很多設(shè)備都可以主模式工作在p c i 總線上，如n i 的圖像采集卡p c i 1 4 0 7 和d a t at r a n s l a t i o n公司的d t 3 1 3 3 系列圖像采集卡。3 、3 2 位的w i n d o w sn t 2 0 0 0 操作系統(tǒng)和全方位的機(jī)器視覺軟件，使機(jī)器視覺系統(tǒng)的開發(fā)更快速可靠。過去，開發(fā)機(jī)器視覺系統(tǒng)時，往往要為某一處理過程編寫專用程序，使系統(tǒng)的開發(fā)要花費(fèi)大量的人力和財力，從而系統(tǒng)的價格也很昂貴。近幾年，w i n d o w s 操作系統(tǒng)，以其穩(wěn)定性、可靠性和安全性贏得了用戶的歡迎，而基于w i n d o w s 平臺的機(jī)器視覺軟件近幾年日趨完善，這些軟件包括了幾乎所有機(jī)器視覺開發(fā)應(yīng)用到的算法，使用時可以直接拿來使用，或者將自己的算法和這些已有的算法集成到一起。這樣開發(fā)者就可以將更多的時間集中到系統(tǒng)功能的研究上而不必拘泥于某一算法或過程，開發(fā)周期大大縮短，系統(tǒng)的價格也會因此降低。n ii m a qv i s i o n 6 0 包括圖像濾波、識別、幾何變換、形狀匹配、斑點(diǎn)分析和測量等近4 0 0 種完整的算法，同時還利用了多媒體技術(shù)對這些算法進(jìn)行優(yōu)化，其性能要比不具有m m x 技術(shù)的奔騰處理器提高4 倍。綜上所述，將虛擬儀器和機(jī)器視覺結(jié)合起來不僅是必要的同時也是可行的。同時由于虛擬儀器技術(shù)得到眾多商家的支持，這兩種技術(shù)的結(jié)合不僅可以使技術(shù)各自的優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，同時也為縮短項(xiàng)目的開發(fā)周期、提高項(xiàng)目的可靠性和性價比作出了保證。因此將虛擬儀器與機(jī)器視覺結(jié)合起來開發(fā)機(jī)器人視覺系統(tǒng)，必將使系統(tǒng)的開發(fā)周期縮短，同時也可以使系統(tǒng)的靈活性、可靠性和性價比大為提高。1 4 本文主要研究內(nèi)容本文提出了一種基于虛擬儀器的機(jī)器人實(shí)時視覺伺服控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由氣動機(jī)械手，c c d 攝像機(jī)，以及控制目標(biāo)運(yùn)動系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)把機(jī)器人視覺和機(jī)器人控制緊密地結(jié)合起來，基于圖象實(shí)對生成機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡，以達(dá)到實(shí)時控制機(jī)器人跟蹤目標(biāo)的目的。6碩士學(xué)位論文本文將從以下幾個方面進(jìn)行論述：1 、氣動機(jī)械手總體方案及其視覺平臺結(jié)合氣動機(jī)械手的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成原理，對其進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)建模分析，研究電氣比例控制的性能和特點(diǎn)，利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建機(jī)械手視覺平臺，通過視覺技術(shù)識別不同形狀和尺寸的目標(biāo)物體，反饋機(jī)械手與目標(biāo)物體的位置偏差，引導(dǎo)機(jī)械手朝縮小偏差的方向前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)自動準(zhǔn)確抓取物體。2 、攝像機(jī)標(biāo)定與畸變校正通過建立攝像機(jī)成像和畸變模型，研究攝像機(jī)標(biāo)定和畸變校正技術(shù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行畸變校正，采用網(wǎng)格式平行線模板標(biāo)定了像素的水平當(dāng)量和垂直當(dāng)量。3 、物體識別理論與實(shí)驗(yàn)主要研究待識別物體圖像的預(yù)處理技術(shù)、分割方法和識別特征等，包括對比度增強(qiáng)，噪聲濾波，圖像分割，并通過實(shí)驗(yàn)比較圖像處理的效果，針對處理后的二值化圖像，設(shè)計(jì)了用于識別目標(biāo)物體位置的特征參量，經(jīng)過坐標(biāo)變換，將這些特征量轉(zhuǎn)化為空間坐標(biāo)中的實(shí)際位置，以控制機(jī)器人完成相應(yīng)的操作。4 、視覺跟蹤理論與路徑規(guī)劃，根據(jù)圖像處理反饋的物體位置信息，通過跟蹤算法規(guī)劃機(jī)械手的運(yùn)動軌跡，通過逆運(yùn)動學(xué)分析，轉(zhuǎn)化成運(yùn)動氣缸的目標(biāo)位移，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手跟蹤控制。5 、機(jī)械手視覺系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)策略將虛擬儀器技術(shù)和機(jī)器視覺技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，利用l a b v i e w 和n ii m a q 開發(fā)機(jī)械手視覺系統(tǒng)軟件，由軟件實(shí)現(xiàn)圖像處理和跟蹤控制功能，建立起功能完善、操作簡單的機(jī)械手視覺平臺。氣動機(jī)械手視覺系統(tǒng)的研究第2 章氣動機(jī)械手總體方案及視覺平臺機(jī)械手是自動化生產(chǎn)線最常見的設(shè)備。本章介紹抓取氣動機(jī)械手的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制原理和運(yùn)動學(xué)模型，在原有氣動機(jī)械手系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加攝像機(jī)和采集卡，配以識別與控制軟件，構(gòu)建機(jī)械手視覺系統(tǒng)，自動對準(zhǔn)并抓取目標(biāo)物體。2 1 氣動機(jī)械手系統(tǒng)原理2 1 1 氣動機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)及其工作原理機(jī)械手是機(jī)電系統(tǒng)典型的設(shè)備之一，可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動線。本文研究的自動抓取氣動機(jī)械手，它以壓縮氣體為動力源，通過編程控制，可以實(shí)現(xiàn)簡單形狀的目標(biāo)物體抓取動作。氣動機(jī)械手系統(tǒng)原理如圖2 1 所示。電一氣比例控制氣動帆械手實(shí)驗(yàn)臺圖2 1 氣動機(jī)械手總體方案氣動機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)由機(jī)架、大臂、小臂、手腕和手指等部分組成，圈2 2為氣動機(jī)械手的組成原理圖。大臂2 包含兩個運(yùn)動：繞鉸接中心的擺動和沿大臂方向的伸縮，擺動由氣缸2 的伸縮實(shí)現(xiàn)，氣缸2 的缸體鉸接在機(jī)架上，活塞端與碩士學(xué)位論文大臂鉸接，氣缸伸縮帶動大臂擺動，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手上下擺動；大臂伸縮運(yùn)動由氣缸4 實(shí)現(xiàn)，氣缸4 的缸體固定在大臂上，活塞端與小臂連接，缸體伸縮帶動機(jī)械手左右移動：小臂是由一個伸縮旋轉(zhuǎn)組合缸驅(qū)動可以前后伸縮和旋轉(zhuǎn)，使機(jī)械手接近物體，保持正確的夾持姿態(tài)；手指在夾緊氣缸的驅(qū)動下，夾緊放開物體。圖2 3 為機(jī)械手的運(yùn)動簡圖，抓取物體的工作原理為：首先大臂擺動氣缸2動作，帶動大臂3 繞鉸接點(diǎn)擺動，然后大臂伸縮氣缸4 動作，帶動機(jī)械手臂作直線移動，對準(zhǔn)二維平面內(nèi)任意位置的物體，最后小臂5 氣缸動作，手腕轉(zhuǎn)動，手指6 夾緊，完成夾取目標(biāo)物體的動作。圈2 2 氣動機(jī)械手機(jī)械原理圈圖2 3 氣動機(jī)械手運(yùn)動簡圖2 。1 2 氣動機(jī)械手控制原理本文研究的機(jī)械手的驅(qū)動采用了氣動控制技術(shù)，氣動控制具有性能穩(wěn)定，可靠性高，具有本質(zhì)安全防爆功能，不受電磁場干擾，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)械手和物料輸送系統(tǒng)有較多應(yīng)用。氣動控制系統(tǒng)一般由控制器、電一氣控制元件、氣動執(zhí)行元件、傳感器和接口電路等組成1 6 】?？刂破魇菤鈩酉到y(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)信號采集和控制指令的生成，通常采用計(jì)算機(jī)、單片機(jī)或可編程控制器等。電氣控制元件負(fù)責(zé)將控制器生成的指令信號轉(zhuǎn)換成氣動信號，對氣流的壓力、流量和方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般由電一氣伺服閥、電一氣比例閥和電一氣開關(guān)閥等組成。氣動執(zhí)行元件將氣動能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能以驅(qū)動工作機(jī)構(gòu)的元件，包括氣缸、氣爪或者氣動馬達(dá)等。氣動控制系統(tǒng)傳感器負(fù)責(zé)將執(zhí)行元件的狀態(tài)反饋給控制器，常用的一般有位置傳感器、壓力傳感器或速度傳感器等。接口是指控制器與控制元件、控制器與傳感器之間的信號匹配電路，包括放大、濾波、調(diào)制解調(diào)和功率驅(qū)動等，可以實(shí)現(xiàn)不同電信號之間9氣動機(jī)械手視覺系統(tǒng)的研究的相互轉(zhuǎn)換。氣動控制系統(tǒng)的組成原理如圖2 4 所示。l 控制器卜廠磊卜一電一氣控制元件h 麗磊鬲塑il 一j】l -l廠=磊f一圖24氣動控制系統(tǒng)組成示意圖氣動控制系統(tǒng)可按控制元件來分類 _ “，分為伺服控制系統(tǒng)、比例控制系統(tǒng)和開關(guān)控制系統(tǒng)。電一氣伺服系統(tǒng)以氣動伺服閥為控制元件，工作頻寬較高，響應(yīng)速度快，性能最好，但是成本昂貴，在一般的工業(yè)場合較少應(yīng)用。電一氣比例控制系統(tǒng)是以電一氣比例閥為主要控制元件的氣動控制系統(tǒng)。電一氣比例閥采用了比例電磁鐵技術(shù)，相對于伺服閥要低廉很多，頻寬一般為1 0 h z 2 5 h z 左右。具有高精度電反饋的電氣比例控制系統(tǒng)，在控制精度上已經(jīng)很接近電氣伺服控制系統(tǒng)。同時電一氣比例控制系統(tǒng)控制簡單，系統(tǒng)成本低、有利于簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)、提高控制品質(zhì)和智能化程度，可以達(dá)到精密控制、自動化和節(jié)能的目的，在氣動領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。開關(guān)閥系統(tǒng)以高速開關(guān)閥作為控制元件，與計(jì)算機(jī)接口方便，成本最低，但開關(guān)閥系統(tǒng)存在噪音大、開關(guān)閥壽命不足等問題，近年來發(fā)展較慢，一直處于實(shí)驗(yàn)研究階段。圖2 5 電一氣比例閥系統(tǒng)示意圖本文研究的機(jī)械手采用了電一氣比例控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)大臂的擺動和伸縮，其控制系統(tǒng)原理如圖2 5 所示。機(jī)械手動作時，計(jì)算機(jī)根據(jù)目標(biāo)位移和傳感器反饋的氣缸當(dāng)前位置，通過相應(yīng)的算法生成位移控制量，經(jīng)d a 轉(zhuǎn)換和比例放大后，控制電一氣比例閥的閥口開度，高壓氣流驅(qū)動氣缸產(chǎn)生位移，光電編碼器時刻檢測氣缸位移并反饋給計(jì)算機(jī)，達(dá)到目標(biāo)位移控制氣缸停止動作。機(jī)械手的電一氣比例控制回路如圖2 6 所示。氣缸2 完成大臂擺動運(yùn)動，其型號為l c d g l b n 5 0 7 5 0 ，氣缸4 完成大臂伸縮運(yùn)動，其型號為l m d b b 6 3 5 5 0 ，兩個氣缸的控制閥采用日本s m c 公司的比例流量型控制閥v e f 3 1 2 1 ，模數(shù)轉(zhuǎn)換卡選用n i 公司的p c i 一6 0 2 4 e ，位移傳感器使用光電編碼器，控制方法為連續(xù)無級控制。1 0碩士學(xué)位論文氣缸4圖2 6 機(jī)械手大臂氣動控制回路2 。1 3 電一氣比例控制系統(tǒng)建模分析機(jī)械手電一氣比例位置控制的模型如圖2 7 所示，系統(tǒng)由數(shù)模轉(zhuǎn)換卡、比例放大器、電一氣比例流量閥、氣缸、光電編碼器、d i o 卡等組成，構(gòu)成了閉環(huán)控制回路。圈2 7 機(jī)械手電一氣比例位置控制模型( 1 ) 數(shù)模轉(zhuǎn)換卡p c i 一6 0 2 4 ep c i 一6 0 2 4 e 的功能是將數(shù)字控制量信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，相當(dāng)于一個比例環(huán)節(jié)，其模型為：k d 。= 5v 2 0 4 8( 2 ) 比例放大器氣動機(jī)械手視覺系統(tǒng)的研究比例放大器的作用是將計(jì)算機(jī)發(fā)出的電壓信號經(jīng)過比例放大，轉(zhuǎn)換成電流信號，用來控制比例流量閥的開度。比例系數(shù)為k a 。( 3 ) 電氣比例流量閥電氣比例流量閥采用電磁比例電磁鐵控制閥口開度，使通過閥的氣體質(zhì)量流量和閥的開度成定的關(guān)系。當(dāng)線圈電流越大，閥的開度越大，通過閥的氣體質(zhì)量流量也越大。其數(shù)學(xué)模型為：進(jìn)氣腔：砌j 2 e l ( r ) 鼻+ 足，2 ( ，)( 2 1 )排氣腔：砌：= 足，。( 一五。，) 足+ 髟：( 一，)其中，曉和r h ：為質(zhì)量流量，x 。為閥芯位移，e 。、系數(shù)，或者說是閥工作電流的函數(shù)，可以寫成k ，= f l ( i )k ，：= 厶( i )在實(shí)際應(yīng)用中，足艫髟：由實(shí)驗(yàn)測得。( 4 ) 氣缸氣缸的運(yùn)動方程為a 黟= p , a 。一只爿2 一b 一吒式中，f 2 2 1e ：是與閥芯位移x 。的m 一一運(yùn)動部分質(zhì)量；只一一負(fù)載力；f ，一一摩擦力：只，只一一分別為氣缸進(jìn)、排氣腔絕對壓力；y 一一活塞位移；a 。，a ：一一分別為氣缸進(jìn)、排氣腔有效面積。氣缸進(jìn)氣腔丘2i ：j 三萬r t d h - 鼻4 夕)氣缸排氣腔恥面而幔a ：9 - r t r h 2 )嶼o + 彳2 ( 三一y ) 7式中，巧。，。一一分別為氣缸進(jìn)、排氣腔余隙空間；一一絕熱指數(shù)：1 2( 23 )( 2 4 )( 2 5 )( 2 6 )碩士學(xué)位論文月一一氣體常數(shù)；r 一一氣體的熱力學(xué)溫度：上一一氣缸總有效長度：( 5 ) 光電編碼器和數(shù)顯表光電編碼器的功能是將角位移轉(zhuǎn)換為電脈沖，每轉(zhuǎn)產(chǎn)生1 0 2 4 個脈沖，這也相當(dāng)于一個比例環(huán)節(jié)，模型參數(shù)為k f = 1 0 2 4 個脈沖滾輪周長( 6 ) 電一氣比例位鼉控制系統(tǒng)線性化數(shù)學(xué)模型機(jī)械手電一氣比例位置控制模型是上述環(huán)節(jié)的串聯(lián)，相關(guān)參數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)或者計(jì)算得到，機(jī)械手電一氣比例位置控制模型的線性化數(shù)學(xué)模型為：g ( j ) = 再面麗1 0 再5 4 蕊2 7 )可見，本文研究的氣動機(jī)械手具有積分環(huán)節(jié)，對階躍輸入的理論穩(wěn)態(tài)誤差為零，但實(shí)際系統(tǒng)存在死區(qū)、延遲等非線性因素，因此機(jī)械手還需采用p i d 及其變形方式進(jìn)行運(yùn)動控制，才能達(dá)到預(yù)期的動態(tài)性能。2 1 4 氣動機(jī)械手運(yùn)動分析氣動機(jī)械手的運(yùn)動包括大臂擺動、大臂伸縮、小臂伸縮、手腕轉(zhuǎn)動和手指夾持等，其中大臂運(yùn)動通過電氣比例控制實(shí)現(xiàn)，小臂、手腕和手指的運(yùn)動比較簡單，只有兩個狀態(tài)，通過開關(guān)量控制，這里僅對機(jī)械手大臂的運(yùn)動過程進(jìn)行分析。機(jī)械手大臂的運(yùn)動簡圖如圖2 8 所示。a o 段表示機(jī)架，a b 段表示機(jī)械手大臂，線段a o 、a b 的長度為安裝尺寸，是定值。a c 為大臂伸縮氣缸，o b 為大臂擺動氣缸。c圖2 ，8 氣動機(jī)械手大臂運(yùn)動簡圖機(jī)械手的末端位置c 的運(yùn)動是兩個氣缸運(yùn)動的合成，要讓氣動機(jī)械手在其活動范圍內(nèi)快速定位，需要研究其運(yùn)動合成。由于機(jī)械手立柱不是垂直安裝，建立兩個直角坐標(biāo)系來研究c 點(diǎn)的運(yùn)動：一是物件臺架坐標(biāo)系x 一y ，另一個是氣動機(jī)械手視覺系統(tǒng)的研究機(jī)械手臂運(yùn)動坐標(biāo)系x y 。兩個坐標(biāo)系的夾角為a = 1 0 。，如圖2 , 9 所示。設(shè)o a = ，。，o b = ，2 ，a b = ，a c = ，。，護(hù)、分別為氣缸a c 、o b 的水平傾角，端點(diǎn)c 在坐標(biāo)系x 一y 中的坐標(biāo)為( x ，y ) ，則c 在x y 坐標(biāo)系中的坐標(biāo)( x ，y ) 為lx llc o s 盯一s i n a0 x ll y jl s i n ac o s ( j l y7 j則yac礦7，甲，。x卜。? i 一。心。一。，一、a一圈29 氣動機(jī)械手的運(yùn)動分析圖則有l(wèi) x = ，4c o s【y = ，4s i n 口+ ，l對三角形a o b ，由余弦定理得到c o s ( 9 0 。+ 們：生笠二絲72 f 。1 ，c o s i 艫鬻代入( 2 8 ) 得s i n p = 一笠蔓= 蔓c 。s 口=2 1 1 1 3 陌2 驪222( 2 8 1( 2 9 )( 2 1o )( 2 1 1 )卜擊廝i 瓣博嘉m 圳q 1 2 1 4碩士學(xué)位論文出上式口j 知- 看已知?dú)飧護(hù) b 和a b 的位移1 2 和1 4 ，就可求得機(jī)械手的垤動軌跡。反之，在知道了機(jī)械手的目標(biāo)位置以后，需要進(jìn)行逆運(yùn)動學(xué)建模分析，計(jì)算出為了達(dá)到目標(biāo)位置氣缸o(hù) b 和a b 的期望位移。由式( 2 8 ) ，得占= a r c t a i l ( 旦玉)( 2 13 )卜志( 2 1 4 )由式( 2 9 ) 得，：= 幅面了i 面( 2is )已知?dú)飧譨 c 的原始長度為7 0 0 r a m ，o b 的原始長度為1 2 0 0 m m ，將l - 1 3 7 0 r a m 1 3 2 3 2 0 r a m 代x ( 2 5 ) 和( 2 。6 ) ，得曰：a r c t a i l ( 芝嬰)( 2 1 6 )l 去一7 0 0( 2 1 7 )c o s 分一疋= 1 9 7 9 3 0 0 + 8 7 6 8 0 0 s i n 0 1 2 0 0( 2 1 8 )式中，i 、疋為氣缸所需要的行程，單位為毫米。將l i ，1 3 代入( 2 ，1 0 ，已知1 2 0 0 4 1 2 1 5 0 0 ，計(jì)算得7 6 ，5 。口7 8 ，5 。在機(jī)械手運(yùn)動過程中，可以簡化計(jì)算過程，對三角形a o b ，由余弦定理得高= 面互a 而bi2 _ 9 )s m ( 9 0 + 口)s i i i ( 9 0 。一盧)。7則有扣嗇c o s 口( 2 2 。)式( 2 1 8 ) 可以替換為扛罷c o sc o s 3 1 2 6 3c o s 護(hù)( 2 2 1 )上，氣動機(jī)械手視覺系統(tǒng)的研究2 2 機(jī)械手視覺平臺設(shè)計(jì)2 2 1 目標(biāo)物體位置自動識別氣動機(jī)械手抓取目標(biāo)物體過程中，機(jī)械手的末端坐標(biāo)與姿態(tài)通常根據(jù)機(jī)械手運(yùn)動學(xué)關(guān)系求出，由于機(jī)械手各關(guān)節(jié)存在制造時引入的加工誤差，傳動機(jī)構(gòu)存在間隙，各部件的變形以及計(jì)算誤差等，這樣計(jì)算的坐標(biāo)與姿態(tài)難免含有誤差，機(jī)械手末端一般不能十分精確地對準(zhǔn)目標(biāo)物體，需要根據(jù)目標(biāo)物體位置進(jìn)行微調(diào)，因此f 確識別目標(biāo)物體位置是準(zhǔn)確抓取的關(guān)鍵。在開環(huán)控制中，目測起到反饋?zhàn)饔?，觀察并估計(jì)目標(biāo)物體的位置，從而確定每個氣缸的位移，在接近物體時調(diào)整機(jī)械手末端的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確抓取。在閉環(huán)控制中，為了實(shí)現(xiàn)自動抓取，需要采用目標(biāo)物體位置自動識別技術(shù)，在機(jī)械手運(yùn)動過程中，能夠根據(jù)目標(biāo)物體位置信息調(diào)整運(yùn)動方向，實(shí)現(xiàn)精確定位。目標(biāo)物體位置自動識別系統(tǒng)可分為接觸式與非接觸式兩大類，非接觸式應(yīng)用較多。非接觸式識別方法有電磁反射、激光、紅外線、超聲波、光學(xué)和視覺傳感器等。早期的目標(biāo)物體位置自動識別系統(tǒng)多用電容式或電感式鄰近效應(yīng)測距儀，這些傳感器精度高但測距短，主要用于位置固定、形狀確定的目標(biāo)物體識別；超聲波設(shè)備也是一個選擇，但是精度不高，且易受環(huán)境噪音影響；光電、磁電接近開關(guān)能提供是否對準(zhǔn)的信息，但不能反映位置偏差大小，一般需要在目標(biāo)物體附近安裝傳感器或者利用目標(biāo)物體的某些物理特性；另外還有將發(fā)光二極管裝在目標(biāo)上以便于識別，或者利用激光掃描以確定目標(biāo)的方位，還有些光學(xué)系統(tǒng)采用激光雷達(dá)或激光測距儀來測量目標(biāo)的距離與方位【6 “】，這些方法又都過于昂貴。隨著工業(yè)攝像技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺識別技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用。視覺識別技術(shù)模仿人的視覺原理，使用攝像機(jī)和圖像采集卡等設(shè)備，利用圖像識別技術(shù)進(jìn)行測量定位【8 】，不但能夠識別不同形狀和尺寸的目標(biāo)物體，而且可以反饋目標(biāo)物體位置與機(jī)械手位置的偏差，引導(dǎo)機(jī)械手朝縮小偏差的方向前進(jìn)，直至對準(zhǔn)目標(biāo)物體。因此本文的氣動機(jī)械手采用了視覺技術(shù)識別目標(biāo)物體位置。2 2 2 氣動機(jī)械手視覺系統(tǒng)原理在原有氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了攝像機(jī)和采集卡，配以識別與控制軟件，就構(gòu)成了機(jī)械手視覺控制系統(tǒng)，其組成原理如圖2 1 0 所示。攝像機(jī)安裝在手指上方，攝取目標(biāo)物體信息，采集卡采集目標(biāo)物體圖像后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，計(jì)算機(jī)通過圖像處理獲得目標(biāo)物體的空間位置和形狀信息，并通過機(jī)械手運(yùn)動軌跡控制算法計(jì)算出機(jī)械手各個氣缸的運(yùn)動量，送入p i d 位置控制器，計(jì)算出目標(biāo)控制量，由d a 變換成模擬控制電壓送出，經(jīng)比例放大1 6碩士學(xué)位論文蘆計(jì)叵磊卜計(jì)- 區(qū) 臣互卜算眄而面卜_ 再磊葉丁麗i 卜機(jī)圈2 10 氣動機(jī)械手視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖器轉(zhuǎn)換為控制電流，在控制電流的作用下，電氣比例閥閥芯移動，控制流向氣缸的流量和方向，推動氣缸動作，使機(jī)械手接近目標(biāo)位置，光電編碼器檢測氣缸的實(shí)際位移并反饋給計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋的位置閉環(huán)控制，當(dāng)計(jì)算機(jī)判斷機(jī)械手對準(zhǔn)目標(biāo)物體后，抓取目標(biāo)物體并且把目標(biāo)物體移走。c c d 獲取圖像t數(shù)字化畸變校正t圖像預(yù)處理t圖像分割二值化t特征識別圈2 1 機(jī)械手視覺伺服系統(tǒng)流程囝2 1 2 目標(biāo)物體圈像識別流程視覺處理和控制用一臺5 8 6 微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，主頻1 6 6 m h z ，它從圖像輸入氣動機(jī)械手視覺系統(tǒng)的研究接口接收圖像采集卡傳來的數(shù)字信號，經(jīng)過二值化處理和分割后，判斷目標(biāo)物體位置并將機(jī)械手的位置偏差轉(zhuǎn)換成實(shí)際位移，然后通過逆運(yùn)動學(xué)分析，求出機(jī)械手兩個氣缸需要運(yùn)動的距離并控制氣缸運(yùn)動，機(jī)械手系統(tǒng)工作流程和物體識別流程如圖2 1 l 和圖2 1 2 。識別和控制軟件采用l a b v i e w 和i m a qv is i o n 開發(fā)，主要包括圖像預(yù)處理，目標(biāo)物體分割、識別和視覺跟蹤等，后面章節(jié)將詳細(xì)介紹。2 2 3 氣動機(jī)械手視覺伺服工作流程帶有視覺功能的氣動機(jī)械手抓取物體的過程分為兩個階段：首先根據(jù)物體所在的方位接近物體( 人工根據(jù)物體柜判斷) ；接近物體后，視覺傳感器( c c d 攝像機(jī)) 獲得物體的精確位置，通過相應(yīng)的控制算法，驅(qū)動氣缸運(yùn)動，接近并抓取物體。氣動機(jī)械手視覺伺服系統(tǒng)的工作流程如圖2 1 1 所示。首先根據(jù)物體方位，估計(jì)每個氣缸的位移，系統(tǒng)控制氣缸運(yùn)動；接近物體時，攝像機(jī)采集目標(biāo)物體圖像，數(shù)字化后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，將目標(biāo)物體和背景分離，計(jì)算目標(biāo)物體的形心，得到機(jī)械手當(dāng)前位置相對目標(biāo)位置的偏差；然后利用逆運(yùn)動學(xué)分析，換算成大臂的旋轉(zhuǎn)角度和平移距離，作為控制目標(biāo)，送入p i d 控制器生成每個氣缸的控制量：經(jīng)d a 轉(zhuǎn)換和比例放大后驅(qū)動氣缸動作，引導(dǎo)機(jī)械手逐漸對準(zhǔn)目標(biāo)物體：目標(biāo)物體對準(zhǔn)后，根據(jù)目標(biāo)物體形狀調(diào)整手腕姿態(tài)，手指張開，包含目標(biāo)物體后合攏，夾緊并取出目標(biāo)物體。2 2 4 系統(tǒng)主要硬件組成2 2 4 1 圖像采集卡圖像采集卡的基本任務(wù)是將c c d 攝像機(jī)輸出的模擬信號( r s l 7 0 c c i r 黑白電視信號，p a l n t s c 彩色電視信號，s - v i d e o 視頻信號等) 轉(zhuǎn)換成方便計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號。圖像采集卡的工作過程可以描述為：實(shí)時采集c c d 輸出的視頻信號，通過內(nèi)部時序控制a d 轉(zhuǎn)換后，存放在采集卡的幀存儲器通道中，可以直接送監(jiān)視器顯示，計(jì)算機(jī)可以通過指令讀取幀存儲器的圖像進(jìn)行各種變換和處理分析。圖像采集卡的種類很多，按照處理圖像顏色的不同，通?？梢苑譃楹诎紫到y(tǒng)、偽彩色系統(tǒng)和真彩色系統(tǒng)，他們分別基于不同的顏色模型。為了方便和圖像處理系統(tǒng)連接，采集卡一般做成標(biāo)準(zhǔn)接口形式，例如在通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中常用i s a和p c i 接口，直接插在p c 擴(kuò)展槽中。根據(jù)系統(tǒng)要求，圖像采集卡選用n i 公司的p c i 一1 4 0 7 ，它的主要指標(biāo)如下：8 - b i t 的