【摘要】：災(zāi)害救援、環(huán)境探測(cè)、設(shè)備檢修及維護(hù)等應(yīng)用場(chǎng)景,具有作業(yè)空間狹小、障礙物多等特點(diǎn),傳統(tǒng)機(jī)器人難以完成任務(wù),而運(yùn)動(dòng)靈活且體型纖細(xì)的繩驅(qū)柔性機(jī)械臂能夠發(fā)揮重要作用。然而,由于傳動(dòng)環(huán)節(jié)多、摩擦特性復(fù)雜且具有超冗余特性,繩驅(qū)柔性機(jī)械臂整臂形狀及末端精度低,影響了任務(wù)執(zhí)行效果。針對(duì)上述問題,本文開展了基于視覺的柔性機(jī)械臂形狀測(cè)量、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)標(biāo)定及設(shè)備維護(hù)中典型充電目標(biāo)位姿測(cè)量方法的研究,并開發(fā)了相應(yīng)的算法,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)繩驅(qū)柔性機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)構(gòu)件多且尺寸小、空間構(gòu)型復(fù)雜等特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一套基于全局視覺及手眼視覺融合的柔性臂形狀及末端位姿同步測(cè)量系統(tǒng),解決了大范圍、較高精度的測(cè)量問題。該系統(tǒng)由兩個(gè)固定的單目相機(jī)、一個(gè)安裝于柔性臂末端并隨柔性臂運(yùn)動(dòng)的手眼相機(jī)及固定于環(huán)境中的任務(wù)板組成。柔性臂每個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件及任務(wù)板上均裝有二維碼,形成多點(diǎn)分散的測(cè)量標(biāo)識(shí)。通過(guò)全局視覺相機(jī)對(duì)臂桿上的標(biāo)識(shí)、手眼相機(jī)對(duì)任務(wù)板上的標(biāo)識(shí)分別進(jìn)行識(shí)別,再將所有標(biāo)識(shí)的信息融合后,進(jìn)一步計(jì)算得到柔性臂各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度并重建出臂桿的空間臂型,同時(shí)也求得了柔性臂末端的位姿,使柔性臂能夠更準(zhǔn)確地感知自身狀態(tài),有助于提高運(yùn)動(dòng)精度。針對(duì)繩驅(qū)柔性臂由多個(gè)PY(Pitch-Yaw)或YP(Yaw-Pitch)雙自由度關(guān)節(jié)組成、相鄰關(guān)節(jié)采用“PY-YP”連接的特點(diǎn),建立了簡(jiǎn)化的末端位姿誤差模型并提出了基于視覺的柔性臂運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)標(biāo)定方法。利用MDH方法對(duì)柔性臂進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)建模,并結(jié)合關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)特性分析了各參數(shù)對(duì)末端運(yùn)動(dòng)誤差的影響,剔除了影響可忽略的參數(shù),得到簡(jiǎn)化誤差模型。進(jìn)一步地,設(shè)計(jì)了覆蓋較大工作空間的多種標(biāo)定臂型,利用視覺系統(tǒng)獲得各臂型下柔性臂形狀及末端位姿測(cè)量數(shù)據(jù),將其用于誤差模型后標(biāo)定出運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。與激光跟蹤儀的標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了方法的可行性。以航空設(shè)備維護(hù)為應(yīng)用案例,提出了針對(duì)實(shí)際目標(biāo)自然特征檢測(cè)的位姿測(cè)量方法,通過(guò)提取多個(gè)角點(diǎn)及圓形特征后采用PnP算法實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離及近距離下的位姿測(cè)量。利用手眼視覺對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像,采用了多個(gè)兼顧遠(yuǎn)近距離和不同視角的模板對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),獲得有效的目標(biāo)區(qū)域,在該區(qū)域提取了角點(diǎn)和圓心特征,根據(jù)遠(yuǎn)近距離分別對(duì)角點(diǎn)和圓心特征采用PnP算法計(jì)算得到目標(biāo)位姿。最后,搭建了柔性機(jī)械臂視覺測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),開展了柔性臂形狀及末端位姿同步測(cè)量、柔性臂運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)標(biāo)定、目標(biāo)位姿測(cè)量及對(duì)接實(shí)驗(yàn),對(duì)上述方法進(jìn)行了驗(yàn)證。
【圖文】：

圖 1-1 10 自由度蛇形機(jī)械臂 圖 1-2 穿越狹小空間的柔性機(jī)械臂特斯拉公司于 2015 年推出了自動(dòng)充電機(jī)器人，如圖 1-3 所示。它能夠利用視覺自動(dòng)找準(zhǔn)轎車充電口的位置，并靈活地調(diào)整自身位置和姿態(tài)使機(jī)械臂末端執(zhí)行器與充電口對(duì)上并連接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電[12]。圖 1-3 特斯拉自動(dòng)充電機(jī)器人柔性機(jī)械臂憑借良好的靈活性及尺寸小等特點(diǎn)，能夠進(jìn)入一些人都無(wú)法進(jìn)入

圖 1-1 10 自由度蛇形機(jī)械臂 圖 1-2 穿越狹小空間的柔性機(jī)械臂特斯拉公司于 2015 年推出了自動(dòng)充電機(jī)器人，，如圖 1-3 所示。它能夠利用視覺自動(dòng)找準(zhǔn)轎車充電口的位置，并靈活地調(diào)整自身位置和姿態(tài)使機(jī)械臂末端執(zhí)行器與充電口對(duì)上并連接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電[12]。圖 1-3 特斯拉自動(dòng)充電機(jī)器人柔性機(jī)械臂憑借良好的靈活性及尺寸小等特點(diǎn)，能夠進(jìn)入一些人都無(wú)法進(jìn)入
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP241;TP391.4

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本文編號(hào)：2668080