1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專題綜述 課程名稱 工業(yè)自動(dòng)化專題 題目名稱 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡 學(xué)生學(xué)院_ _ 自動(dòng)化_專業(yè)班級(jí)_ _ _學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名_ _ _指導(dǎo)教師_ _2013 年 6月 27日工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡綜述【摘要】：隨著知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來(lái)，高技術(shù)已成為世界各國(guó)爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)，機(jī)器人技術(shù)作為高技術(shù)的一個(gè)重要分支普遍受到了各國(guó)政府的重視。自此，多種不同的研究方向都在工業(yè)機(jī)器人實(shí)時(shí)高精度的路徑跟蹤來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期目的。而工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡又是重中之重，在得到反饋信息之后，如何作出應(yīng)答，并且實(shí)時(shí)檢查軌跡與所計(jì)算出的軌跡是否吻合，為此也要進(jìn)行追蹤與動(dòng)作修正。【關(guān)鍵詞】：工業(yè)機(jī)器人，視覺，路徑

2、跟蹤，軌跡規(guī)劃，高精度1.機(jī)器人視覺，運(yùn)動(dòng)前的準(zhǔn)備實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，多種因素都有可能導(dǎo)致系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生一定的偏差、測(cè)量精度降低，引起誤差的原因主要有溫度漂移和關(guān)節(jié)松動(dòng)變形等，使測(cè)量模型的參數(shù)值改變從而導(dǎo)致定位誤差增大，因此需要定期對(duì)工業(yè)機(jī)器人視覺測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行精確的校準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)精確定位和視覺測(cè)量。更少不得必要的優(yōu)化。1.1基于單目視覺的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡準(zhǔn)確度檢測(cè)建立的工業(yè)機(jī)器人單目視覺系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)主要由單目視覺單元，監(jiān)控單元和機(jī)器人執(zhí)行單元三大單元組成。單目視覺單元為一臺(tái)固定在機(jī)器人上方的CCD攝像機(jī)，負(fù)責(zé)攝取工作環(huán)境中的目標(biāo)并存入圖像采集卡緩沖區(qū)；監(jiān)控單元負(fù)責(zé)監(jiān)控各工作站的當(dāng)

3、前狀態(tài)，并完成對(duì)存儲(chǔ)圖像進(jìn)行相關(guān)處理的工作，達(dá)到識(shí)別定位目標(biāo)的目的；執(zhí)行單元負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手實(shí)施抓取操作。1.2基于雙目視覺的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡準(zhǔn)確度檢測(cè)以立體視覺理論為基礎(chǔ)，研究了基于空間直線的二維投影面方程。根據(jù)投影面的空間解析幾何約束關(guān)系，建立基于直線特征匹配的雙目視覺誤差測(cè)量的數(shù)學(xué)模型。在該模型基礎(chǔ)上采用將兩臺(tái)攝像機(jī)固定于工業(yè)機(jī)器人末端的方案對(duì)關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的準(zhǔn)確度進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明，該檢測(cè)方法簡(jiǎn)單實(shí)用，基本上可以滿足工業(yè)機(jī)器人CP性能檢測(cè)的要求。1.3一種面向工業(yè)機(jī)器人智能抓取的視覺引導(dǎo)技術(shù)研究為實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人自主識(shí)別并抓取指定的目標(biāo)，提出了一種基于計(jì)算機(jī)視覺引導(dǎo)的解決方法

4、。該方法利用指定目標(biāo)的3D數(shù)據(jù)模型，以及由兩臺(tái)或者多臺(tái)CCD攝像機(jī)從工作場(chǎng)景中不同角度獲；取到的數(shù)字圖像，經(jīng)過(guò)目標(biāo)姿態(tài)估算、投影計(jì)算并生成投影圖像，再利用投影圖像與目標(biāo)真實(shí)圖像進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的識(shí)別與位姿獲取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可以較復(fù)雜的環(huán)境下識(shí)剮指定目標(biāo)，并獲得目；標(biāo)的姿態(tài)信息，從而為工業(yè)機(jī)器人抓取目標(biāo)提供引導(dǎo)。1.4視覺溫度測(cè)量系統(tǒng)在線校準(zhǔn)改進(jìn)汽車車身總成、分總成的加工過(guò)程中應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人視覺測(cè)量系統(tǒng)對(duì)關(guān)鍵尺寸進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。機(jī)械臂及環(huán)境溫度變化導(dǎo)斂桿件和關(guān)節(jié)熱膨脹變形，造成測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生溫度漂移本文提出了一種在線校準(zhǔn)方法首先根據(jù)機(jī)器人的D.H正向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和微分運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建沈末端關(guān)

5、節(jié)坐標(biāo)系的定位誤差模型，然后結(jié)合軸動(dòng)實(shí)驗(yàn)并利用多元線性pJ歸方法確定受溫度變化影響最為顯著的機(jī)器人連桿參數(shù)，最后建口基于基準(zhǔn)球的溫度誤差補(bǔ)償模型現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)表明，該方法能將溫度變化引起的測(cè)量誤差控制在0.05mm左右，并且適應(yīng)生產(chǎn)線的正常節(jié)拍。2.路徑跟蹤與軌跡規(guī)劃手部路徑跟蹤和關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃是機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域中一個(gè)非常重要的課題 在以往的研究中往往是通過(guò)在設(shè)定的路徑上增加節(jié)點(diǎn)數(shù)和路徑分段數(shù)來(lái)提高機(jī)器人手部跟蹤設(shè)定路徑的精但這種方法會(huì)導(dǎo)致在線計(jì)算量大幅度增加。2.1一種新的實(shí)時(shí)高精度路徑跟蹤與關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃方法通常，為了減少工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的在線計(jì)算負(fù)擔(dān)，運(yùn)動(dòng)控制是在關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間中進(jìn)行的。為此，首

6、先必須在笛卡兒空間中設(shè)定的路徑上選取足夠多的點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)，再將它們一一轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)坐標(biāo)，然后在關(guān)節(jié)空間中將這些坐標(biāo)用某種方式進(jìn)行擬合形成光滑的關(guān)節(jié)軌跡。在實(shí)際控制過(guò)程中，只需讓各關(guān)節(jié)沿其對(duì)應(yīng)的軌跡運(yùn)動(dòng)，所有關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的綜合效果就表現(xiàn)為機(jī)器人手部近似地沿笛卡兒空間中設(shè)定的路徑運(yùn)動(dòng)。顯然，所取的節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，路徑跟蹤的精度也就越高。但這會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)軌跡分段數(shù)和關(guān)節(jié)軌跡方程數(shù)量大大增加，在線計(jì)算時(shí)控制系統(tǒng)的運(yùn)算量大幅度增加。同時(shí)，手部路徑跟蹤精度在首尾兩段路徑中的各節(jié)點(diǎn)之間有所降低。新方法對(duì)這一缺陷將對(duì)其首、尾2段路徑上的關(guān)節(jié)軌跡方程進(jìn)行改進(jìn) 在這2段路徑上除引入1個(gè)正弦函數(shù)和1余弦函數(shù)外再引入1新的函

7、數(shù)，函數(shù)由1正弦函數(shù)和1個(gè)1次多項(xiàng)式的乘積構(gòu)成，并且這2段上原來(lái)的4次多項(xiàng)式將降低為3次多項(xiàng)式。這樣，在首、尾2段路徑上關(guān)節(jié)軌跡方程將由1個(gè)3次多項(xiàng)式與1個(gè)正弦函數(shù)1個(gè)余弦函數(shù)以及新引入的函數(shù)相加組成。來(lái)避免運(yùn)算量增大的問(wèn)題，同時(shí)提高精度。2.2機(jī)器人柔性坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)機(jī)器人柔性坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大型工件尺寸在線快速測(cè)量，是自動(dòng)化生產(chǎn)線的關(guān)鍵質(zhì)量監(jiān)控設(shè)備。現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)是柔性坐標(biāo)測(cè)鼉系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，校準(zhǔn)精度直接影響系統(tǒng)測(cè)量精度。現(xiàn)場(chǎng)精確建立機(jī)器人末端工具坐標(biāo)系與視覺傳感器坐標(biāo)系形成的手眼關(guān)系、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型參數(shù)以及機(jī)器人基坐標(biāo)系是現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的主要內(nèi)容。通過(guò)設(shè)計(jì)中間靶標(biāo)，利用激光跟

8、蹤儀直接測(cè)量的方法建立手眼關(guān)系，其轉(zhuǎn)換精度不受機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差影響；設(shè)立校準(zhǔn)球體，實(shí)現(xiàn)基于距離不變模型的連桿參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)快速校準(zhǔn)；根據(jù)機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和激光跟蹤儀的測(cè)量，利用基于奇異值分解的配準(zhǔn)方法求解轉(zhuǎn)換矩陣，高精度地建立機(jī)器人基坐標(biāo)系。經(jīng)過(guò)激光跟蹤儀一次校準(zhǔn)后，測(cè)量系統(tǒng)可利用基準(zhǔn)球體實(shí)現(xiàn)機(jī)器人快速在線校準(zhǔn)，減小模型參數(shù)變化對(duì)測(cè)量系統(tǒng)精度的影響。柔性在線坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)由相對(duì)獨(dú)立的2部分組成,多自由度的工業(yè)機(jī)器人和安裝在機(jī)器人末端關(guān)節(jié)的立體視覺傳感器 ，測(cè)量過(guò)程為：當(dāng)機(jī)器人接收到開始測(cè)量信號(hào)后，就按預(yù)先規(guī)劃的測(cè)量路徑帶動(dòng)視覺傳感器運(yùn)動(dòng)，依次使被測(cè)點(diǎn)進(jìn)入到傳感器的測(cè)量區(qū)域內(nèi)，由視覺傳感器和測(cè)量主機(jī)

9、完成測(cè)量，測(cè)量結(jié)束后機(jī)器人回到初始狀態(tài)并發(fā)送測(cè)量完畢信號(hào)。2.3工業(yè)機(jī)器人位姿誤差建模機(jī)器人標(biāo)定一般分4個(gè)步驟進(jìn)行：建模、測(cè)量、辨識(shí)與補(bǔ)償。一般建模時(shí)就是把影響機(jī)器人精度的因素包含在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中，測(cè)量出機(jī)器人末端操作器的實(shí)際位姿，再與理論位姿相比較，得到機(jī)器人的位姿誤差，通過(guò)辨識(shí)的方法，獲得影響機(jī)器人精度的因素的大小，再用軟件的形式進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高機(jī)器人的精度在標(biāo)定過(guò)程中，誤差建模與位姿的測(cè)量是緊密相關(guān)的用于機(jī)器人標(biāo)定的測(cè)量?jī)x器通常有激光動(dòng)態(tài)跟蹤儀、經(jīng)緯儀、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、CCD交互測(cè)量?jī)x、隨動(dòng)測(cè)量機(jī)構(gòu)等。上述建模就工作量比較大且繁瑣。而，20世紀(jì)90年代，以Zhuang等人為代表，開

10、展了基于機(jī)器人手眼系統(tǒng)的機(jī)器人標(biāo)定，并提出了攝像機(jī)與機(jī)器人同時(shí)標(biāo)定的數(shù)學(xué)模型MCPC的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。該模型雖然克服了平行關(guān)節(jié)的問(wèn)題，但由于現(xiàn)行的機(jī)器人，主要是基于DH模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制的，因此還存在著參數(shù)之間轉(zhuǎn)換的問(wèn)題大都假設(shè)機(jī)器人的基坐標(biāo)系相對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系是可準(zhǔn)確測(cè)量的，沒有考慮機(jī)器人基坐標(biāo)與測(cè)量系統(tǒng)的坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換誤差，而在實(shí)際的測(cè)量中，機(jī)器人的基坐標(biāo)是很難準(zhǔn)確測(cè)量的。基于D-H運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，采用視覺測(cè)量機(jī)器人的三維姿態(tài)，考慮測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)與機(jī)器人基坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換誤差。 2.4工業(yè)機(jī)器人軌跡精度測(cè)量與加工規(guī)劃的研究機(jī)器人軌跡規(guī)劃就是根據(jù)作業(yè)任務(wù)的要求計(jì)算預(yù)期作業(yè)過(guò)程中機(jī)器人的位移、速度、加速度

11、。這里的軌跡主要是指每個(gè)自由度關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度的時(shí)間序列。2.41基于三次五次插值的軌跡計(jì)算所謂三次五次復(fù)合插值：就是先取路徑上四個(gè)連續(xù)的點(diǎn)A、曰、C、D進(jìn)行三次擬合獲得中間兩點(diǎn)日、C的速度、加速度，然后舍棄第一點(diǎn)，再順次取曰、C、D、E四個(gè)連續(xù)點(diǎn)進(jìn)行三次擬合獲得前兩點(diǎn)B、C的速度、加速度。將兩次求的B、C點(diǎn)的速度、加速度取平均值作為B、C點(diǎn)的最終速度和加速度，加上B、C兩點(diǎn)的位移條件，共有6個(gè)已知條件，插值一條五次曲線。這樣，既保證了控制點(diǎn)的位移又保證了控制點(diǎn)導(dǎo)數(shù)連續(xù)，即在平滑性的基礎(chǔ)上獲得精確的數(shù)據(jù)點(diǎn)。2.42星型路徑規(guī)劃算法星型算法的主要思想是對(duì)機(jī)器人所在的空間進(jìn)行分割，使其達(dá)到

12、一種理想的分割狀態(tài)。該方法中提出了一種結(jié)構(gòu)星型節(jié)后，其定義為在 C空間中，取其一子空間，若在子空間中存在一點(diǎn)O，使O點(diǎn)可以看到子空間中的任意一點(diǎn)P，則這個(gè)子空間為星型空間。星型空間有一條很好的性質(zhì)，即星型空間的任意亮點(diǎn)p,q可以通過(guò)點(diǎn)O，實(shí)現(xiàn)連通。這樣就將運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題的主體部分簡(jiǎn)化為空間分割問(wèn)題了。如果將C空間簡(jiǎn)化到歐氏空間，將提高分割效率及結(jié)果的優(yōu)良性。3.結(jié)論目前工業(yè)機(jī)器人僅能在嚴(yán)格定義的結(jié)構(gòu)化環(huán)境中執(zhí)行預(yù)定指令動(dòng)作，對(duì)環(huán)境的感知與應(yīng)變能力有待提高，這極大地限制了機(jī)器人的應(yīng)用。僅僅只有視覺功能的工業(yè)機(jī)器人并不能滿足一些環(huán)境特別惡劣的地方。比如說(shuō)深海，高熱的地方，都能影響到攝像機(jī)的圖像采集功

13、能從而是機(jī)器人變成“瞎子”而無(wú)法完成既定的任務(wù)。雖說(shuō)現(xiàn)在已有很多的算法改進(jìn)或者其它的。但工業(yè)機(jī)器人還是比較笨重，計(jì)算量還是比較大。而且軌跡跟蹤還是存在比較大的誤差。【參考文獻(xiàn)】：1. 王修巖.程婷婷.WANG Xiu-yan.CHENG Ting-ting 基于單目視覺的工業(yè)機(jī)器人智能抓取研究期刊論文-機(jī)械設(shè)計(jì)與制造2011(5)2. 崔彥平.林玉池.黃銀國(guó) 雙目視覺飛行目標(biāo)落地參數(shù)測(cè)量期刊論文-光電工程 2007(8)3. 李召鑫.李海峰.鄭臻榮.劉旭 立體視覺測(cè)量系統(tǒng)的空間分辨力和結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置期刊論文-光電工程 2012(1)4. Peter Findlay Intelligent Sys

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