（电力电子与电力传动专业论文）基于三自由度视觉伺服系统的毽球机器人的研究.pdf

at h e s i si np o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i cd r i v e r e s e a r c ho nv i s u a ls e r v os y s t e mo f 3 - d e g r e e s h u t t l e c o c kr o b o t b yt a n gw e i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rm a ny o n g k u i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 08舢6 34 舢8iiii舢y 、一厶 力 i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：苗 恧。 学位论文作者签名： 孱施 日期：d 尸0 1 d 上 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年 学位论文作者签名：屋施 签字日期： 2 伯二固2 d 导师签名：瓤礼生 签字日期：2 p 。陴1 周上母 i r - 一、 东北大学硕士学位论文 摘要 基于三自由度视觉伺服系统的毽球机器人的研究 摘要 随着计算机视觉和计算机硬件技术的快速发展，将视觉信息同机器人控制相结合形 成视觉伺服系统，使机器人具有同外部环境进行智能互交的能力，是当今机器人发展的 一个主要方向。机器人视觉伺服系统通过检测图像中的目标物体，可以获得视觉信息来 控制机器人的规则运动。基于位置的视觉伺服方法首先根据机器人的模型、可到达的工 作空间以及目标物体来估计目标物体在执教坐标空间中相对于摄像机的位置。在计算机 图像处理中以动态图像的分析和理解为基础的视觉跟踪成为研究的热点。由于视觉跟踪 技术可以应用在许多领域，而且其重要性日益增强，图像处理面临着复杂化合高速化得 挑战，并行处理技术在这其中扮演了机器重要的角色。因此，机器人视觉伺服系统是一 个具有重要研究意义和广阔工业应用前景的基础性研究课题。 机器人视觉伺服系统涉及许多研究领域，如计算机视觉、运动学、动力学、控制理 论以及实时运算等。本文主要研究机器人视觉伺服系统的结构组成以及软、硬件实现方 案，并建立一个三自由度视觉机器人的实验系统。 在分析各种机器人视觉伺服系统优缺点的基础上，针对本课题的研究对象及特点， 采用了外环为视觉控制器、内环为关节伺服控制的双闭环结构，并采用基于图像的视觉 控制策略。视觉子系统采用基于1 3 9 4 总线的摄像头与p c 机结合的方式，在o p e n c v 环境下完成图像采集、图像分割、特征提取、图像三维重组、特征提取的算法实现，并 采取串行通信的方式将图像特征矢量传输至p c 。另一方面，利用p c i 数模转换卡实现 伺服系统和p c 的连接，在o p e n c v 环境下建立实时控制系统，使控制系统与实际装置 之间能够进行实时通信和实时控制，最终实现机器人的视觉伺服控制。其伺服部分是以 三菱q 0 2 c p u 为控制核心，由其实现整个系统的逻辑顺序控制；采用三菱q 1 7 2 c p u 作 为运动控制c p u 来完成对系统的定位控制；以s s c n e t 总线作为伺服系统的控制网络， 实现了控制器和伺服放大器之间大量数据的实时通信，以高度同步的串行通讯方式使得 多轴控制具有同步、插补等高级定位功能，提高了系统的响应性和可靠性。并且采用 g t 软件作为开发平台，g o t 9 8 5 作为硬件装置，设计了装盘机控制系统的人机界面监 控程序。 目前，已经完成了伺服控制器和视觉子系统的设计和前期调试，并对视觉伺服系统 进行了最终调试，实验结果运行精度较高，稳定性良好，响应快。 一i i 摘要 统；运动控制c p u ；机器人腿；交流伺服 i i i 东北大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ns h u t t l e c o c kr o b o tw i t h3 d i m e n s i o n a l v i s u a ls e r v os y s t e m a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm a c h i n ev i s i o na n dh a r d w a r e ，t h ev i s u a ls e r v os y s t e mi s t h ec o m b i n a t i o nb e t w e e nv i s u a li n f o r m a t i o na n dr o b o tc o n t r o l ，w h i c hm a d er o b o th a v et h e i n t e l l i g e n ts w i t h i n gc a p a c i t yw i t ht h ee x t e r n a le n v i r o n m e n t t h i si so n eo ft h em a i nd i r e c t i o n o fd e v e l o p i n go fr o b o t v i s u a ls e r v o i n gs y s t e mt h r o u g ht h ed e t e c t i o no ft h eo b j e c ti m a g eg e t v i s u a li n f o r m a t i o ni no r d e rt oc o n t r o lt h em o v e m e n to fr o b o t ，w o r ks p a r ec a l lb ea c h i v e da n d o b j e c t i v e si nc a r t e s i a nc o o r d i n a t e si ns p a r er e l a t i v et ot h el o c a t i o no fc a m e r a s v i s u a lt r a c k i n g w h i c hb a s e do nc o m p u t e ri m a g ep r o c e s s i n ga n da n a l y s i so rc o m p r e h e n do fd y n a m i ci m a g e b e c o m ec o n c e r nt o p i c i m a g ep r o c e s s i n gc o n f r o n tt h ec o m p l e x i t yo ft h ec h a l l e n g e s p a r a l l e l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yp l a yai m p o r t a n tr o l ei nt h i s t h e r e b y , r o b o tv i s u a ls e r v oc o n t r o li sa f u n d a m e n t a lr e s e a r c hs u b j e c t 、航mv e r yi m p o r t a n tt h e o r e t i c a lr e s e a r c hs e n c ea n di n d u s t r y a p p l i c a t i o np r o s p e c t v i s u a ls e r v os y s t e mo fr o b o ti sac o m p l i c a t e dd o m a i nt h a ti sc o n c e r n e dw i t l lc o m p u t e r v i s i o n ，k i n e m a t i c s ，i m a g ep r o c e s s i n g ，d y n a m i c s ，c o n t r o ls c i e n c ea n dr e a l - t i m ec a l c u l a t i o n t h i sp a p e rs t u d i e st h ev i s u a ls e r v oo fr o b o ta n da n db u i l d sa3 - d e g r e er o b o t i ca r me x p e r i m e n t s y s t e m f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y s e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv a r i o u sr o b o t i cv i s u a l s e r v os y s t e m s a n d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x p e r i m e n ts y s t e m ，ak i n d o f t w o - c l o s e d - l o o ps t r u c t u r et h a ti n c l u d e sav i s u ac o n t r o l l e ra st h eo u t s i d el o o pa n daj o i n ts e r v o c o n t r o l l e ra st h e i n s i d el o o pi sc h o s e n a c c o r d i n g l y , w ea d o p ti m a g e - b a s e dv i s u a lc o n t r o l p o l i c y i nt h i s p a p e r t h ev i s u a ls u b s y s t e mc o n s i s t so fa 13 9 4c a m e r aa n dap e r s o n a l c o m p u t e r t h es o f t w a r ep r o g r a m sa r ed e s i g n e df o ri m a g ec o l l e c t i o n ，i m a g ee m p h a s i z i n g ， t h r e e - d i m e n s i o n a li m a g er e s t r u c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c se x t r a c t i n go no p e n c v p l a t f o r m a n d t h ec h a r a c t e r i s t i c sv e c t o r sa r et r a n s m i t t e df r o mi m a g e p r o c e s s i n gc o m p u t e rt o c o n t r o l c o m p u t e rt h r o u g hs e r i a lp o r t o nt h eo t h e rh a n d ，i ob o a r dp cc o n n e c t ss e n s o r s ，j o i n t i v 一v 一 东北大学硕士学位论文目录 目录 声明i 中文摘要i i a b s t r a c t i v 第l 章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 研究现状1 1 2 1 视觉系统的发展情况”1 1 2 2 交流伺服系统的发展2 1 3 视觉伺服系统的分类4 1 3 1 基于位置的视觉伺服5 1 3 2 基于图像的视觉伺服5 1 3 2 混合视觉伺服6 1 4 三自由度毽球机器人介绍”6 1 5 主要研究内容7 第2 章三自由度毽球机器人系统设计9 2 1 毽球机器人伺服系统的组成9 2 2 三自由度毽球机器人的机械结构设计1 0 2 2 1 总体方案及设计思想1 0 2 2 2 空间直角坐标导轨1 1 2 2 3 机械腿的设计1 l 2 2 4 具体动作举例1 3 2 3 视觉子系统的硬件组成1 5 2 3 1 摄像头的选取”1 5 2 3 2 数模转换卡l6 2 4 伺服子系统的硬件组成“1 7 一v i 目录 3 1 5 机械腿一摄像头的标定一2 7 3 2 目标轨迹估计3 2 3 2 1 目标物体受力分析3 2 3 2 2 最小二乘法进行轨迹估计3 5 3 2 3 卡尔曼滤波器算法3 6 3 2 4 毽球落点估计3 8 3 3 本章小结3 8 第4 章视觉子系统3 9 4 1 软件环境与编程语言4 0 4 2 成像原理4l 4 2 1 单目成像原理4 1 4 2 2 双目成像原理4 2 4 3 图像的自动获取4 4 4 4 图像噪声的消除4 5 4 5 图像分割4 6 4 6 图像的特征标定一4 9 4 6 1 图像的几何特征4 9 4 6 2 图像的形态特征5 l 4 7 图像的三维重建5 2 一v i t 5 2 1q 0 2 h 系列p l c 主要结构5 7 5 2 2 多c p u 的p l c 系统原理5 7 5 3 系统交流伺服结构6 1 5 3 1 运动控制器6 l 5 3 2 伺服放大器。6 2 5 3 3 伺服电机6 3 5 3 4s s c n e t 网络。6 5 5 3 5 入机界面6 6 5 3 6 智能功能模块6 7 5 4 伺服系统控制电路结构6 9 5 5p l c 程序设置7 l 5 5 1p l c 的编程环境7 l 5 5 2p l c 中智能功能模块的设置”7 3 5 6 动控制c p u 程序设计7 5 5 6 1 运动控制c p u 的编程环境7 5 5 6 2 参数设置7 6 5 6 3s 曲线率7 6 5 7 本章小结7 8 第6 章总结与展望7 9 参考文献8 l 致谢8 5 攻读硕士期间发表的论文及获奖情况8 7 一v i i i ， 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 目前，视觉伺服技术已经成为高新技术领域内具有代表性的战略技术之一，视觉伺 服系统结合了二者的优点，既有视觉子系统的智能性、准确性又有伺服子系统精确性、 快速性。使得传统工业发生了革命性的变化。但是目前即使是世界上智能最高的机器人， 对外部环境的认知也是有局限性的。其中一个重要原因就是机器人缺乏像人一样的感知 能力和对复杂的环境的分析能力。随着人们对机器人运动特性的要求不断提高，带有感 觉的智能机器人的研究成为各国政府高薪技术计划的重要内容之一。视觉传感器为机器 人提供了十分丰富的外界信息，在不需要传感器的运动及物体无任何接触的情况下，就 可以达到对环境和目标的识别，这是其他传感器难以做到的。机器人视觉是机器人智能 化的一个主要研究方向，因此对它的研究具有重大意义【l 】。 机器人视觉伺服是机器视觉和机器人控制的有机结合，利用机器人视觉的原理，从 图像反馈信息中快速进行图像处理，并在尽量短的时间内给出控制信息参数，构成机器 人的位置闭环控制。伺服来自英文单词s e r v o ，指系统跟随外部指令进行人们所期望的 运动，运动要素包括位置、速度和力矩等。伺服系统的主要任务是按照控制命令的要求， 对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的力矩、速度及位置都能得 到灵活方便的控制。伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系 统包括伺服电机、反馈装置和控制器。控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制，包括 力矩、速度和位置等。再利用伺服系统的快速性、准确性根据视觉子系统所给出的位置、 速度信号进行运动控制。该过程是一个非线性的复杂系统，所以目前还处于最终实验调 试阶段距离实际应用还有一段距离【2 】。 总之，处于计算机视觉和智能机器人视觉研究前沿的智能机器人视觉伺服控制的研 究，是一个不仅具有重要的理论意义，而且还具有广阔的工业前景的基础性研究课题。 1 2 研究现状 1 2 1 视觉系统的发展情况 从上世纪六十年代开始，计算机和电子技术的快速发展而出现了机器人视觉。把视 觉信息用于机械手定位的研究可以追溯到7 0 年代，已经可以识别某些形状简单的物体， 也能认识室内的桌子等物品。虽然研究进展很快，但是不能用于实际。到了8 0 年代后 期，出现了专门的图像处理硬件，人们开始系统地研究机器人视觉控制系统，到了9 0 1 一 召 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 年代，随着计算机能力的增强和价格下降，以及图像处理硬件和c c d 摄像机的快速发 展，机器人视觉系统吸引了众多研究人员投身于其中。9 0 年代后期视觉伺服控制技术从 结构形式、图像处理方法、控制策略上都有了长足的进步。视觉伺服是利用视觉传感器 得到的图像作为反馈信息，构造机器人的位置闭环反馈。它和一般意义上的机器人视觉 有所不同，机器人视觉一般定义为：自动地获取分析图像以得到描述一个景物或控制某 种动作的数据。而视觉伺服则是以实现对机器人控制为目的而进行图像的自动获取与分 析，因此它是利用机器视觉的原理，从直接得到的图像反馈信息中，快速进行图像处理， 在尽量短的时间内给出反馈信息，参与控制决策的产生，构成机器人位置闭环控制系统。 机器人视觉伺服控制的研究领域众多，主要有计算机视觉、图像处理、机器人运动学、 机器人动力学、控制理论、实时计算等多个学科相互交叉和融合而成的，所以实现机器 人视觉伺服控制有一定的难度，是机器人研究领域中十分具有挑战性的课题i l 3 】。 1 2 2 交流伺服系统的发展 在2 0 世纪6 0 年代，直流电机作为主要执行部件，7 0 年代以后，交流伺服电机的性 价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。伺服系统的发展紧密 地与伺服电动机的不同发展阶段相联系，伺服电动机至今已有五十多年的发展历史，经 历了三个主要发展阶段【3 j ： 第一个发展阶段( 2 0 世纪6 0 年代以前) ，此阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马 达或以功率步进电动机直接驱动的时代，伺服系统的位置控制为开环系统。 第二个发展阶段( 2 0 世纪6 0 7 0 年代) ，这一阶段是直流伺服电动机的诞生和全盛 发展的时代，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电 动机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。在数控机床的应用领域， 永磁式直流电动机占统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。 第三个发展阶段( 2 0 世纪8 0 年代至今) ，这一阶段是以机电一体化时代作为背景的， 由于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电动 机( 方波驱动) ，交流伺服电动机( 正弦波驱动) 等多种新型电动机。 进入2 0 世纪8 0 年代后，因为微电子技术的快速发展，电路的集成度越来越高，对 伺服系统产生了很重要的影响，交流伺服系统的控制方式迅速向微机控制方向发展，并 由硬件伺服转向软件伺服，智能化的软件伺服将成为伺服控制的一个发展趋势。 伺服系统控制器的实现方式在数字控制中也在由硬件方式向软件方式发展，在软件 方式中也是从伺服系统的外环向内环、进而向接近电动机环路的更深层发展。 目前，伺服系统的数字控制大都是采用硬件与软件相结合的控制方式，其中软件控 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 制方式一般是利用微机实现的。这是因为基于微机实现的数字伺服控制器与模拟伺服控 制器相比，具有下列优点： ( 1 ) 能明显地降低控制器的硬件成本。速度更快、功能更新的新一代微处理机不 断涌现，硬件费用会变得很便宜。体积小、重量轻、耗能少是它们的共同优点。 ( 2 ) 可显著改善控制的可靠性。集成电路和大规模集成电路的平均无故障时 ( m t b f ) 远远长于分立元件电子电路。 ( 3 ) 数字电路温度漂移小，也不存在参数的影响，稳定性好。 ( 4 ) 硬件电路易标准化。在电路集成过程中采用了一些屏蔽措施，可以避免电力 电子电路中过大的瞬态电流、电压引起的电磁干扰问题，因此可靠性比较高。 ( 5 ) 采用微处理器的数字控制，使信息的双向传递能力大大增强，容易和上位系 统联运，可随时改变控制参数。 ( 6 ) 可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件电路，其中软件可以模块化设 计，拼装构成适用于各种应用对象的控制算法，以满足不同的用途。软件模块可以方便 地增加、更改、删减，或者当实际系统变化时彻底更新。 ( 7 ) 提高了信息存贮、监控、诊断以及分级控制的能力，使伺服系统更趋于智能化。 ( 8 ) 随着微机芯片运算速度和存贮器容量的不断提高，性能优异但算法复杂的控 制策略有了实现的基础。 最近l o 年中，永磁同步动机性能快速提高，与感应电动机和普通同步电动机相比， 其控制简单、良好的低速运行性能及较高的性价比等优点使得永磁无刷同步电动机逐渐 成为交流伺服系统执行电动机的主流。尤其是在高精度、高性能要求的中小功率伺服领 域。而交流异步伺服系统仍主要集中在性能要求不高的、大功率伺服领域。 2 l 世纪将是各项科学技术飞速发展的世纪。相信随着材料技术、电力电子技术、控 制理论技术、计算机技术、微电子技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高， 同时伴随着制造业的不断升级和“柔性制造技术 的快速发展，必将为“柔性加工和制 造技术 的核心技术之一的“伺服驱动技术”迎来又一大好的发展时机。 1 3 视觉伺服系统的分类 在十九世纪八十年代，s a n d e r s o n 与w e i s s 介绍了一种分类方法【2 j ，一直沿用至今。 它可以表述为两个问题；视觉控制器是为关节控制环节提供位置指令还是直接给出关节 的控制输入，如果是前者就成为动态l o o ka n dm o v e 系统，如果是后者则为视觉直接伺 服系统；控制器的指令误差信号是3 d 位置信号还是2 d 的图像特征信号，如果是前者 则称为基于位置的视觉伺服系统( p b v s ) ，后者则称为基于图像的视觉伺服系统( i b v s ) 。 抓取物体是应用比较广泛的，其中如果安装在机器手的摄像机只能看到目标物体，那么 一3 一 1 章绪论 眼系统能得到目标的精确位置，可以实现精确控制，但只能得到小的工作空间场景，而 且由于手眼系统只能观察到目标而无法观察到机器人末端，因此需要通过已知的机器人 运动学模型来求解目标与机器人末端的位置关系，对标定误差以及运动学误差比较敏 感。固定放置的摄像机既可以观察到目标也可以观察到机器人末端，并且可以得到大的 工作空间场景，能得到机器人末端相对于目标的相对速度，但无法得到目标的准确信息， 且机器人运动可能造成目标图像的遮挡。为了克服两种摄像机放置位置的不足，当前的 一种解决方法是两种方式的协作使用。根据误差信号定义的不同，还可以将视觉伺服分 为基于位置的视觉伺服和基于图像的视觉伺服。基于位置的误差信号定义在三维笛卡儿 空间，而基于图像的的误差信号定义在二维图像空间【3 。5 1 。， 1 3 1 基于位置的视觉伺服 基于位置的视觉伺服系统根据得到的图像，由目标的几何模型和摄像头模型估计出 目标相对于摄像头的位置，得到当前机器人的位置和估计目标位置的误差，通过视觉控 制器进行调节，其结构如下图所示 4 - 7 1 。 ；卜一视觉控制器 ；卜叫机器人控制器卜_ 叫机器人动力学卜_ 叫 机器人 卜_ ij i * + 女自l q i l - 一一 天节控制语p r _ 一 l 位置估计卜一图像处理卜一 摄像机 一 图1 1 视觉控制流程图 1 基于位置的视觉伺服需要通过图像三维重建，在三维笛卡尔空间计算误差。这种方 一4 一 东北大学硕士学位论文 法的优点在于误差信号和关节 由于根据图像估计目标的空间位置，机器人的运动模型误差和摄像头的标定误差都直接 影响系统的控制精度8 棚】。 1 3 2 基于图像的视觉伺服 基于图像的视觉伺服系统直接计算图像误差，产生相应的控制信号，不需要三维重 建，但需要计算图像雅克比矩阵。基于图像特征的视觉伺服的结构如下图所示1 1 彤】。 争叫杉嘣空帝| 船目g 叫棚器 控韦惴卜叫机器人动力斟叫 秽隅人 卜_ lji j 士电，啦1 强z l | 一一 l 天巾t 错b * 孺r l 封。冢处埋 | | m l l j - 鼎r i 下 尉抛 诹l 习叩h1 1 图1 2 视觉伺服流程图 f i g 1 2f l o wc h a r to fs e r v os y s t e m 基于图像视觉伺服的优点是对标定误差和空间模型误差不敏感，缺点是设计控制器 困难，伺服过程中容易进入图像雅可比矩阵的奇异点，一般需要估计目标的深度信息， 而且只在目标位置附近的邻域范围内收敛。求解图像雅可比矩阵主要有3 种方法：直接 估计方法、深度估计方法、常数近似方法。直接估计方法不考虑图像雅可比的解析形式， 在摄像机运动过程中直接估计得到数值解。深度估计的方法需要求出图像雅可比矩阵的 解析式，在每一个控制周期估计深度值，代入解析式求值。这种方法实时在线调整雅可 比矩阵的值，精度较高，但计算量较大。常数近似方法是简化的方法，图像雅可比矩阵 的值在整个视觉伺服过程中保持不变，通常取理想图像特征下的图像雅可比矩阵的值。 常数近似的方法只能保证在目标位置的一个更小邻域内收敛【l5 1 。 1 3 3 混合视觉伺服 由于基于位置和基于图像的视觉伺服系统都具有一些难以克服的缺点，人们提出了 混合视觉伺服方法。混合视觉伺服方法是采用图像伺服控制一部分自由度，余下的自由 度采用其他技术控制，不需要计算图像雅克比矩阵。混合视觉伺服以m a l i s 提出的2 5 d 视觉伺服方法最具代表性【1 7 】。 1 4 三自由度毽球机器人简介 所谓的“三自由度毽球机器人是具有感知，决策、行动和交互功能的智能机器人。 其以便于入门、易于扩展、容易实验移植等诸多优点，已经成为国内外各科研机构、学 一5 一 论 视 是 提 法 据 行 图1 3 系统结构不意图 f i g 1 3f r a m e w o r ko ft h es y s t e m 首先在三维空间中进行坐标标定，其中包括：世界坐标、摄像头坐标和目标坐标。 先让机械装置回复到原始准备状态。首先通过两个在不同方向上的摄像头以3 0 帧的速 度提取目标物体的信息，并将图像进行处理，并通过所得信息对目标物体的运动轨迹进 行预测性估计。在此我们采用的是边观察边估计边控制的方法从而大大的缩短了控制、 数据处理、传输的时间，为整个系统的实现打下了坚实的基础。并且由于目标物体是毽 球，所以对毽球的控制不仅需要实时性、准确性，还需要可预见性和可适应性的操作。 伺服子系统对踢毽球的机械腿进行角度和扭矩的精确控制，此控制带有经验性和估计 行。 其数据通信是通过摄像头观测的位置和速度目标数字化，然后传递给数模转换卡， 再由p c 机种的数模转化卡传送到p l c 的a d 模块。由p l c 根据系统要求发出控制信号 作用于伺服放大器，使电机工作在慢速、快速、停止再慢速不断循环的状态【l o l 。 1 5 主要研究内容 一6 一 查! ! 垄堂塑主茔堡垒墨整! 主堕堕 本课题的主要研究内容是建立一个基于三自由度的视觉伺服系统，并研究该系统的 视觉子系统和伺服子系统的实现方案。关键问题是充分利用现有设备设计最经济、最快 速的系统方案建立一个三自由度的机器人实验系统。视觉子系统的搭建并要求其能完全 满足实时性、准确性和可预见性的要求。伺服控制子系统的搭建并要求其能完全满足快 速性、准确性等要求。系统结构图如下图所示【l 习： ，区叫螺li 机器人控带i 硎- 机器人 j j l 采样图像 呻嬗，速埠皈馈卜 图像采集，处理l - 。i 揖侑n ：；h1 傲1 豸u e p 洲l 、 图1 4 系统结构图 f i g 1 4f r a m e w o r k o ft h es y s t e m 本文所做的主要工作有： ( 1 ) 分析了视觉伺服系统的优缺点，并且独自完成毽球机器人的视觉伺服系统的 硬件选购和搭建等工作，特别是设计了平行杆结构，该结构能够更好的模拟人腿的动作， 并简化控制的复杂度。 ( 2 ) 确定了双闭环的视觉伺服系统，其中内环为三维伺服控制( 包括位置和速率) ， 通过伺服系统执行的位置和速度反馈来稳定；外环为视觉控制器，利用双目摄像头作为 视觉传感器进行反馈信息，并利用反馈信息进行对伺服系统进行运动操作。 ( 3 ) 在视觉子系统的软件设计上，在o p e n c v 环境下完成图像采集、噪声消除、 图像分割、特征提取以及传输数据等功能，经过实验验证，速度完全满足要求，特征提 取基本准确，能够完成预定目标。 ( 4 ) 在伺服子系统的硬件设计上，设计了毽球机器人的交流伺服系统的硬件结构， p l c 选型及硬件配置等。系统采用了多c p u 的三菱q 系列p l c 作为系统的控制核心， 其中由q 0 2 h c p u 作为系统的p l cc p u 对系统进行顺序逻辑控制，q 1 7 2 c p u 作为运动 控制器，对系统进行运动控制，复杂的伺服控制由运动控制c p u 模块完成，工作稳定可 靠。 ( 5 ) 在伺服子系统的软件设计上，给出了毽球机器人的具体设计方法和控制理论。 其中，总体软件设计部分，重点讨论伺服系统的运动控制部分的制作方法，利用g x 软 件，对p l cc p u 进行程序编写，实现对伺服系统的总体控制：利用m t 软件对运动控制 c p u 进行s f c 程序编写，实现对伺服系统的运动控制；利用g t 软件制作人机界面，对系 一7 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 统的运行进行数据监控。 ( 6 ) 通过使用最小二乘法进行轨迹估计。通过比较多种滤波方法的优缺点，最终 选用卡尔曼滤波的方法图像辨识，对毽球在空间中的定位进行滤波处理。 一8 一 一 东北大学硕士学位论文第2 章三自由度毽球机器人系统设计 第2 章三自由度毽球机器人系统设计 本课题的研究对象为自主研发的三自由度视觉伺服机器人，机器人共有三个关节， 每个关节分别由一台永磁交流伺服电机独立控制，并选用编码器进行精度控制，其控制 精度达到1 3 万多脉冲，两个摄像头安装在三自由度机器人的上方和平行方向采用双闭 环结构。本章主要就机械腿的结构、机器人运动学、视觉伺服控制方案和系统工作原理 做出详细的阐述。 2 1 毽球机器人伺服系统的组成 所谓“机器人”，是具有感知、决策、行动和交互功能的智能机器。体育机器人作 为其众多分支中的一支，以其便于入门、易于扩展、容易试验移植等诸多优点，已成 为国内外各科研机构、学术单位重点发展的项目。 在体育机器人系统的开发过程中，不仅要综合机器人学、机电一体化、通讯与计 算机技术等，而且还涉及图像处理、决策与对策、人工生命与智能控制等多学科的内 容。然而由于传统的体育机器人系统对于数据的处理及动作反馈大多局限于二维空间， 因此“毽球机器人”作为富有开创性的体育机器人概念，应用先进的基于图像的机器人 视觉伺服系统，分析、处理获取的图像数据，将机器人的“活动空间”扩展至三维世界， 是对原有体育机器人系列的一种扩展、提高和更新，该领域也正是国内外科研界的热 门研究方向【1 8 】。 目前，关于机器人视觉伺服系统的理论和实验研究已有二十年的历史，积累了大 量宝贵的经验，也取得了很大的成绩，成功地设计出活跃在训练场或赛场的五花八门 的“体育机器人 日本的网球机器人、乒乓机器人、摔跤机器人、相扑机器人， 比利时的射门机器人，俄罗斯的击剑机器人，德国的拳击机器人等。然而，应用视觉 伺服机器人对运动目标进行操作，仍需在以下方面开展进一步的研究： ( 1 ) 视觉处理速度、精度的研究。 ( 2 ) 如何从控制理论方面，对该系统的动力学模型进行理论分析及研究，实现快 速稳定的视觉控制算法，是提高视觉伺服机器人动态特性的关键。 ( 3 ) 视觉伺服机器人操作运动目标，对系统的实时性提出了更高的要求。 ( 4 ) 视觉传感器与力、触觉等传感器相结合的研究。 近年来计算机视觉与模式识别技术的快速发展和伺服控制系统性能的不断提升，为 一9 一 东北大学硕士学位论文第2 章三自由度毽球机器人系统设计 具有视觉伺服系统的智能机器人的开发提供了有力的支持。在此基础上，本项目“毽球 机器人”集成各领域技术发展的成果，顺应了视觉伺服发展的主流趋势，运用自主开发 的轨迹预估算法及控制程序，为机器人视觉伺服系统的应用提供了新的探索途径【l 引。 本文所研究的视觉伺服系统由机器腿机械结构、伺服子系统、视觉子系统、主控计 算机以及图像处理计算机等部分组成。其中视觉子系统由基于1 3 9 4 接口的摄像头、主 控p c 和相应的视觉算法组成。伺服子系统包括p l c q 0 2 c p u 、q 1 7 2 c p u 、q 6 4 a d 模块 以及伺服放大器、伺服电机等。最后通过p c ia d 6 6 3 1 板卡实现视觉伺服控制。系统的 总体结构如图： - l ：j ，zi tl ：7 - 茸l 图2 1 系统结构流程图 f i g 2 1f r a m e w o r ko ft h es y s t e m 首先在机械腿的可控范围内放入一个已经标定好的毽球，然后通过两个摄像头( 其 中一个放在机械结构的正上方，另一个放在执行腿的水平方向上) 对毽球的进行观测， 并将毽球的位置信号数字化，并进行轨迹估计的模糊算法处理。将预估计的位置和速度 信号通过p c i 6 6 31 d a 转化卡和q 6 4 a d 模块传送到p l c q 0 2 c p u 上，再通过伺服子系统 对机械结构进行控制，并完成一次运动。 2 2 三自由度毽球机器人的机械结构设计 2 2 1 总体方案及设计思想 经过对现有机器人结构类型的研究，为了最大程度模拟人踢毽球的动作，我们采用 平面二维直角坐标导轨与旋转轴相结合的设计方案，如图2 2 所示。通过对机器人动作 执行的分解，将三维运动分解成水平x y 平面内的平动和竖直z 轴方向机械臂的转动， 从而使机器人经过直角坐标导轨提前运动到击球点正下方，再控制机械臂的转动实现对 毽球的击打动作。 一10 东北大学硕士学位论 f i g 2 2f r a m e w o r ko fm a c h i n e 2 2 2 空间直角坐标导轨 直角坐标导轨主要是根据毽球机器人的硬件要求所设计的。其要求是在l m x l m x l m 的空间中能够自由的踢毽球【19 1 。 ( 1 ) 材质：为了既保证机械结构美观、耐磨抗压，又尽量减轻重量、节约成本， 我们采用铝合金方管作为机械导轨和机械臂支架的主要材料。 ( 2 ) 尺寸：作为一种体育机器人，毽球机器人要求具有一定的活动范围，可以展 现其高速、稳定的运动能力。但成本考虑，过大的尺寸不仪需要更多的原材料，同时为 了实现更大的运动范围，我们将采用机械强度更大、更为昂贵的原材料。基于以上两点 考虑，我们设计的机械尺寸为1 o m x l o m 的平面直角坐标导轨，长度为0 2 5 m 的机械臂。 这样的尺寸既为机器人运动提供了空间，可以充分反映出其快速的启动、制动能力，又 可以体现出其定位精度和控制精度，还有效节约了制造成本。 ( 3 ) 传动方式：考虑到毽球机器人的特点，电机结构和机械结构的传动方式采用 皮带传动的方法，用两根强度为x 的皮带，通过导轨对侧的滚轮，分别实现对x 、y 方向 的传动。相比与另一种常用的传动方式滚珠丝杠，皮带传送更适用与高速传动的应 用场合，在造价上也有很大的优势。 ( 4 ) 减速器：经过理论分析和相应计算，我们对负载最大的x 轴伺服电机增加了减 速比为5 ：1 的行星齿轮减速器，有效解决了无法在高速下带动较大负载的问题。 2 2 3 机械腿的设计 ( 1 ) 改进一：考虑完成击球动作是对速度和精度要求很高，机械腿的重量应该较 重，并且转动半径不易过大，击球面弹性较好且摩擦力应该较小，我们以普通的乒乓球 拍为基础经一些处理加工后作为毽球机器人的执行装置。 一1 1 一 结构就能完全保证在击球的任意时刻击球面与水平面的夹角始终保持一个定值，且击球 面的旋转范围为3 6 0 0 的范围，也就是说击球面围绕电机旋转轴旋转到竖直平面内任意一 个角度坐标时都能保证击球角度始终恒定不变，如图下图所示： 一1 2 一 i 东北大学硕士学位论文第2 章三自由度毽球机器人系统设计 图2 4 球拍转动示意图 f i g 2 4t h em a po fr a c k e tt u r n n i n g 当改变击球角度时，只需转动e 、f 两轴，击球角度原理图如图2 5 所示： 向前击球时击球面的角度 向上颠球时机器面的角度 2 2 4 具体动作举例 向后击球时击球面的角度 图2 5 球拍击球角度调整图 f i g 2 5t h em a p o fr a c k e ta n g l ea d j u s t 一：颠球动作： 步骤一：转动e 轴、f 轴，调整击球面角度至水平，如图2 6 所示： 一1 3 东北大学硕士学位论文 第2 章三自由度毽球机器人系统设计 图2 6 球拍转动水平结构图