基于雙目視覺的并聯(lián)機構(gòu)末端位姿檢測研究.pdf

1、并聯(lián)機構(gòu)及其并聯(lián)機器人具有剛性大、承載能力強、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、精度高、運動慣量小等優(yōu)點，被學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。以3自由度為代表的少自由度并聯(lián)機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、靈巧度好、工作空間大、容易控制、造價低等優(yōu)點成為機器人研究的新熱點。在并聯(lián)機構(gòu)控制中，末端位姿是反映機構(gòu)運動狀態(tài)的重要參數(shù)，精確測得機構(gòu)的末端位姿可有效避免通過運動學(xué)模型解算所帶來的誤差，這將利于實現(xiàn)并聯(lián)機構(gòu)的高性能控制。在并聯(lián)機構(gòu)末端位姿檢測的研究中，由于檢測設(shè)備昂貴、檢測方法復(fù)雜以及檢測

2、范圍有限等原因，末端位姿檢測仍是難點。相對于其它檢測手段，機器視覺具有非接觸、適用性強、高性價比等優(yōu)點，尤其適用于具有運動多自由度、運動軌跡復(fù)雜、難以直接檢測的并聯(lián)機構(gòu)末端位姿檢測。
　　對于并聯(lián)機構(gòu)的末端位姿檢測問題，采用基于機器視覺檢測方法的難點在于如何將視覺系統(tǒng)采集到的并聯(lián)機構(gòu)圖像經(jīng)過圖像處理后快速而精確地獲取該機構(gòu)的末端位姿信息。由于機器視覺算法復(fù)雜，光照變化、背景反光、噪聲干擾等外界因素會引起視覺系統(tǒng)的圖像匹配難以精確實

3、現(xiàn)，導(dǎo)致視覺檢測系統(tǒng)的速度和精度受到影響。
　　本文針對基于機器視覺的并聯(lián)機構(gòu)末端位姿檢測問題，以一種新型3-DOF并聯(lián)機構(gòu)為研究對象，采用雙目視覺對該機構(gòu)末端位姿進行檢測研究，并著重研究雙目檢測的立體匹配問題，研究通過改進和優(yōu)化雙目視覺立體匹配算法，在提高匹配算法實時性的同時，提高匹配的正確率，進而使得位姿檢測的實時性和精度都得以提高。
　　本文主要研究內(nèi)容如下：
　　(1)在如何保證新型3-DOF并聯(lián)機構(gòu)位姿檢測匹

4、配算法實時性方面展開研究。解決匹配過程實時性差的問題，關(guān)鍵在于降低匹配算法的復(fù)雜度。作為匹配算法的代表，SIFT算法不僅可以處理圖像之間發(fā)生平移、旋轉(zhuǎn)、尺度變換、光照變換下的匹配問題，而且能在一定程度上對視角變化、仿射變化保持較為穩(wěn)定的特征匹配能力。然而傳統(tǒng)SIFT算法復(fù)雜度高，匹配過程耗時過長。針對這一問題，考慮新型3-DOF并聯(lián)機構(gòu)圖像是剛性圖像且存在多個角點，本文采用Harris-SIFT算法實現(xiàn)立體匹配，通過算法簡單的Harri

5、s算子提取圖像特征點，再利用SIFT特征描述子對圖像進行匹配，使得匹配結(jié)果兼具實時性和穩(wěn)定性；
　　(2)在如何提高新型3-DOF并聯(lián)機構(gòu)位姿檢測匹配算法精度方面展開研究。在立體匹配過程中，由于錯誤測量、錯誤計算或錯誤假設(shè)等原因，會導(dǎo)致匹配結(jié)果出現(xiàn)錯誤匹配和誤差匹配的問題。針對這一問題，本文通過分格取點和提前取點驗算臨時模型的方法提出一種改進的RANSAC算法，以剔除Harris-SIFT算法存在的誤匹配點，在保證匹配算法實時性的

6、同時，提高匹配的正確率，從而提高機構(gòu)末端三維位姿檢測的精度。
　　(3)在新型3-DOF并聯(lián)機構(gòu)末端位姿求解方法上展開研究。首先，采用線性針孔模型作為本課題的視覺模型，并根據(jù)zhang平面標定法實現(xiàn)針孔模型的標定，完成視覺模型攝像機參數(shù)的求解；然后，將采集到的并聯(lián)機構(gòu)圖像進行去噪、特征點提取、基于Harris-SIFT算法的立體匹配，以及匹配提純等圖像處理；最后，根據(jù)新型3-DOF并聯(lián)機構(gòu)運動特點，建立機構(gòu)平臺的定坐標系與動坐標系

7、，并設(shè)定機構(gòu)標志點，將前期圖像處理得到的末端匹配點對帶入視覺模型，最終實現(xiàn)并聯(lián)機構(gòu)末端位姿的求解。
　　(4)構(gòu)建基于雙目視覺的新型3-DOF并聯(lián)機構(gòu)末端位姿檢測實驗硬件平臺，并結(jié)合Visual Studio集成開發(fā)工具和OpenCV視覺庫，完成新型3-DOF并聯(lián)機構(gòu)雙目檢測系統(tǒng)軟件開發(fā)。在此基礎(chǔ)上，完成了基于雙目視覺的新型3-DOF并聯(lián)機構(gòu)末端位姿檢測實驗。通過對比本文所提出方法與常規(guī)方法的實驗結(jié)果，驗證了本文所提出檢測方法的合