機(jī)器人光電視覺(jué)控制理論及其應(yīng)用研究.pdf

1、機(jī)器人視覺(jué)控制系統(tǒng)利用機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行目標(biāo)信息采集，輔助系統(tǒng)完成閉環(huán)的反饋控制，與傳統(tǒng)的機(jī)器人控制技術(shù)相比，具有更高生產(chǎn)柔性和智能化水平。該控制系統(tǒng)適用于高速、高精度的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，是機(jī)器人領(lǐng)域的重要研究方向，具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和理論研究?jī)r(jià)值。本文針對(duì)影響系統(tǒng)效率和控制精度的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了研究，主要的研究?jī)?nèi)容和成果如下：
　?。?）使用Phong模型改進(jìn)透視變換匹配算法，提高算法效率
　　本文利用雙向反射分布函數(shù)（Bid

2、irectional Reflectance Distribution Function, BRDF）中的Phong模型，對(duì)基于邊緣的透視形狀匹配算法進(jìn)行改進(jìn)，減少算法的消耗時(shí)間，提高補(bǔ)強(qiáng)片自動(dòng)貼片系統(tǒng)（Auto Stiffener Bonder, ASB）的整體工作效率；
　　針對(duì)柔性電路板（Flexible Printed Circuit, FPC）ASB系統(tǒng)中傾斜目標(biāo)的匹配定位問(wèn)題，本文利用BRDF中的Phong模型，模擬目

3、標(biāo)在不同傾斜角度下光線的反射情況，使用圖像亮度預(yù)測(cè)目標(biāo)當(dāng)前姿態(tài)，更新計(jì)算模板，減小模板初始誤差，縮小搜索范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的方法能夠較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)目標(biāo)傾斜角度，角度預(yù)測(cè)誤差小于3度。在較大傾斜角度下，目標(biāo)整體匹配誤差在1.5個(gè)像素以?xún)?nèi)。相較未改進(jìn)的原匹配方法，減少了算法消耗時(shí)間65％，提高了系統(tǒng)整體工作效率14%；
　?。?）將Eye-in-hand二維標(biāo)定模型改進(jìn)為三維模型，提高標(biāo)定計(jì)算精度
　　針對(duì)可控自由度有限

4、的視覺(jué)機(jī)器人系統(tǒng)，本文提出的Eye-in-hand三維標(biāo)定模型能夠有效提高手眼標(biāo)定算法的計(jì)算精度，同時(shí)不受相機(jī)安裝姿態(tài)的限制；
　　針對(duì) FPCASB系統(tǒng)中的手眼標(biāo)定問(wèn)題，為了消除相機(jī)的安裝垂直度偏差對(duì)標(biāo)定結(jié)果帶來(lái)的誤差，本文對(duì)常規(guī)的Eye-in-hand二維標(biāo)定模型進(jìn)行改進(jìn)。利用標(biāo)定板得到相機(jī)的外參數(shù)，將外參數(shù)與常規(guī)的二維標(biāo)定模型相結(jié)合，從而擴(kuò)展為包括移動(dòng)相機(jī)完整姿態(tài)信息的三維模型，計(jì)算出移動(dòng)相機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)器人基礎(chǔ)坐標(biāo)系間的手眼

5、標(biāo)定矩陣。結(jié)果顯示，三維模型的標(biāo)定計(jì)算誤差小于0.1μm，相比使用二維模型降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，有效提高了標(biāo)定計(jì)算精度。同時(shí)，本文利用厚度較小的菲林修正手眼標(biāo)定矩陣的Z方向分量，修正后的ASB系統(tǒng)具有較高的定位精度，手眼標(biāo)定的誤差絕對(duì)值小于0.015 mm。以0.12 mm作為產(chǎn)品規(guī)格界限（Specification Limit, SL），系統(tǒng)在修正后的制程能力指數(shù)（Process Capability Index, CPK）從0.838提

6、高到5.389，有效減小了誤差均值，設(shè)備性能得到了大幅提高；
　?。?）針對(duì)FPCASB系統(tǒng)提出了新的誤差補(bǔ)償方法，減少了系統(tǒng)貼合誤差
　　針對(duì) FPCASB系統(tǒng)中的手眼標(biāo)定與機(jī)器人末端工具的旋轉(zhuǎn)和下壓動(dòng)作，本文提出的誤差補(bǔ)償方法能夠有效減少二者對(duì)系統(tǒng)貼合精度帶來(lái)的誤差。該方法快速實(shí)用，無(wú)需對(duì)標(biāo)定結(jié)果中各部分誤差進(jìn)行逐項(xiàng)檢測(cè)和計(jì)算；
　　本文利用齊次坐標(biāo)變換描述誤差在不同坐標(biāo)系間的耦合情況，并使用最小二乘法計(jì)算誤差模型

7、參數(shù)，用于建立誤差模型。結(jié)果表明，本文的誤差補(bǔ)償方法可將貼合誤差減小一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)對(duì)工具旋轉(zhuǎn)下壓動(dòng)作造成的貼合誤差進(jìn)行了補(bǔ)償，可進(jìn)一步減小28%的貼合誤差。系統(tǒng)在整個(gè)工作范圍內(nèi)的貼合精度為±0.046 mm@3sigma，針對(duì)補(bǔ)強(qiáng)片產(chǎn)品規(guī)格界限為0.1 mm的型號(hào)，本系統(tǒng)的CPK為2.19，表明系統(tǒng)能較好地滿(mǎn)足FPC補(bǔ)強(qiáng)片貼裝的高精度要求；
　?。?）設(shè)計(jì)的視覺(jué)伺服控制器無(wú)需使用濾波器結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度
　　本文設(shè)計(jì)的

8、自適應(yīng)控制器，無(wú)需使用濾波器對(duì)圖像速度進(jìn)行預(yù)測(cè)，避免引入了濾波器結(jié)構(gòu)，使得控制器結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單可靠。同時(shí)控制參數(shù)的減少使得參數(shù)整定難度降低，控制方法更容易工程實(shí)現(xiàn)；
　　為了減少圖像實(shí)際速度測(cè)量誤差對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響，本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)控制器無(wú)需測(cè)量目標(biāo)圖像速度，針對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)不確定的視覺(jué)機(jī)器人系統(tǒng)，能夠完成二維平面內(nèi)的軌跡跟蹤任務(wù)。設(shè)計(jì)的滑膜矢量一階導(dǎo)數(shù)不受圖像實(shí)際速度參數(shù)的影響，并提出新的圖像位置參數(shù)估計(jì)方法來(lái)代替圖像速度