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面向微操作的微小型机器人视觉伺服技术研究

作　者: 宋宇
导　师: 孙立宁
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 微小型机器人微操作图像处理自动聚焦实时视觉伺服
分类号: TP242.2
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 614次
引　用: 4次
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内容摘要

面向微操作的微小型机器人作为典型的微机电系统,具有体积小、运动灵活、能够进入一般机械系统无法进入的狭窄作业空间进行检测和维护等特点而在微操作领域有着广泛的应用前景,已成为国内外诸多公司、研究机构、大学的一个新的研究热点,其发展目标是构建以微小型机器人为基础的自动化微装配作业桌面工厂。在国家“863”计划MEMS重大专项资助和大量调研工作的基础上,本文以为面向微操作的微小型机器人设计智能化的实时视觉伺服系统为主线、以利用视觉来指导微小型机器人自主进行微操作作业为目的,展开课题研究。在分析典型微操作系统组成的基础上,建立了基于微小型机器人的微操作系统。首先分析了微操作系统的各个硬件组成部分,包括宏/微双重驱动微小机器人及外部全局—显微形式的两级视觉传感器系统与一维微力觉传感器系统。然后对微操作系统的控制结构进行了简要描述。全局视觉系统监控机器人运动空间、实时提取机器人位姿参数并引导机器人在微操作系统工作平台上进行快速、大范围运动。针对微小型机器人的全局视觉伺服控制问题,提出了基于标记的机器人位姿参数实时测量方法;设计了基于图像的动态Look-and-Move形式的全局视觉伺服控制器和基于运动检测的微夹持器末端搜索策略来引导机器人快速地运动到微操作区域附近并使其微夹持器末端准确地进入光学显微镜的视场范围,为进一步利用更高测量分辨力的显微视觉信息来指导机器人完成微操作任务做好准备。显微视觉系统的主要作用是分析微操作场景图像后测量微操作工具和微操作对象的相对位置关系,进而控制微操作工具向操作目标运动。自动聚焦、显微图像分割、显微图像跟踪和显微图像伺服是实现这一目的几个关键问题。为实现自动聚焦,构造了基于SUSAN算子的图像清晰度评价函数,设计了爬山搜索—聚焦曲线拉格朗日拟合定位的新型图像清晰度评价函数最大化搜索策略以实现快速聚焦的目的;在显微图像分割方面,设计了Canny边缘检测与Hough变换结合的提取显微目标结构参数的处理方法,并对Hough变换存在计算量大、精度低的缺陷进行了有效改进;针对微操作工具的实时显微图像跟踪问题,利用归一化自相关匹配算法构造图像跟踪器,并设计手眼协调和模板切分亚采样策略来实现实时跟踪机器人夹持器末端、实时获取其位置参数的目的;在微小型机器人的显微视觉控制方面,从动态的角度出发实现了机器人微运动姿态的测量,设计了有限状态机形式的2D显微视觉控制器来引导微夹持器末端向操作目标运动和基于Depth-From-Focus原理的机器人微夹持器末端深度方向控制策略。最后,从实时视觉伺服系统的实现角度,设计了基于共享内存通讯的双进程并发视觉计算系统软件构架。然后以视觉引导微小型机器人完成微小零件的夹取、搬运和视觉、微力觉引导机器人完成微小零件的组装等典型微操作任务为背景展开实验研究。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
第1章绪论  14-31
  1.1 引言  14-15
  1.2 基于微小型机器人的微操作系统研究现状  15-25
    1.2.1 微操作的特点与微操作系统的结构组成  15-17
    1.2.2 国外的研究现状  17-23
    1.2.3 国内的研究现状  23-24
    1.2.4 基于微小型机器人的微操作系统对视觉的特殊要求  24-25
  1.3 微操作机器人视觉关键技术研究综述  25-29
    1.3.1 光学显微镜自动聚焦与深度信息获取技术研究现状  25-26
    1.3.2 图像分割与目标识别技术研究现状  26-27
    1.3.3 图像跟踪技术研究现状  27-28
    1.3.4 视觉伺服技术研究现状  28-29
  1.4 课题来源和本文主要研究内容  29-31
第2章基于微小型机器人的微操作系统的建立  31-42
  2.1 引言  31
  2.2 基于微小型机器人的微操作系统构建  31-32
  2.3 宏／微双重驱动微小型机器人  32-35
    2.3.1 宏／微双重驱动移动定位单元  33-34
    2.3.2 微操作器单元  34-35
  2.4 微小型机器人视觉系统的研制  35-39
    2.4.1 全局视觉系统硬件配置与性能参数  36-38
    2.4.2 显微视觉系统硬件配置与性能参数  38-39
  2.5 一维微力觉传感器  39-40
  2.6 基于微小型机器人的微操作系统控制体系结构  40-41
  2.7 本章小结  41-42
第3章微小型机器人全局视觉伺服技术研究  42-68
  3.1 引言  42
  3.2 机器人在全局视野下的初始位姿参数获取  42-49
    3.2.1 机器人在全局图像中的位姿定义  42-43
    3.2.2 机器人在全局图像中的三点定位方法  43-44
    3.2.3 机器人宏运动零半径原地回转中心的确定与姿态修正  44-45
    3.2.4 三个LED 标记的多目标图像分割方法  45-49
  3.3 全局视觉实时机器人位姿图像跟踪  49-51
    3.3.1 基于动作手眼协调的图像跟踪  49-50
    3.3.2 机器人跟踪状态下的LED 标记搜索  50-51
  3.4 机器人全局视觉伺服控制  51-67
    3.4.1 机器人全局视觉伺服控制结构分析  52
    3.4.2 机器人在全局视野下的运动规划  52-55
    3.4.3 全局视觉伺服控制器的设计  55-59
    3.4.4 机器人全局视觉伺服控制的仿真试验  59-63
    3.4.5 基于运动检测的夹持器末端搜索策略  63-67
  3.5 本章小结  67-68
第4章微小型机器人显微视觉伺服技术研究  68-99
  4.1 引言  68
  4.2 自动聚焦技术  68-78
    4.2.1 被动式自动聚焦中图像清晰度函数分类及分析  68-69
    4.2.2 基于SUSAN 算子的图像清晰度函数  69-74
    4.2.3 图像清晰度全局最大化搜索策略  74-77
    4.2.4 自动聚焦实验  77-78
  4.3 基于边缘检测的显微目标分割技术  78-84
    4.3.1 Canny 图像边缘检测  79-80
    4.3.2 改进Hough 变换提取解析曲线  80-84
  4.4 基于互相关匹配测度的显微视觉实时跟踪  84-90
    4.4.1 模板匹配原理与分析  85-87
    4.4.2 机器人微夹持器末端的模板提取  87-88
    4.4.3 基于手眼协调的显微图像实时模板匹配跟踪  88-90
  4.5 机器人在显微视场中的2D 运动规划与伺服控制  90-95
    4.5.1 机器人在显微视场内的2D 运动规划  91-92
    4.5.2 机器人微运动的2D 显微视觉控制  92-95
  4.6 机器人夹持器末端深度方向控制  95-98
    4.6.1 Depth-From-Focus 深度信息获取技术  95-97
    4.6.2 机器人夹持器末端的深度方向位置控制策略  97-98
  4.7 本章小结  98-99
第5章实时视觉系统软件构架与微操作实验研究  99-116
  5.1 引言  99
  5.2 实时视觉系统软件构架  99-104
    5.2.1 实时图像采集  99-101
    5.2.2 并行视觉系统软件构架  101-102
    5.2.3 基于共享内存进程间通讯的并发视觉伺服系统  102-103
    5.2.4 人机交互系统软件  103-104
  5.3 微操作实验研究  104-115
    5.3.1 视觉控制微小型机器人进行微轴套零件的夹取作业  105-108
    5.3.2 视觉控制微小型机器人进行微轴套的搬运作业  108-109
    5.3.3 显微视觉、微力觉混合控制微小型机器人进行微装配作业  109-114
    5.3.4 实验结果讨论  114-115
  5.4 本章小结  115-116
结论  116-118
参考文献  118-127
攻读学位期间发表的学术论文  127-130
致谢  130-131
个人简历  131

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