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《东华大学》 2011年
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冲裁上料机器人设计与视觉伺服系统的研究

田石祥  
【摘要】:冲压生产是当代机械加工和制造过程中一种重要的成型制造技术,具有速度快、效率高、材料利用率高、节约能源、污染少等优点,广泛应用于工业生产诸多领域中。随着先进制造技术的发展,冲压生产技术正在向精密化、高速化、自动化、柔性化的方向发展,采用自动化技术、机器人技术、伺服技术等先进制造技术手段,构成自动化冲压生产技术的重要发展方向。 视觉伺服系统一般由摄像机、图像预处理、图像理解、伺服控制器等部分组成,将视觉伺服系统同机器人相结合,使机器人具有同外部环境进行智能交互的能力,是当今机器人发展的一个主要方向。 本文以三自由度RRR关节型冲裁上料机器人(简称SR09)为原型,就其概念设计、运动学、动力学及视觉伺服系统和伺服控制器的设计进行了深入地研究,主要内容及成果如下: 第一章首先就冲压机器人对冲压生产自动化的影响、作用及意义进行了说明;对冲压机器人的种类与结构形式、与压力机的同步与协调方式及冲压自动化生产线全线的同步与协调方式等一系列问题进行分析和归纳。该章还讨论了机器人概念设计的方法对机器人这样的现代复杂的机电一体化系统的重要意义,分析了视觉伺服系统及其相关的图象处理、神经网络、模糊控制、机器人多传感器信息融合等技术的发展现状;论述了研究与开发冲压机器人及新一代的具有自治能力的智能冲压机器人对冲压生产自动化,提高企业的制造水平与能力,提高企业快速响应市场的能力的重要意义。 第二章介绍了UML建模语言的基本构成及作用,总结了使用UML建模语言进行系统概念设计的优越性。基于信息系统的建模理论,应用面向对象的软件工程方法,建立了基于UML的现代机械系统用例驱动的设计过程模型。总结分析了用例驱动方法进行机电系统概念设计的步骤及目标,并用这种方法进行了冲裁上料机器人SR09的概念设计,对设计的结果进行了运动学动力学的仿真。 第三章以串联关节式机器人(简称操作臂)为基础,构成操作臂的杆件被看作刚体,建立了SR09的连杆坐标系统和Denavit-Hartenbcrg描述体系及运动转换矩阵,给出了视觉系统坐标系,机器人本体坐标系及端拾器坐标系三者之间的关系,推导了SR09操作臂的运动学与动力学方程,并给出了方程的封闭正反解,开发了一种简洁实用基于牛顿欧拉方程的动力学算法,进行了动力学分析与仿真。 第四章是关于机器人轨迹生成与最佳工作位置计算,这里轨迹是指位置、速度,加速度在关节空间或笛卡尔空间的时间历程。内容包括了常用的轨迹生成方法,对SR09的直线、弧线组成的综合轨迹进行了有圆滑过渡与无圆滑过渡的对比仿真试验研究,提出了一种基于SR09的最佳工作位置的优化算法。 第五章讨论了视觉系统的构成与线性摄像机的模型及摄像机标定主要方法,给山了SR09的视觉系统的标定方式及相应的内、外参数矩阵。机器人的视觉系统主要由图像获取、图像处理两大部分构成。图像获取主要通过数码扫描仪、相机等数字化设备获取目标图像,图像处理主要经过数字滤波消除噪声,通过二值化算法,使彩色及各种灰度图像成为便于处理的黑白图像,经过边缘检测得到物体轮廓构造,通过图像分割得到所需的目标的图像坐标。该章提出了基于BP神经网络的工件识别算法,试验表明该算法能较好地解决SR09视觉系统进行工件识别的技术问题。 第六章研究eye-in-hand方式下单目、双目机械手视觉伺服控制及基于位置的模糊PID控制,给出了单目Eye-in-Hand配置和双目立体配置下的视觉伺服控制模块的基本原理。主要内容包括:分析研究了单目Eye-in-Hand配置下的图像雅可比矩阵和基于PD(比例微分)的机械手控制算法,以及基于双目立体视觉的机械手视觉伺服控制,分别给出了SR09针对5个与8个工件特征点及直线与圆弧轨迹跟踪在Eye-in-Hand配置下的仿真实验。为提高机器人的自主性与适应性,从改善其工作性能,该章采用分段控制的模糊PID控制器,使得模糊控制参数和规则在控制过程中根据误差及变化率自动地调整、修改,从而使系统的控制性能不断改善,达到最佳的控制效果。SR09对斜平面内圆弧轨迹追踪仿真试验结果表明模糊PID控制效果较好。 第七章是关于机器人多信息融合技术及控制。目前信息融合的方式主要有加权平均法,D-S证据法,产生式规则法,模糊理论与神经网络法。SR09机器人工作在物料抓取、搬运、物料放置的工作循环中,频繁与周围环境发生接触,保证机器人端拾器能够按规定的轨迹运动同时使其与环境的接触力在可接受的范围内十分重要。在没有力传感器的情况下,通过检测关节电机电流的变化了解关节力矩的变化,从而了解作用于操作臂末端的环境作用力的变化情况,产生接近觉,是控制机械臂精确安全定位,节省制造成本的一个好办法。该章讨论了视觉信息、力信息融合时,在无力传感器情况下基于关节电机电流反馈的力/位混合控制策略,实现了无力传感器情况下的机器人的接近觉反应,利用P.I.Corke博士的机器人工具箱构成了基于SR09的位置力矩控制仿真平台,进行了仿真试验。 第八章对全文作出总结,计划将进一步考虑SR09的弹性动力学及参数辩识问题,以使SR09向高速化与轻量化发展;同时,对SR09端拾器轨迹转折处的关节角轨迹的圆滑过渡曲线进行优化设计,以及视觉系统及物料识别的实时性问题将作进一步研究。
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TP242

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【引证文献】
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