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基于机器视觉的机器人运动控制研究pdfdoc.doc
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基于机器视觉的机器人运动控制研究pdfdoc.doc
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摘要
经过了 50多年的发展,机器人技术在工业领域得到了广泛的应用,已成为
工业现代化的重要标志。现阶段的工业机器人大部分还是利用“示教—再现”方
式完成各项工作的,机器人只能完成点到点的动作,生产线的柔性较差。机器视
觉具有获取信息量大、检测精度高、检测范围广等特点。将机器视觉应用于工业
机器人,可以使机器人自主完成对目标的检测和判断,提高了机器人对外部环境
适应能力。
本文以 REBOT-V-6R关节型工业机器人系统为基础,对基于视觉的工业
机器人运动控制进行研究。机器人原有控制系统功能简单,只能对单一物体
进行简单地识别和抓取。本文通过对机器视觉图像处理技术和机器人运动控
制的研究,对机器人图像处理,目标定位和运动控制的方法进行了改进。主
要工作内容如下:
第一,对图像处理的理论进行研究,通过对比分析不同方法的处理效果,
改进了机器人的图像处理算法。通过预处理提高图像质量,运用阈值法进行
图像分割,对分割的图像进行边缘检测和轮廓的提取。得到了图像中各物体
的轮廓矩,通过轮廓的最小外接矩形计算图像中各物体的质心坐标。
第二,对机器人进行运动学分析,采用 D-H方法对工业机器人进行运动
学建模,建立机器人的正、逆运动学方程并求解,为机器人的运动控制程序的
改进提供理论依据。在机器人运动学分析的基础上,完成机器人搬运动作的设
计。
第三,进行目标定位实验,完成了多目标的识别定位,得到了各目标物体的
质心坐标;以定位实验得到的坐标数据为基础,进行抓取搬运实验,将目标识别
的所有物体连续搬运到了指定位置。实验结果表明,目标定位准确,抓取搬运动
作平稳流畅,达到了预期的目标。
关键词:工业机器人;机器视觉;图像处理;运动学分析
I
华北电力大学硕士学位论文
Abstract
After more than 50 years of development, the robot has already been widely
applied in every industry fields and become the important standard of industry
modernization. However, most industrial robots work in the “teaching-recurrence ”
mode at present. Robots can only complete point-to-point movements in the working
mode, so the flexibility of production line is unsatisfactory. Robots have the feature of
processing a large amount of information, high accuracy of detection, wide range
detection and so on. The machine vision applied to industrial robots, robots can
complete the target detection and judgment independently to improve the ability to
adapt to the external environment.
The paper studies on the visual industrial robot motion control on the basis of
REBOT-V-6R articulated industrial robot systems. The original robot control system
has simple features, and can only easily crawl and identify single objects. This paper
improves the robot on the method of image processing, target location and motion
control by the study of visual image processing and motion control. The main
contents are as follows:
Firstly, Researching the image processing theories and improving the image
processing algorithm of the robot by comparing and analyzing the effect of different
treatment methods. And improving the image quality by pre-processing, using
thresholding method to do image segmentation, and then finish edge detection and
contour extraction for the image. Calculate the center of mass by calculating the
minimum enclosing rectangle of the contour on the base of image contours.
Secondly,Using D-H method for industrial robot kinematics modeling and
analying the robot’s kinematics, building the robot forward and inverse kinematics
equations and providing a theoretical for improving the robot motion control program.
completting the design of a robot moving action accroding to the kinematic analysis.
Thirdly, Doing the targeting experiments and identify the location of the
multi-target, then get the coordinates of the centroid of each target object; according
to coordinate datas on the basis of experiments conducted crawl handling experiments,
all objects continuously moving target identification to specified location. The results
show that targeting is accurate, handling and rawling actions are so smoothly, and the
experiment achieved the desired goal.
Keywords:Industrial Robot;Machine Vision;Image Processing;Kinematics Analysis
II
华北电力大学硕士学位论文
目录
摘要............................................................................................................................ I
ABSTRACT.................................................................................................................. II
第 1章绪论..................................................................................................................1
1.1选题背景及其意义............................................................................................1
1.2国内外机器人视觉的研究现状........................................................................2
1.2.1国外研究现状............................................................................................2
1.2.2国内研究现状............................................................................................4
1.3本文的主要研究内容和结构安排....................................................................5
第 2章工业机器人系统及摄像机的标定..................................................................7
2.1工业机器人系统构成........................................................................................7
2.2摄像机的标定..................................................................................................10
2.2.1摄相机模型的建立..................................................................................10
2.2.2坐标变换..................................................................................................11
2.2.3摄像机内外参数求取..............................................................................14
2.2.4摄像机标定实验......................................................................................16
2.3本章小结..........................................................................................................20
第 3章图像处理与目标定位....................................................................................21
3.1图像的预处理..................................................................................................21
3.1.1对比度增强..............................................................................................21
3.1.2平滑处理..................................................................................................24
3.2图像的分割......................................................................................................26
3.3边缘检测及轮廓提取......................................................................................29
3.4目标定位..........................................................................................................30
3.5本章小结..........................................................................................................32
第 4章工业机器人运动控制....................................................................................33
4.1机器人位姿的描述..........................................................................................33
4.1.1位置描述..................................................................................................33
4.1.2姿态描述..................................................................................................33
4.1.3位姿描述..................................................................................................34
4.2工业机器人运动学分析..................................................................................34
III
华北电力大学硕士学位论文
4.2.1参考坐标系的建立..................................................................................35
4.2.2运动学正解..............................................................................................37
4.2.3运动学反解..............................................................................................37
4.3机器人运动控制的设计..................................................................................42
4.3.1机器人运动控制编程基础......................................................................42
4.3.2机器人运动规划......................................................................................43
4.4本章小结..........................................................................................................46
第 5章目标定位与机器人抓取搬运实验................................................................47
5.1目标定位实验..................................................................................................47
5.2机器人抓取搬运实验......................................................................................48
5.3本章小结..........................................................................................................51
第 6章结论与展望....................................................................................................52
6.1结论..................................................................................................................52
6.2展望..................................................................................................................52
参考文献......................................................................................................................54
攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果..............................................................56
致谢............................................................................................................................57
IV
华北电力大学硕士学位论文
第 1 章绪论
1.1选题背景及其意义
自从上个世纪六十年代初世界上第一台机器人在美国诞生以后,机器人便表
现出了它强大的生命力,经过了半个多世纪的飞速发展,已被广泛的应用于工业
生产的各个领域。机器人技术是多种学科的交叉融合,涉及计算机、机械、控制
论、信息通讯、仿生学等诸多方面,伴随着相关学科的发展,机器人技术的研究
发展也在逐步深入。机器人的应用程度与研究水平已成为一个国家工业生产自动
化水平的标志 [1]。全世界很多国家都已经把机器人技术作为重点科学研究的项
目。工业机器人的研究与应用必将对工业的生产和人们的生活起到更加重要的作
用。
机器人最早被应用于工业生产,在工业生产中应用越来越广泛,在机器人技
术中逐渐产生了“工业机器人”这一特定领域。近年来,越来越多的企业开始引
进工业机器人,进入工业生产的流水线。因为工业机器人工作效率高、重复定位
精度高、使用寿命长,而且能够长时间持续、高效的工作,可以提高工作效率,
保障生产产品的质量,因此被广泛应用于各个行业[2]。现阶段工业机器人可以取
代人工进行焊接、装配、加工、喷涂、码垛等作业,大大促进了机械制造、货物
储运、电子设备装配等领域的发展[3]。
工业机器人是 FMS(柔性制造系统,英文全名 Flexible Manufacture System)
的重要组成,机器人具有良好的适应性和灵活性,是自动化生产系统中不可或缺
的重要部分[4]。现今,在全球各行业的生产线上工作着数以百万的不同类型工业
机器人,不过这些工业机器人绝大部分是通过预编程或者“示教—再现”来完成
工作的。机器人的位姿和每一个动作都是被规定好的,它们只不过是进行着从一
个位置点到另一个位置点的固定动作。但有些时候,作业对象会因为变形或者偏
移导致位置的变化,这样一来,机器人只通过示教是很难完成对目标物体的处理
的。机器人不能在复杂多变的工作环境中保持高效率、高质量的工作状态,这就
大大限制了工业机器人的实际应用范围。
随着自动化生产制造水平的不断提高,对生产线柔性的要求也越来越高,对
扩大工业机器人的应用领域,提高其灵活性、自主性的要求也日益迫切。而要想
提高机器人的“智力”,使其拥有一定的自主性,首先要做的是提高机器人对自
身环境的了解,所以人们开始为机器人安装传感器来提高机器人对环境的感知能
力。从世界上几十年来对智能机器人的研发实例中,不难看出机器人的感觉能力
中最重要的就是机器人的视觉。眼睛是人类的重要感知器官,视觉是人类观察和
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