沖裁上料機器人設(shè)計與視覺伺服系統(tǒng)的研究.pdf

1、沖壓生產(chǎn)是當(dāng)代機械加工和制造過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,廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)諸多領(lǐng)域中。隨著先進制造技術(shù)的發(fā)展,沖壓生產(chǎn)技術(shù)正在向精密化、高速化、自動化、柔性化的方向發(fā)展,采用自動化技術(shù)、機器人技術(shù)、伺服技術(shù)等先進制造技術(shù)手段,構(gòu)成自動化沖壓生產(chǎn)技術(shù)的重要發(fā)展方向。視覺伺服系統(tǒng)一般由攝像機、圖像預(yù)處理、圖像理解、伺服控制器等部分組成,將視覺伺服系統(tǒng)同機器人相結(jié)合,使機器人具有同外

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

3、對機器人這樣的現(xiàn)代復(fù)雜的機電一體化系統(tǒng)的重要意義,分析了視覺伺服系統(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;論述了研究與開發(fā)沖壓機器人及新一代的具有自治能力的智能沖壓機器人對沖壓生產(chǎn)自動化,提高企業(yè)的制造水平與能力,提高企業(yè)快速響應(yīng)市場的能力的重要意義。第二章介紹了UML建模語言的基本構(gòu)成及作用,總結(jié)了使用UML建模語言進行系統(tǒng)概念設(shè)計的優(yōu)越性?；谛畔⑾到y(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)代機械系統(tǒng)用例驅(qū)動的設(shè)計過程模型?？偨Y(jié)分析了用例驅(qū)動方法進行機電系統(tǒng)概念設(shè)計的步驟及目標(biāo),并用這種方法進行了沖裁上料機器人SR09的概念設(shè)計,對設(shè)計的結(jié)果進行了運動學(xué)動力學(xué)的仿真。第三章以串聯(lián)關(guān)節(jié)式機器人(簡稱操作臂)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描述體系及運動轉(zhuǎn)換矩陣,給出了視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系,機器人本體坐標(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操作臂的運動學(xué)與動力學(xué)方程,并給出了方程的封閉正反解,開發(fā)了一種簡潔實用基于牛頓歐拉方程的動力學(xué)算法,進行了動力學(xué)分析與仿真。第四章是關(guān)于機器人軌跡生成與最佳工作位置計算,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間歷程。內(nèi)容包括了常用的軌跡生成方法,對SR09的直線、弧線組成的綜合軌跡進行了有圓滑過渡與無圓滑過渡的對比仿真試驗研究,提出了一種基于SR09的最佳工作位置的優(yōu)化算法。第五章討論了視覺系統(tǒng)的構(gòu)成與線性攝像

6、機的模型及攝像機標(biāo)定主要方法,給山了SR09的視覺系統(tǒng)的標(biāo)定方式及相應(yīng)的內(nèi)、外參數(shù)矩陣。機器人的視覺系統(tǒng)主要由圖像獲取、圖像處理兩大部分構(gòu)成。圖像獲取主要通過數(shù)碼掃描儀、相機等數(shù)字化設(shè)備獲取目標(biāo)圖像,圖像處理主要經(jīng)過數(shù)字濾波消除噪聲,通過二值化算法,使彩色及各種灰度圖像成為便于處理的黑白圖像,經(jīng)過邊緣檢測得到物體輪廓構(gòu)造,通過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)的工件識別算法,試驗表明該算法能較好地解決SR09視

7、覺系統(tǒng)進行工件識別的技術(shù)問題。第六章研究eye-in-hand方式下單目、雙目機械手視覺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)的機械手控制算法,以及基于雙目立體視覺的機械手視覺伺服控制,分別給出了SR09針對5個與8個工件特征點及直線與圓弧軌跡跟蹤在Eye-in-H

8、and配置下的仿真實驗。為提高機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)則在控制過程中根據(jù)誤差及變化率自動地調(diào)整、修改,從而使系統(tǒng)的控制性能不斷改善,達到最佳的控制效果。SR09對斜平面內(nèi)圓弧軌跡追蹤仿真試驗結(jié)果表明模糊PID控制效果較好。第七章是關(guān)于機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機器人工作

9、在物料抓取、搬運、物料放置的工作循環(huán)中,頻繁與周圍環(huán)境發(fā)生接觸,保證機器人端拾器能夠按規(guī)定的軌跡運動同時使其與環(huán)境的接觸力在可接受的范圍內(nèi)十分重要。在沒有力傳感器的情況下,通過檢測關(guān)節(jié)電機電流的變化了解關(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,是控制機械臂精確安全定位,節(jié)省制造成本的一個好辦法。該章討論了視覺信息、力信息融合時,在無力傳感器情況下基于關(guān)節(jié)電機電流反饋的力/位混合控制策略,實現(xiàn)了無力傳感器