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机械臂视觉伺服系统的研究

作 者: 段彦婷
导 师: 陈平
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 电气工程
关键词: 视觉伺服 机械臂 数字图像处理 BP神经网络
分类号: TP242.6
类 型: 硕士论文
年 份: 2008年
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内容摘要


将视觉信息引入机器人控制中,使机器人具有同外部环境进行交互的能力,是当今机器人发展的重要方向。国外对视觉伺服的研究起步比较早,而国内对视觉伺服技术的研究还处于探索阶段,目前进行的许多研究工作主要集中在概念仿真,方法论证,关键技术试验上,因此进行深入的自主研究很有意义。视觉伺服是涉及多学科的复杂非线性控制,包括图像处理、动力学、运动学、控制理论、实时计算等领域。本文提出了基于图像的视觉伺服方案,避免了对系统的精确标定过程,降低了对系统硬件的要求,并进行了相关实验。机械臂系统采用PWM方式驱动各关节直流伺服电机,结合限位保护电路及信号检测处理电路构建驱动板。本文中提出了进行图像采集、处理以及图像特征点提取等工作的视觉信息处理系统实现方案,采用空间域相关算法处理图像,提取图像特征信息,形成视觉伺服循环。文中选择神经网络学习方案设计视觉伺服控制器,避免了求取图像雅可比矩阵的复杂运算和矩阵奇异性问题,给出了网络样本采集、训练方法。通过PCI-1711数据采集卡,搭建RTW实时仿真系统,提出电机模型测试方案。选择位置和速率相结合的双闭环结构设计关节伺服控制器,基于电机模型建立双闭环实时仿真系统,并进行关节伺服控制器调试。通过串口实现主控计算机和图像处理计算机通信,最后进行相应的实验。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章 绪论  9-17
  1.1 本文研究的目的和意义  9-10
  1.2 视觉伺服技术的发展概况  10-15
    1.2.1 视觉伺服技术  10-11
    1.2.2 机器人视觉发展历程  11
    1.2.3 机器人视觉伺服系统的分类  11-14
    1.2.4 视觉伺服所面临的主要问题  14
    1.2.5 视觉伺服的发展前景  14-15
  1.3 论文的主要研究内容与结构安排  15-17
第2章 机械臂视觉伺服系统的总体设计  17-25
  2.1 引言  17-19
  2.2 视觉伺服系统的结构  19-21
    2.2.1 物理结构  19-20
    2.2.2 控制结构  20-21
  2.3 系统硬件结构及工作流程  21-24
    2.3.1 机械臂系统  23
    2.3.2 关节控制子系统  23
    2.3.3 视觉系统  23-24
  2.4 本章小结  24-25
第3章 机械臂关节控制器硬件实现  25-33
  3.1 引言  25
  3.2 电机驱动电路的设计  25-30
    3.2.1 PWM波形发生电路  26-28
    3.2.2 PWM电机调速电路  28-29
    3.2.3 速率反馈控制电路  29-30
  3.3 限位保护电路的设计  30-31
  3.4 关节控制器的硬件实现  31-32
  3.5 本章小结  32-33
第4章 机械臂视觉信息处理算法  33-52
  4.1 引言  33
  4.2 图像采集及显示  33-35
    4.2.1 图像采集  33-34
    4.2.2 图像显示  34-35
  4.3 图像信息处理  35-46
    4.3.1 彩色图像与灰度图像之间的转换  36
    4.3.2 图像增强的点运算  36-41
    4.3.3 图像的空间域平滑  41-42
    4.3.4 图像空间域锐化  42-44
    4.3.5 SOBEL边缘检测算子  44-46
  4.4 特征图像信息求解  46-51
    4.4.1 圆形目标检测方案选取  46-47
    4.4.2 哈夫变换的原理  47-48
    4.4.3 基于哈夫变换的圆检测  48-50
    4.4.4 实验结果  50-51
  4.5 本章小结  51-52
第5章 基于图像反馈的机械臂视觉定位  52-64
  5.1 引言  52
  5.2 图像雅可比矩阵方法原理  52-55
  5.3 基于神经网络的视觉定位  55-63
    5.3.1 基本原理  55
    5.3.2 视觉伺服控制器设计  55-59
    5.3.3 BP神经网络学习算法  59-63
  5.4 本章小节  63-64
第6章 伺服控制系统的调试与运行  64-72
  6.1 引言  64
  6.2 基于MATLAB/RTW实时仿真系统的构建  64-65
    6.2.1 方案的提出  64-65
    6.2.2 实时仿真框图  65
  6.3 关节伺服电机模型测定  65-67
  6.4 机械臂单关节系统的闭环控制方案  67-70
  6.5 实验结果数据分析  70-71
  6.6 本章小结  71-72
结论  72-74
参考文献  74-78
攻读学位期间发表的学术论文  78-80
致谢  80

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人 > 智能机器人
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