沖裁上料機(jī)器人設(shè)計(jì)與視覺(jué)伺服系統(tǒng)的研究.pdf

1、沖壓生產(chǎn)是當(dāng)代機(jī)械加工和制造過(guò)程中一種重要的成型制造技術(shù),具有速度快、效率高、材料利用率高、節(jié)約能源、污染少等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)諸多領(lǐng)域中。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展,沖壓生產(chǎn)技術(shù)正在向精密化、高速化、自動(dòng)化、柔性化的方向發(fā)展,采用自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、伺服技術(shù)等先進(jìn)制造技術(shù)手段,構(gòu)成自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)技術(shù)的重要發(fā)展方向。視覺(jué)伺服系統(tǒng)一般由攝像機(jī)、圖像預(yù)處理、圖像理解、伺服控制器等部分組成,將視覺(jué)伺服系統(tǒng)同機(jī)器人相結(jié)合,使機(jī)器人具有同外

2、部環(huán)境進(jìn)行智能交互的能力,是當(dāng)今機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)主要方向。本文以三自由度RRR關(guān)節(jié)型沖裁上料機(jī)器人(簡(jiǎn)稱SR09)為原型,就其概念設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及視覺(jué)伺服系統(tǒng)和伺服控制器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入地研究,主要內(nèi)容及成果如下:第一章首先就沖壓機(jī)器人對(duì)沖壓生產(chǎn)自動(dòng)化的影響、作用及意義進(jìn)行了說(shuō)明;對(duì)沖壓機(jī)器人的種類與結(jié)構(gòu)形式、與壓力機(jī)的同步與協(xié)調(diào)方式及沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線全線的同步與協(xié)調(diào)方式等一系列問(wèn)題進(jìn)行分析和歸納。該章還討論了機(jī)器人概念設(shè)計(jì)的方法

3、對(duì)機(jī)器人這樣的現(xiàn)代復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)的重要意義,分析了視覺(jué)伺服系統(tǒng)及其相關(guān)的圖象處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、機(jī)器人多傳感器信息融合等技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀;論述了研究與開(kāi)發(fā)沖壓機(jī)器人及新一代的具有自治能力的智能沖壓機(jī)器人對(duì)沖壓生產(chǎn)自動(dòng)化,提高企業(yè)的制造水平與能力,提高企業(yè)快速響應(yīng)市場(chǎng)的能力的重要意義。第二章介紹了UML建模語(yǔ)言的基本構(gòu)成及作用,總結(jié)了使用UML建模語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。基于信息系統(tǒng)的建模理論,應(yīng)用面向?qū)ο蟮能浖こ谭椒?

4、建立了基于UML的現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)用例驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)過(guò)程模型?？偨Y(jié)分析了用例驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行機(jī)電系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的步驟及目標(biāo),并用這種方法進(jìn)行了沖裁上料機(jī)器人SR09的概念設(shè)計(jì),對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)的仿真。第三章以串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人(簡(jiǎn)稱操作臂)為基礎(chǔ),構(gòu)成操作臂的桿件被看作剛體,建立了SR09的連桿坐標(biāo)系統(tǒng)和Denavit-Hartenbcrg描述體系及運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換矩陣,給出了視覺(jué)系統(tǒng)坐標(biāo)系,機(jī)器人本體坐標(biāo)系及端拾器坐標(biāo)系三者之間的關(guān)系,推導(dǎo)了S

5、R09操作臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)方程,并給出了方程的封閉正反解,開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)潔實(shí)用基于牛頓歐拉方程的動(dòng)力學(xué)算法,進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析與仿真。第四章是關(guān)于機(jī)器人軌跡生成與最佳工作位置計(jì)算,這里軌跡是指位置、速度,加速度在關(guān)節(jié)空間或笛卡爾空間的時(shí)間歷程。內(nèi)容包括了常用的軌跡生成方法,對(duì)SR09的直線、弧線組成的綜合軌跡進(jìn)行了有圓滑過(guò)渡與無(wú)圓滑過(guò)渡的對(duì)比仿真試驗(yàn)研究,提出了一種基于SR09的最佳工作位置的優(yōu)化算法。第五章討論了視覺(jué)系統(tǒng)的構(gòu)成與線性攝像

6、機(jī)的模型及攝像機(jī)標(biāo)定主要方法,給山了SR09的視覺(jué)系統(tǒng)的標(biāo)定方式及相應(yīng)的內(nèi)、外參數(shù)矩陣。機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)主要由圖像獲取、圖像處理兩大部分構(gòu)成。圖像獲取主要通過(guò)數(shù)碼掃描儀、相機(jī)等數(shù)字化設(shè)備獲取目標(biāo)圖像,圖像處理主要經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波消除噪聲,通過(guò)二值化算法,使彩色及各種灰度圖像成為便于處理的黑白圖像,經(jīng)過(guò)邊緣檢測(cè)得到物體輪廓構(gòu)造,通過(guò)圖像分割得到所需的目標(biāo)的圖像坐標(biāo)。該章提出了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工件識(shí)別算法,試驗(yàn)表明該算法能較好地解決SR09視

7、覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行工件識(shí)別的技術(shù)問(wèn)題。第六章研究eye-in-hand方式下單目、雙目機(jī)械手視覺(jué)伺服控制及基于位置的模糊PID控制,給出了單目Eye-in-Hand配置和雙目立體配置下的視覺(jué)伺服控制模塊的基本原理。主要內(nèi)容包括:分析研究了單目Eye-in-Hand配置下的圖像雅可比矩陣和基于PD(比例微分)的機(jī)械手控制算法,以及基于雙目立體視覺(jué)的機(jī)械手視覺(jué)伺服控制,分別給出了SR09針對(duì)5個(gè)與8個(gè)工件特征點(diǎn)及直線與圓弧軌跡跟蹤在Eye-in-H

8、and配置下的仿真實(shí)驗(yàn)。為提高機(jī)器人的自主性與適應(yīng)性,從改善其工作性能,該章采用分段控制的模糊PID控制器,使得模糊控制參數(shù)和規(guī)則在控制過(guò)程中根據(jù)誤差及變化率自動(dòng)地調(diào)整、修改,從而使系統(tǒng)的控制性能不斷改善,達(dá)到最佳的控制效果。SR09對(duì)斜平面內(nèi)圓弧軌跡追蹤仿真試驗(yàn)結(jié)果表明模糊PID控制效果較好。第七章是關(guān)于機(jī)器人多信息融合技術(shù)及控制。目前信息融合的方式主要有加權(quán)平均法,D-S證據(jù)法,產(chǎn)生式規(guī)則法,模糊理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。SR09機(jī)器人工作

9、在物料抓取、搬運(yùn)、物料放置的工作循環(huán)中,頻繁與周圍環(huán)境發(fā)生接觸,保證機(jī)器人端拾器能夠按規(guī)定的軌跡運(yùn)動(dòng)同時(shí)使其與環(huán)境的接觸力在可接受的范圍內(nèi)十分重要。在沒(méi)有力傳感器的情況下,通過(guò)檢測(cè)關(guān)節(jié)電機(jī)電流的變化了解關(guān)節(jié)力矩的變化,從而了解作用于操作臂末端的環(huán)境作用力的變化情況,產(chǎn)生接近覺(jué),是控制機(jī)械臂精確安全定位,節(jié)省制造成本的一個(gè)好辦法。該章討論了視覺(jué)信息、力信息融合時(shí),在無(wú)力傳感器情況下基于關(guān)節(jié)電機(jī)電流反饋的力/位混合控制策略,實(shí)現(xiàn)了無(wú)力傳感器