基于机器视觉的工业机器人抓取技术的研究

华中科技大学硕士学位论文基于机器视觉的工业机器人抓取技术的研究姓名：董文辉申请学位级别：硕士专业：机械工程指导教师：叶伯生2011-05-25华中科技大学硕士学位论文  I摘 要 目前在生产线上工作的搬运工业机器人大都是通过示教或预编程对其进行操作的，这样操作目标物体的初始位姿和终止位姿都是严格限定的，机器人只是完成点到点的动作，这样一来，生产线的柔性就很差，满足不了柔性生产系统对物料输送系统的要求。在这种情况下，为保证搬运工业机器人顺利高效的完成工作任务，引入视觉识别和定位就显得很有必要。小批量多品种的生产模式是未来制造业的发展趋势。而示教和离线编程会花费大量的生产准备时间，生产效率的问题将尤为突出。本文研究的目的是对生产线上的工业机器人控制系统进行开发设计，将计算机视觉技术引入原有的搬运工业机器人领域，利用机器视觉技术获取工件及其周围环境的信息，识别出所要操作的目标工件，并能做出决策来引导工业机器人完成对工件的抓取和放置等操作，提高生产线上工业机器人的柔性和智能水平。本文提出了一种基于五轴工业机器人系统中加入计算机视觉的解决方案。主要的研究工作如下：提出了一种简单且准确度较高的实现单目摄像机标定的方法，；对五轴机器人的运动学进行了分析并实现了目标定位；通过以太网实现了上下位机的通信；针对实验抓取的特定目标物体设计了手爪的夹持规划；根据机器人软件平台的特点，采用两种方案对控制软件进行开发设计：通过操作控制面板上特定按键实现视觉控制视觉控制和通过执行宏变量程序实现视觉控制。关键词五轴工业机器人，摄像机标定，位姿计算，上下位机通信，夹持规划华中科技大学硕士学位论文  IIAbstractAtpresent,theindustrialrobotsforcarryingwhichareusedinproductiongenerallyutilizeteachingorpre-programmingmode.Underthisways,operationofinitialobjectposeandterminateposeislimitedstrictly.Robotscanonlycompletepoint-to-pointmovements.Sotheflexibilityofproductionlineisunsatisfactory,cannottomeettheflexileproductionsystem’srequirementsformaterialconveyingsystem.Inthiscase,itisnecessarytointroducevisualidentificationandpositioningtoensurethesmoothandefficienthandingindustrialrobottask.Theproductionmodeofsmallbatchbutmanyvarietiesisthedevelopmenttrendoffuturemanufacturing,anddemonstrationandoff-lineprogrammingwillcostalotoftimetoprepareforproduction,theproductionefficiencyproblemwillbeparticularlyoutstanding.Thepurposeofthisstudyistodesignthelineofindustrialrobotcontrolsystem.Bytakingcomputervisiontechnologyintotheoriginalhangingindustrialrobotfield,usingthemachinevisiontechnologyacquiretheinformationofworkpieceanditssurroundingenvironment,identifythetargetworkpiecetooperateandmakedecisiontoguideindustrialrobotstofinishthegrabandplaceoperationtoimprovetheflexibilityandintelligencerobots.Thispaperputsforwardasolutiontojoincomputervisioninwhichbasedonthefiveaxisindustrialrobotsystem.Themainresearchworkareasfollows:puttingforwardasimpleandaccuratemethodtorealizethemonocularcameracalibration;analysingkinematicsofthefiveaxisofrobotandrealizingthetarget;throghtheEthernettorealizethecommunicationsbetweenfluctuationplacemachine;designingtheclampingpianningofthepaw,aimedattheparticulartargetobjectthatgrabbedintheexperiment;accordingtothecharacteristicsoftherobotsofewareplatform,byusingtwokindsofschemestodesignthecontrolsoftwaretorealizethevisualcontral:throughtheoperationpanelonthespecialkeysachievevisualcontrolandthroughperformsmacrovariableprogramrealizationvisualcontrol..Keywordsfive-axisindustrialrobots,cameracalibration,poseestimation,fluctuationplacemachinecommunication,Clampingplanning  独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：            日期：    年    月    日      学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于 （请在以上方框内打“√”）  学位论文作者签名：       指导教师签名： 日期：    年    月    日   日期：    年   月    日保密□，在         年解密后适用本授权书。 不保密□。 华中科技大学硕士学位论文  11   绪论 1.1工业机器人的现状与发展趋势机器人作为一种最典型的应用范围广、技术附加值高的数字控制装备，在现代先进生产制造业中发挥的作用越来越重要，机器人技术的发展将会对未来生产和社会发展起到强有力的推动作用。《2l世纪日本创建机器人社会技术发展战略报告》指出，“机器人技术与信息技术一样，在强化产业竞争力方面是极为重要的战略高技术领域。培育未来机器人产业是支撑2l世纪日本产业竞争力的产业战略之一，具有非常重要的意义。”[1]。研发工业机器人的初衷是为了使工人能够从单调重复作业、危险恶劣环境作业中解脱出来，但近些年来，工厂和企业引进工业机器人的主要目的则更多地是为了提高生产效率和保证产品质量[2]。因为机器人的使用寿命很长，大都在10年以上，并且可以全天后不间断的保持连续、高效地工作状态，因此被广泛应用于各行各业，主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业[5]。伴随着工业机器人研究技术的成熟和现代制造业对自动生产的需要，工业机器人越来越被广泛的应用到现代化的生产中。现在机器人的价格相比过去已经下降很多，并且以后还会继续下降，但目前全世界范围的劳动力成本都有所上涨，个别国家和地区劳动力成本又很高，这就给工业机器人的需求提供了广阔的市场空间，工业机器人销量的保持着较快速度的增长。工业机器人在生产中主要有机器人工作单元和机器人工作生产线这两种应用方式，并且在国外，机器人工作生产线已经成为工业机器人主要的应用方式[4]。以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量的柔性生产发展方向，具有广阔的市场发展前景和强劲生命力，已开发出多种面向汽车、电气机械等行业的自动化成套装备和生产线产品[2]。在发达国家，机器人自动化生产线已经应用到了各行各业，并且已经形成一个庞大的产业链。像日本的FANUC和MOTOMAN、瑞典的ABB、德国的KUKA、意大利的COMAU等都是国际上知名的被广泛用于自动化生产线的工业机器人。这些产品代表着当今世界工业机器人的最高水平。华中科技大学硕士学位论文  2我国的工业机器人前期发展比较缓慢。当将被研发列入国家有关计划后，发展速度就明显加快。特别是在每次国家的五年规划和“863”计划的重点支持下，我国机器人技术的研究取得了重大发展。在机器人基础技术和关键技术方面都取得了巨大进展，科技成果已经在实际工作中得到转化。机器人涉及到多学科的交叉融合，涉及到机械、电子、计算机、通讯、控制等多个方面。在现代制造业中，伴随着工业机器人应用范围的扩大和机器人技术的发展，机器人的自动化、智能化和网络化的程度也越来越高，所能实现的功能也越来越多，性能越来越好。机器人技术的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实在动作功能的智能化系统。”[3]目前，工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面[2]。1.2视觉工业机器人的应用和研究现状伴随着科技的进步和生产技术的发展，基于机器视觉技术的工业机器人的研究越来越得到广泛的关注，并且已经出现一大批科技成果，并在实际生产中得到了很好的应用。国外在对基于机器视觉的工业机器人的研究上已经做了很多工作，并且已经有很多突破性成果。日本学者S.Murakami等研究的弧焊机器人焊缝跟踪控制系统，采用了视觉传感器并用神经网络进行图像处理以获得焊缝的形状数据，能有效地进行焊缝跟踪[5]。澳大利亚Western大学研制的Australia’sTelerobot，它是一个带有摄像机的具有六个自由度的工业机器人，用户可以控制拍摄静态图像并对图像进行处理，生成空间位置，通过不断拍摄和更新图像得到空间位置后，通过对位置信息的处理实现了基于空间坐标系的积木块的摆设。欧宝、保时捷等知名品牌汽车的生产线，使用了12台摄像机进行模式识别和3D定位[6,8]，可以对车身进行高精度的密封生产；。瑞士SIG公司研发的一种结合视觉系统，适用在高速输送机上取件的并联机器人XR22，可以通过2D定位[5]，迅速将输送机上随机的货物抓取，并在包装盒中按顺序序摆放整齐。图1.1为2007年日本机器人顶级荣誉获得者——Fanuc公司的超快双臂工业机器人系统。该系统装配有两个华中科技大学硕士学位论文  3M-430iA机器人手臂和可视跟踪功能的食品、药品操作系统，它的每只手臂每分钟可以精确的捡起120件物品且可以每天24小时不间断的工作。瑞典ABB公司最新推出的