面向微操作的微小型機器人視覺伺服技術(shù)研究.pdf

1、面向微操作的微小型機器人作為典型的微機電系統(tǒng)，具有體積小、運動靈活、能夠進入一般機械系統(tǒng)無法進入的狹窄作業(yè)空間進行檢測和維護等特點而在微操作領(lǐng)域有著廣泛的應用前景，已成為國內(nèi)外諸多公司、研究機構(gòu)、大學的一個新的研究熱點，其發(fā)展目標是構(gòu)建以微小型機器人為基礎(chǔ)的自動化微裝配作業(yè)桌面工廠。在國家“863”計劃MEMS重大專項資助和大量調(diào)研工作的基礎(chǔ)上，本文以為面向微操作的微小型機器人設(shè)計智能化的實時視覺伺服系統(tǒng)為主線、以利用視覺來指導微小型機

2、器人自主進行微操作作業(yè)為目的，展開課題研究。
　　在分析典型微操作系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上，建立了基于微小型機器人的微操作系統(tǒng)。首先分析了微操作系統(tǒng)的各個硬件組成部分，包括宏／微雙重驅(qū)動微小機器人及外部全局—顯微形式的兩級視覺傳感器系統(tǒng)與一維微力覺傳感器系統(tǒng)。然后對微操作系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)進行了簡要描述。
　　全局視覺系統(tǒng)監(jiān)控機器人運動空間、實時提取機器人位姿參數(shù)并引導機器人在微操作系統(tǒng)工作平臺上進行快速、大范圍運動。針對微小型機器人的

3、全局視覺伺服控制問題，提出了基于標記的機器人位姿參數(shù)實時測量方法；設(shè)計了基于圖像的動態(tài)Look-and-Move形式的全局視覺伺服控制器和基于運動檢測的微夾持器末端搜索策略來引導機器人快速地運動到微操作區(qū)域附近并使其微夾持器末端準確地進入光學顯微鏡的視場范圍，為進一步利用更高測量分辨力的顯微視覺信息來指導機器人完成微操作任務(wù)做好準備。
　　顯微視覺系統(tǒng)的主要作用是分析微操作場景圖像后測量微操作工具和微操作對象的相對位置關(guān)系，進而控

4、制微操作工具向操作目標運動。自動聚焦、顯微圖像分割、顯微圖像跟蹤和顯微圖像伺服是實現(xiàn)這一目的幾個關(guān)鍵問題。為實現(xiàn)自動聚焦，構(gòu)造了基于SUSAN算子的圖像清晰度評價函數(shù)，設(shè)計了爬山搜索—聚焦曲線拉格朗日擬合定位的新型圖像清晰度評價函數(shù)最大化搜索策略以實現(xiàn)快速聚焦的目的；在顯微圖像分割方面，設(shè)計了Canny邊緣檢測與Hough變換結(jié)合的提取顯微目標結(jié)構(gòu)參數(shù)的處理方法，并對Hough變換存在計算量大、精度低的缺陷進行了有效改進；針對微操作工具

5、的實時顯微圖像跟蹤問題，利用歸一化自相關(guān)匹配算法構(gòu)造圖像跟蹤器，并設(shè)計手眼協(xié)調(diào)和模板切分亞采樣策略來實現(xiàn)實時跟蹤機器人夾持器末端、實時獲取其位置參數(shù)的目的；在微小型機器人的顯微視覺控制方面，從動態(tài)的角度出發(fā)實現(xiàn)了機器人微運動姿態(tài)的測量，設(shè)計了有限狀態(tài)機形式的2D顯微視覺控制器來引導微夾持器末端向操作目標運動和基于Depth-From-Focus原理的機器人微夾持器末端深度方向控制策略。
　　最后，從實時視覺伺服系統(tǒng)的實現(xiàn)角度，設(shè)計