机械臂重力补偿装置的随动系统的设计与实现
这是一篇关于微重力模拟,随动系统,视觉伺服,PID控制器,卡尔曼滤波的论文, 主要内容为随着我国探月工程的发展,对月球机械臂的地面模拟(微重力模拟)试验变得越来越重要。当前,微重力模拟的方法主要有气浮法、水浮法、落塔法和悬吊法等。其中,悬吊法主要是通过吊丝拉力来补偿机械臂自身的重力,本系统中只需要补偿机械臂重力的5/6。由于悬吊法具有结构简单、易于实现且能够进行三维模拟等特点,是目前各国广泛采用的微重力模拟方法之一。本课题设计并实现了机械臂重力补偿装置的随动系统。机械臂重力补偿装置用来补偿机械臂5/6的重力,为其地面试验提供月球微重力的力学环境;随动系统在机械臂运动过程中使重力补偿装置跟随机械臂运动;重力补偿装置以悬吊法实现,悬吊点位置的跟踪误差是影响地面试验的关键因素,较大的跟随误差将对机械臂产生水平方向的干扰力矩,破坏地面试验的力学环境。本课题提出了视觉伺服跟踪随动方法,设计并实现了一套微重力地面试验验证系统,有效地减小了随动误差,降低了重力补偿装置对机械臂产生的侧向干扰力矩。本文首先介绍了月球机械臂地面模拟试验装置的硬件结构;其次介绍了基于位置伺服的随动系统的整体结构,以及系统的可靠性设计;最后详细地介绍了随动系统个部分的设计与实现。图像作为整个系统的关键反馈信息,其成像质量直接影响着系统的精度,为了能够满足高精度、大视场、大景深、高频率的成像条件,本系统设计了一套基于激光测距仪及双相机的视觉测量系统。如何选取合适的图像特征,保证能够快速的检测目标并实现准确地定位是图像处理过程的关键。本系统设计了以LED光源主动发光为基础的目标标志器,提出了一套目标识别、检测和位置测量的方法。在传统的基于位置的随动系统中,总是跟随目标的运动在先,执行机构的随动在后,因此执行机构总是滞后于运动目标,难以减小随动过程中的位置偏差。针对此问题,本文提出了利用卡尔曼滤波对机械臂的运动进行估计的方法,以此来对执行机构的动作进行预测,提高随动系统的动态性能,该方法有效地减少了随动偏差。在执行机构的控制方面,为了简化控制器的设计,将控制器分为视觉控制器和执行机构控制器。执行机构控制器采用了PC机+PMAC运动控制卡的方式实现了数字PID控制。数字PID控制器简单可靠,PMAC运动控制卡能够实现同时对多个电机的控制且提供了良好的软件开放性,二者结合完美地实现了对执行机构的精确控制。经过实验验证,研制的机械臂重力补偿装置随动系统的各项性能指标满足地面实验的要求。
基于环境感知的AGV定位技术研究
这是一篇关于AGV,环境感知,全局定位,视觉伺服的论文, 主要内容为随着工业生产和物流领域的不断发展,AGV(Automated Guided Vehicle,自动引导车)作为自动化工厂里重要的物流运输设备之一,可以替代人工进行货物的搬运、货物的运输以及货物的分拣等机械性工作,可以很好的提高运输效率,同时降低运输成本,具有很高的市场应用价值。在AGV系统中,定位技术是AGV的关键技术之一,但是,定位的过程中会存在AGV的定位效率低、定位失效和定位不精确的问题,基于此,本文对基于环境感知的AGV定位技术进行研究:(1)为了提高AGV定位的效率、不占用太多的计算资源。首先构建一种激光雷达和相机传感器信息融合的环境模型,在环境地图的构建过程中建立带有AGV位姿标签的关键帧数据集,将该数据集传输到图像检索模型中进行深度学习,但是由于传统的Net VLAD图像检索模型的体积较大占用资源太多,不宜部署到AGV上,所以提出用MobileNetv3神经网络代替Net VLAD网络里的VGG-16卷积神经网络来提取图像特征,得到轻量化的MobileNetv3-VLAD模型,并利用知识蒸馏的方法训练该模型,训练结果与原始模型的性能很相近并且计算速度更快。(2)为了解决AGV定位失效的问题,引入初始化AMCL(Adaptive Monte Carlo Localization,自适应蒙特卡洛定位)粒子群算法。在循环迭代的过程中,重采样的粒子权重会逐渐减少,会出现不能满足定位的需求的情况,导致定位失效。所以在重采样阶段引入Augmented-MCL(Augmented Monte Carlo Method,增强蒙特卡洛方法)与KLD(Kullback-Leibler Divergence,库尔贝克-莱布勒散)采样相结合的算法,自适应的改变粒子的数量;当机器人被绑架,粒子权重突然下降时,则再次全局播撒粒子,重新对粒子重采样。(3)为了实现AGV的精确定位,引入视觉伺服控制。基于SLAM(Simultaneous Localization and Mapping,同时定位与建图)技术的AGV定位由于目前技术的局限性,AGV只能到达工作区域而不能精确到达工位,所以引入单目相机,获取当前位置图像信息,将“当前图像”与“期望图像”的目标特征做对比,计算特征误差信息,并将其输入到视觉伺服控制器,从而控制AGV到达指定位置。其中,求解图像雅可比矩阵(Image Jacobian Matrix,又称交互矩阵)来描述图像特征变化与AGV位姿变化之间的关系。对上述提出的定位方法进行实验测试,实验结果表明:MobileNetv3-VLAD图像检索模型的平均运行时间相对于Net VLAD图像检索模型的运行时间大大减少,可以有效提高AGV的定位效率。初始化AMCL算法粒子不仅解决AGV定位突然失效的问题,而且降低了AGV的定位时间,同时提高了AGV定位的成功率。最后验证了视觉伺服控制可以提高AGV定位的精确度,实现AGV的精确定位。
面向自动配线机器人的视觉识别与引导的关键技术研究
这是一篇关于插线系统,机器视觉,线缆抓取,位姿估计,视觉伺服的论文, 主要内容为随着电器设备的发展智能化、复杂化,电器内部或外接的电路也随之变得愈加复杂。而在这些四通八达的电路中,线缆和连接器是组成每一条电路的基本单元。传统的电路和电器元件的连接基本是靠人工完成,通过固定好连接器和线路板,根据规划的路线进行插接。这样大量重复的工作即耗时又繁琐,需要花费较多人力来完成。因此,在许多电器制造厂中,急需开发一套可以应用与生产流水线上的自动配线设备。本文从实际的厂家需求出发进行方案设计,并基于工业机器人与机器视觉技术分别对线缆端子的识别、线缆的抓取、端子位姿估计与调整和末端视觉引导等环节进行视觉处理关键算法的设计,并在搭建的工业机器人自动插线系统平台上进行验证。本文主要研究工作如下:(1)线缆端子的识别与线缆拾取位姿的计算。首先,通过标定建立机器人、随动相机以及它们之间坐标转换关系,随后通过研究改进YOLOv5模型提高对线缆端子检测能力,提出一种结合端子信息的线缆线体分割方法,并实现对线缆的局部关键点的立体匹配从而通过双目三角测距原理求出线缆的拾取位姿;(2)线缆端子的角度估计和角度调整方案。针对拾取后的线缆端子具有不确定的姿态,无法直接在机器人末端进行调整,设计了一个线缆端子角度调整的方案,包括设计了相应的旋转辅助机构,提出了一种基于时间一致性的多视图回归判别模型,该模型可以通过将多视图中的线缆端子局部图像特征作为输入,预测线缆端子与目标状态的偏差值,并可通过旋转辅助机构进行端子角度调整,从而使端子具有入孔的姿态;(3)基于末端视觉伺服的插线引导系统。插线过程中,由于机器人末端夹持的线缆端子的具体位姿无法精确获得,设计了一种基于SVR无标定的视觉引导系统,根据目标图像的几何特点和配线任务的要求,选取了线缆端部与连接器外围轮廓的距离为特征值作为图像特征信息,研究了基于局部颜色概率直方图的非物体轮廓抑制方法对图像进行了处理,并提出了基于单行扫描直方图提取连接器外围轮廓的方法,完成图像特征值的计算方案。其次又学习分析了支持向量回归机理论基础,通过研究视觉伺服系统中表示手眼关系的映射模型设计出了基于SVR的视觉映射模型;(4)实验平台的搭建及相关算法的测试与检验。根据设计方案搭建实验平台,编制插线系统控制程序。接着,基于实验平台对线缆端子检测算法、线缆拾取、线缆端子角度调整和插线作业的闭环视觉引导算法进行实验验证。通过上述工作,本文完成了工业机器人自动插线系统设计,实现了多个插线步骤的视觉检测和引导的关键算法设计,并通过搭建的样机进行了验证。本文工作有望为产线提供一种自动化插线的解决方案。
机械臂重力补偿装置的随动系统的设计与实现
这是一篇关于微重力模拟,随动系统,视觉伺服,PID控制器,卡尔曼滤波的论文, 主要内容为随着我国探月工程的发展,对月球机械臂的地面模拟(微重力模拟)试验变得越来越重要。当前,微重力模拟的方法主要有气浮法、水浮法、落塔法和悬吊法等。其中,悬吊法主要是通过吊丝拉力来补偿机械臂自身的重力,本系统中只需要补偿机械臂重力的5/6。由于悬吊法具有结构简单、易于实现且能够进行三维模拟等特点,是目前各国广泛采用的微重力模拟方法之一。本课题设计并实现了机械臂重力补偿装置的随动系统。机械臂重力补偿装置用来补偿机械臂5/6的重力,为其地面试验提供月球微重力的力学环境;随动系统在机械臂运动过程中使重力补偿装置跟随机械臂运动;重力补偿装置以悬吊法实现,悬吊点位置的跟踪误差是影响地面试验的关键因素,较大的跟随误差将对机械臂产生水平方向的干扰力矩,破坏地面试验的力学环境。本课题提出了视觉伺服跟踪随动方法,设计并实现了一套微重力地面试验验证系统,有效地减小了随动误差,降低了重力补偿装置对机械臂产生的侧向干扰力矩。本文首先介绍了月球机械臂地面模拟试验装置的硬件结构;其次介绍了基于位置伺服的随动系统的整体结构,以及系统的可靠性设计;最后详细地介绍了随动系统个部分的设计与实现。图像作为整个系统的关键反馈信息,其成像质量直接影响着系统的精度,为了能够满足高精度、大视场、大景深、高频率的成像条件,本系统设计了一套基于激光测距仪及双相机的视觉测量系统。如何选取合适的图像特征,保证能够快速的检测目标并实现准确地定位是图像处理过程的关键。本系统设计了以LED光源主动发光为基础的目标标志器,提出了一套目标识别、检测和位置测量的方法。在传统的基于位置的随动系统中,总是跟随目标的运动在先,执行机构的随动在后,因此执行机构总是滞后于运动目标,难以减小随动过程中的位置偏差。针对此问题,本文提出了利用卡尔曼滤波对机械臂的运动进行估计的方法,以此来对执行机构的动作进行预测,提高随动系统的动态性能,该方法有效地减少了随动偏差。在执行机构的控制方面,为了简化控制器的设计,将控制器分为视觉控制器和执行机构控制器。执行机构控制器采用了PC机+PMAC运动控制卡的方式实现了数字PID控制。数字PID控制器简单可靠,PMAC运动控制卡能够实现同时对多个电机的控制且提供了良好的软件开放性,二者结合完美地实现了对执行机构的精确控制。经过实验验证,研制的机械臂重力补偿装置随动系统的各项性能指标满足地面实验的要求。
面向手机柔性组装的同轴理线系统研究
这是一篇关于柔性组装,通用软件,同轴理线,视觉伺服,运动控制的论文, 主要内容为目前,随着手机等3C产品的广泛普及,行业内对相关自动化生产设备的需求也在不断上升。因此,能够有效提升产品开发效率、降低设备维护成本的柔性生产技术正在成为该领域的重点发展方向。本文以手机装配中的同轴理线工序为研究对象,在一套柔性组装的结构方案下,进一步研究设计相应的通用自动化软件平台。通过模块化的思想,从软硬件层面对自动化设备的设计框架进行通用性扩展。并在此基础上完成对同轴理线机的实际开发工作,进行相关的实验与分析。首先介绍手机组装的模块化结构方案,并通过分析自动化加工流程的特点,利用C++动态组件系统——CTK进行通用软件的架构设计。定义统一的接口,提供将所需自动化工具封装为标准插件的方法。同时,实现可视化编辑组合工具插件,构成自动化加工流程的功能。流程的保存和运行则是通过可扩展标记语言XML驱动的方式来完成。接下来,在此软硬件框架下对同轴理线机进行模块化开发工作:首先分析同轴理线的具体加工工艺,完成其功能模块的结构设计,主要包括抓取弯折模块、压板下压模块等。又以PC+运动控制卡的控制方式构建同轴理线机的运动控制系统,完成相应的电机选型和I/O分配工作,并设计完整的自动化加工流程。之后搭建视觉伺服平台,为图像处理功能的实现提供硬件基础。针对视觉系统,首先通过单应性矩阵计算和最小二乘法拟合来分别完成手眼标定和旋转中心标定工作;在实际生产过程中设计Blob分析算法满足目标定位的需要;利用Mark点定位算法,提供加工过程中示教点位的纠偏功能;最后,设计改进的模板匹配算法,实现对同轴线线头位置和角度的自动计算功能。基于上述工作内容,对同轴理线机开展相关的实验测试与分析。首先进行视觉系统的标定精度分析以及关键运动轴的重复性定位精度测试。之后根据通用软件框架下的工具插件开发流程,将同轴理线机自动化运行过程中所用到的运动控制和视觉伺服等功能进行封装,并通过可视化编辑的方式将其组合为完整的自动化加工流程,进行上机测试。通过实际的加工实验,证明其满足工序的设计要求,并且同轴理线机的开发也能够验证将功能单机的软硬件框架设计方案应用到实际机型的可行性。
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