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单目视觉伺服模块化机械臂控制系统研究

作 者: 陶辉
导 师: 吴怀宇
学 校: 武汉科技大学
专 业: 控制理论与控制工程
关键词: 视觉伺服 模块化机械臂 目标识别 运动控制系统 轨迹规划
分类号: TP242
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要


机械臂是世界微机电技术领域中的前沿研究课题。模块化机械臂可以满足机械臂各个关节易于修改、重构和具有可拓展的功能;在国防、工业、及医疗等行业,不仅要求机械臂能够实现常规的动作,而且还要求机械臂具有人类的视觉、思维、学习与自主能力等。基于上述原因,本文从理论和实验两方面,对单目视觉伺服模块化机械臂控制系统模型进行了深入的分析和研究,并初步建立了一套完整的基于位置的单目视觉伺服模块化机械臂控制系统。主要工作如下:第一,分析了模块化机械臂的空间位姿描述矩阵和坐标系的建立方法,并运用D-H表示法为其建立了变换矩阵,完成了正运动学方程求解;采用代数法对逆运动学方程进行了求解,并对模块化机械臂正逆运动学方程进行了实验分析;数据表明:机械臂正逆运动学误差主要来自于机械设计尺寸误差和三角函数求解计算误差。第二,设计了一种采用自适应中值滤波和自适应维纳滤波相结合的数字图像处理算法,以消除图像噪声;采用统计的方法,并以最小的特征维数确定了目标物体相对于机械臂基坐标系的位置和姿态,实现了目标物体特征的提取;实验显示:设计的滤波算法较好的提高了原始数字化图像的信噪比,采用的聚类统计方法获得了目标图像中心点像素坐标、过中心点截得目标物体的横轴与纵轴的半轴长、图像面积和周长等图像特征。第三,分析了机械手臂视觉伺服的几种方式,并采用基于位置的视觉伺服方法实现本文的规划;针对模块化机械臂运动规划问题,对各个关节模块设计了模糊PID运动控制器,并对比实验分析了该控制器的稳定性;对手臂末端设计了直线插补轨迹规划算法,对各关节模块设计了四阶三次均匀B样条插补轨迹规划算法,并仿真分析了算法的可靠性;同时对手臂末端和关节模块分别进行了系统全面的运动规划实验及分析;实验验证了设计的手臂末端和关节模块轨迹规划算法的可行性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第一章 绪沦  8-12
  1.1 机器人发展趋势  8
  1.2 机器人视觉的研究内容  8-9
  1.3 机器人运动控制系统概述  9-10
  1.4 模块化机械臂控制系统  10
  1.5 小课题的研究任务  10-11
  1.6 资助本课题的专项研究基金  11-12
第二章 模块化机械臂运动学分析  12-23
  2.1 空间描述  12-13
    2.1.1 位置描述  12
    2.1.2 方位描述  12-13
    2.1.3 位姿描述  13
  2.2 正运动学方程及求解  13-15
    2.2.1 连杆坐标系建立  13-14
    2.2.2 建立正运动学求解变换矩阵  14-15
  2.3 逆运动学方程及水解  15-19
    2.3.1 逆运动学方程求解概述  15
    2.3.2 代数法对逆运动学方程求解  15-19
  2.4 实验及分析  19-22
    2.4.1 止运动学方程验证  19-21
    2.4.2 逆运动学方程验证  21-22
  2.5 本章小结  22-23
第三章 目标识别  23-31
  3.1 图像预处理  23-24
    3.1.1 图像采集与数字化  23-24
  3.2 图像去噪  24-27
    3.2.1 椒盐噪卢滤波  24-26
    3.2.2 高斯噪声滤波  26
    3.2.3 滤波图像输出  26-27
  3.3 图像分割  27-29
    3.3.1 灰度直方图  27
    3.3.2 FCM聚类  27-29
  3.4 特征提取实现  29
  3.5 本章小结  29-31
第四章 基于位置的视五£伺服控制系统  31-37
  4.1 机械臂视觉伺服系统  31-32
  4.2 成像几何  32-33
  4.3 摄像机标定  33-36
    4.3.1 常用坐标系及变换  33-35
    4.3.2 摄像机标定模型  35-36
  4.4 本章小结  36-37
第五章 模块化机械臂控制系统及实验分析  37-58
  5.1 关节模块模糊PID控制算法设训与实现  37-43
    5.1.1 输入、输出变量模糊语言描述  38
    5.1.2 模糊控制规则表  38-40
    5.1.3 模糊推理  40
    5.1.4 建立模糊PID控制器的仿真模型  40-42
    5.1.5 建立实验对缘模型  42
    5.1.6 实验分析  42-43
  5.2 手臂末端直线插补轨迹规划算法  43-45
    5.2.1 位置插补  43-44
    5.2.2 姿态插补  44-45
  5.3 关节模块B样条插补轨迹规划算法设计与仿真  45-52
    5.3.1 等距B样条函数定义  45
    5.3.2 四阶三次B样条轨迹插补算法  45-47
    5.3.3 边界点求解  47-48
    5.3.4 B样条曲线求解  48-50
    5.3.5 算法仿真  50-52
  5.4 运动规划实验及分析  52-57
    5.4.1 手臂末端运动舰划实验  52-55
    5.4.2 关节模块运动规划实验  55-57
  5.5 本章小结  57-58
第六章 结束语  58-59
  6.1 论文的主要工作  58
  6.2 论文的创新点  58
  6.3 进一步的研究工作  58-59
参考文献  59-63
研究生期间阶段性工作  63-64
致谢  64

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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
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