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中文摘要 视觉伺服机械手打击运动目标方法与实验研究 研究生： 导师： 学校： 卢军鑫 史金飞教授 罗翔副教授 东南大学 中文摘要 目前智能机器人的研究已经成为国内外研究热点。本课题以江苏省自然科学基金项目视觉伺服机械 手捕捉运动目标关键技术研究为背景，在实验室已有的平面三自由度机器人系统平台上，对机器人打击 运动目标及避障问题展开了研究。 本文首先对课题中的交流伺服系统进行分析，采用工程法对伺服系统速度环和位置环参数进行整定， 给出了一些常见的问题及解决方法。提高了系统的动态性能，解决了先前系统机械臂在运动中存在抖动的 问题。 为了能完成打击乒乓球这个目标，本文对实验机器人进行了运动学分析，结合其结构特点，在逆运动 学计算上，提出了一种优化解法，并给出了本实验机器人的正逆运动学计算公式。在已有系统的基础上， 提出了一种在平面上打击运动乒乓球的方案，该方案包括运动目标预测和机械手运动轨迹规划两部分。先 对方案进行仿真，验证了方案的可行性。在仿真的基础上，在实验室的机器人平台上进行实验，实验的结 果表明了该方案对打击近似匀速直线运动物体具有比较好的效果。 在研究避障的问题上，本文引入了伪最小平移距离来进行物体间的碰撞检测。采用了假设修正法对路 径进行规划。在生成中间点时，针对本系统提出了一种简单却有效的方法。在静止、简单障碍物的背景下， 对该方法进行了仿真，验证了方法的有效性。 关键字：实时打击；冗余度机器人：路径规划；假设修正法 a b s t r a c t t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nm o v i n go b je c th i t t i n gb yv i s u a l s e r v om a n i p u l a t o r l uj u n x i n s u p e r v i s e db yp r o f e s s o rs h ij i n f e i a n da s s o c i a t ep r o f e s s o rl u ox i a n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t a tp r e s e n ti n t e l l i g e n tr o b o tr e s e a r c hh a sb e c o m eah o tr e s e a r c h t | l i sp a p e r , w i t ht h eb a c k g r o u n do fj i a n g s u p r o v i n c en a t u r a ls c i e n c ef u n dp r o j e c t s ，d i s c u s s e st h ep r o b l e mo fr o b o th i t i n gm o t i o no b j e c ta n da v o i d i n go b s t a c l e o nt h ep l a t f o r mo fa3 - d o fp l a n a rr o b o ts y s t e m f i r s t l y , a n a l y s e st h ea c $ e r v os y s t e mu s e di nt h es u 巧e c t t u n e ss y s t e m ss p e e dl o o pa n dp o s i t i o nl o o p p a r a m e t e r sw i t he n g i n e e r i n gm e t h o d s o m ec o m m o np r o b l e m sa n ds o l u t i o n si nt h ee x p e r i m e n ta r cg i v e n w i t h t h e s et u n i n g , i m p r o v e st h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma n dr e s o l v e st h ep r o b l e mo fp r e v i o u ss y s t e mt h a t m a n i p u l a t o r se x i s t i n gt h et i n yv i b r a t i o ni nt h em o v e m e n t i no r d e rt ob ea b l et oh i tt h em o v i n gt a b l et e n n i s ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ek i n e m a t i c so fe x p e r i m e n t a lr o b o t n i sp a p e rp r e s e n t sa l lo p t i m i z e ds o l u t i o no ft h ei n v e r s ek i n e m a t i c sa c c o r d i n gt os y s t e ms t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c o nt h eb a s i so fk i n e m a t i c sk n o w l e d g ed r i v e st h ek i n e m a t i c sf o r m u l af o rt h i ss y s t e m o nt h eb a s i so fe x i s t i n g s y s t e m ，a d d r e s s e san e wm e t h o do fh i t t i n gm o t i o no b j e c to nt h ep l a t f o r m t h i sm e t h o di n c l u d e sm o t i o n p a r a m e t e r se s t i m a t i n ga n dm a n i p u l a t o rm o t i o nc o n t r 0 1 1 1 1 er e s u l t so ft h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tc e r t i f yt h e e f f i c i e n c yo ft h em e t h o dt oh i tm o t i o no b j e c tw h i c hm o v e sa l o n ga p p r o x i m a t e l yas t r a i g h tl i n eo nt h ep l a n e t h e n , t h i sp a p e ri n t r o d u c e sap s e u d 渊l i i l i m u md i s t a n c et r a n s l a t i o nt oc a r r yo u tt h ec o l l i s i o nd e t e c t i o n0 1 1t h e o b s t a c l ea v o i d a n c er e s e a r c h u s e sa s s u m p t i o n - a m e n d m e n tm e t h o do nt h ep a t hp l a n n i n ga n dp r e s e n t sas i m p l e b u te f f e c t i v em e t h o df o r 臼i i ss y s t e mw h e ng e n e r a t e st h em i d d l ep o i n t s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ti nas t a t i c ， s i m p l eo b s t a c l e se n v i r o n m e n ts h o wt h a tt h i sm e t h o di se f f e c t i v e k e y w o r d ：r e a l t i m eh i t ；r e d u n d a n tr o b o t ；p a t hp l a n n i n g ；a s s u m p t i o n - a m e n d m e n tm e t h o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：期：2 堕垒塑丝星 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 坪。 研究生签名：至窒鑫导师签名： 丐翱 l 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、 规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。机器人技术有着及其广泛的研究 和应用领域，它涉及到一些学科间的研究和发展，如机械学、电子技术、控制理论、传感技术等等，充分 反映了一个国家的高技术水平。目前，机器人已经在工业、农业、商业、旅游业、空间和海洋以及国防领 域获得越来越普遍的应用。机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产和科学技术研究发生根本性 的变化，而且将对人类的社会生活产生深远意义的影响。世界各国都非常重视机器人技术的发展和机器人 在生产生活中的应用。 机器人是人类幻想很久的与自身功能相似的机器和装置。早在三千多年前的西周时代，我国就出现了 能歌善舞的木偶，称为“倡者”，这可能是世界上最早的“机器人”。随着第一次、第二次工业革命，各种机 械装置的发明与应用，世界各地出现了许多“机器人”玩具，这些装置大多由时钟机构驱动，用凸轮和杠 杆传递运动。随着计算机技术、现代控制技术、传感技术、人工智能技术的发展，机器人得到了迅速发展。 在2 0 世纪5 0 、6 0 年代出现了现代机器人。1 9 5 4 年美国人乔治德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器 人，并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。 通常按照机器人的智能程度划分可把机器人分为3 种类型：一、“示教再现”式机器人，该机器人不 具有智能，只具有一般编程能力和操作功能；二、具备一定感觉能力的第二代机器人，又叫做自适应机器 人，它在第一代机器人的基础上发展起来的，能够具有不同程度的“感知”周围环境的能力。例如，有了 一定的听觉、触觉、视觉感知的能力；三、智能型机器人，智能机器人具有感知功能与识别、判断及规划 功能。也就是说具有人类和动物所具有的低级智能。机器的智能分为两个层次：l 具有感觉、识别、理解 和判断功能：2 具有总结经验和学习的功能。智能机器人的感官系统主要由传感系统组成( 包括视觉、听 觉、嗅觉、接近觉、力觉和红外、超声及激光等) ，对传感信息处理、实行控制与操作的能力。从应用环 境出发，可以将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多 关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各 种先进机器人，包括服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人和农业机器人等。目前市场上保 留的机器人中工业机器人占主导地位，特别在日本，目前大约有3 9 0 5 0 0 台工业机器人投入在现代化生成 中，对日本汽车、电子、电动机行业的发展起了很大的作用。特种机器人则是以后机器人研究领域的一个 重点，特别是军用机器人和服务机器人。 目前，机器人正朝着智能化方向发展，不仅仅表现在使用传感器及设备的精度和频率不断提高，如最 新的视觉系统最高频率达到了1 k h z ，微处理机的处理速度也有了很大的提高，而且还表现在控制策略和 控制算法不断改进，如变结构内模控制、分层递阶控制、模糊控制、神经网络控制、模糊神经网络控制、 遗传算法及进化计算方法和人工智能的引入等。除此而外，还从人和动物等生物的活动中，在机构、移动 模式、运动机理、能量分配、信息处理与综合，以及感知和认知等方面得到启发，产生了仿生机器人研究 的热潮。如蛇形移动机构、人工肌肉、仿象鼻柔性臂、人造关节、假肢、多肢体动物的运动协调研究等。 在目前的智能型机器人中采用视觉传感器的机器人比较多。有研究表明，人类所接收的外部信息里， 大约7 0 8 0 是通过视觉渠道得到的。同样道理，如果在机器人上安装视觉传感器，使之像人一样也有 “视觉”的能力，将极大幅度提升机器人的智能水平。近年来，随着机器视觉理论和技术得到了迅速的发 展，在机器人或其他智能机器上赋予人类视觉功能正在逐步实现。视觉系统大多由摄像机、测距系统和图 像处理器等组成。另外，为了改善机器人的灵活性，在机构方面也有了比较大的改进。在2 0 世纪8 0 年代 末，出现了冗余自由度机器人。冗余自由度机器人从运动学观点来看指完成某一特定任务时，机器人具有 多余的自由度。就是这些多余的自由度，让机器人产生了自运动。人们利用其特有的自运动，克服一般机 东南大学硕士学位论文 器人灵活性差、避障能力低、关节超限以及动力性能差等缺点。 众所周知，人或动物等生物对于周围环境的变化有很快的相应反应。如在打球时，能快速、准确的接 住队友的传球；在行走时，遇到障碍物能自动着绕开障碍物，虽然这只是人类比较低级的智能表现之一， 但对于机器入来说，想达到人类的水平也不容易。虽然机器人技术有了比较大的发展和进步，现在的机器 人功能越来越强大，在某些方面可以做到比人类本身更快、更强有力和重复精度更高，但机器人的智能， 对环境的理解还远达不到人类的水准，在许多工作上，机器人还无法代替人。因此研究这些机器人做着还 不如人类方面的工作对研究机器人的智能具有明显的理论和应用意义。 有研究表明人类在捕捉运动物体和避障的过程中，始终存在两个功能模式，即目标辨识、定位和视觉 控制运动。除此以外，可以从人类经过长期的训练形成的捕捉运动、避障行为的习惯和知识中得到启发， 从智能推理实时运动规划和视觉伺服控制两个方向去解决问题。本课题基于江苏省自然科学基金项目视 觉伺服机械手捕捉运动目标关键技术研究，在实验室已有的视觉伺服平面三自由度机器人系统平台上， 采用理论与实验相结合的方式，对机器人捕捉运动目标及避障问题展开初步的研究。 1 2 国内外研究现状 迄今为止，在捕捉或打击问题实验研究方面，国内外已经有了不少的研究。如a k i on a m i k i 和m a s a t o s h i i s h i k a w a t l 】设计了一个捕捉竖直下降物体的视觉伺服机器人系统，该系统的视觉系统部分采用了高速的平行 柱面视觉系统，该视觉系统的频率高达1 0 0 0 h z 。机器人本体部分是一个3 手指的机械手，该机械手左右 两指有两个弯曲自由度和一个平移自由度，中间手指有两个弯曲自由度。实验的任务是通过快速的视觉反 馈信息来引导机械手捕捉从正上方1 米高处竖直下落的柔软的物体，在实验中取得不错的效果。不过该论 文研究更多的是如何平稳的接住物体，即机械手指的力控制，而且实验区域有限制，在机械手的正上方。 k o i c h in i s h i w a k i 等人雎1 用类人机器人s a i l ( a 来捕捉竖直下落和抛过来的球，在论文中他把捕捉球分成了 3 步，首先是用安装在头部的平行双目视觉对球进行定位，然后预测球的运动轨迹确定捕捉点，最后通过 神经网络逆运动学模式控制手运行到捕捉点。在实际捕捉抛过来的球时，考虑到视觉系统图像处理原因， 采用了目标预测的方法而不是视觉反馈的方法。该系统在捕捉竖直下落的球时取得了较好的效果。r y o s u k e m o d 等人1 在研究了棒球手接球过程后提出了g a g ( g a i n i n ga n g l eo fg a z e ) 策略来捕捉空间飞行物体，他们 在一个可在平面上移动的机器人捕捉手臂上垂直安装了一个摄像机，在捕捉飞行小球时，驱动机器人以合 适的速度移动，确保摄像机凝视小球的直线与水平线夹角的正切值能以有限的加速度持续增长。这样就 可以确保机器人在小球在落地前接住小球，因为小球在飞行过程中应该始终满足0 。 口 9 0 。的条件。虽 然该实验在捕捉飞行物体过程中机器人只是在2 维平面中移动，但该方案只采用单目摄像机就完成了捕捉 飞行物体的任务，方法比较新颖，有一定的可取之处。a k i on a m i k i 等人h 1 提出了一种在线轨迹生成的方法 并用于捕捉运动物体中，该方法通过学习运动学和动力学的约束，把视觉信息直接非线性的映射成需要的 轨迹信息。在实验中采用了频率高达1 0 0 0 h z 的高速视觉系统解决了视觉处理慢的问题，使之能满足机器 人操作臂的实时控制。该方法较之传统的预测方法，在视觉系统快速发展的未来更具有研究价值。h i d e k a z e s u z u k i l 5 1 介绍了实时视觉伺服相关的视觉技术，利用全局和局部蚁群算法来搜索匹配特征点。苏剑波1 0 1 给出 了一种机械手采用变比例导引规划规划方案来跟踪运动目标的动态过程，其它的典型应用还有加拿大太空 署开发的国际太空站机械臂【_ 7 1 ，a l l e n 等1 8 j 采用p u m a 机器人捕捉平面运动物体的研究等。 迄今为止，在冗余自由度机器人研究方面，国内外已研制了多种冗余自由度机器人系统，日本m i t i 机械工程实验室于1 9 8 7 年研制了u j i b o t 7 自由度机器人操作手。法国的f e d e f i cm a r q u e t 等最近研制了一 种新的冗余自由度机器人平行机构，分析了它的运动学和动力学模型，并利用冗余自由度克服了高速运动 时的运动奇异。在国内，北京航空航天大学于1 9 9 4 年成功研制了七自由度机器人操作臂，并且研制出一 系列改进型的冗余自由度机器人实验样机1 9 】。方跃法n 们提出了采用灵活角来度量操作器灵活程度，将机器 人的工作空间根据灵活程度的不同划分为相应的有限灵活工作空间，高同跃以梯度投影法为基础，采用 线性加权法，研究冗余度机器人的多指标融合优化问题。冗余自由度机器人另一个研究重点是运动学逆解， 许多学者在这方面做了研究。w h i t n e y l l 2 1 雨j 用雅克比矩阵的广义解，得到了关节速度的最小范数解。 l i e g e o i s t l 3 用梯度投影法，得到冗余自由度机器人关节速度的通解形式，其特解为关节速度的最小范数解， 2 第1 章绪论 齐次项为雅克比矩阵的零空间矢量。b a i l l i e u l t l 4 1 提出了增广矩阵的概念，将一些优化目标作为运动学的附 加约束，是雅克比矩阵变成方阵形式的增广雅克比矩阵，逆运动学有了确定的解。周兵【1 5 l 对平面三自由度 并联冗余机器人提出了一种新的位置分析方法，并运用这种方法进行了位置正解和位置反解。不过，当前 所研究的冗余度机器人多数为冗余度比较少的机器人，如空间七自由度冗余机器人和平面三自由度冗余机 器人，冗余度比较多的时候，控制会比较复杂。 自主避障是表现机器人智能性的又一个方面。目前自主避障在移动机器人上应用的比较多，装在它们 身上的传感器多为视觉传感器或超声传感器。很多学者在自主避障方面做了研究，比较经典方法有人工势 场法与假设修正法。人工势场法最初由k h a t i b l l 6 提出，其基本思想是引入一个称作势力场的数值函数来 描述机器人空间的几何结构，通过搜索势力场的下降方向来完成运动规划。势力场分为两个部分，预定的 路径是引力场，引力场使机器人向目标位姿靠近；障碍是斥力场，斥力场使机器人离开障碍物。k i r c a n s k i 【l 7 1 则采用罚函数法对机器人接近障碍物的趋势进行限制。后来有人提出了改进人工势场法，如在原有势场函 数的基础上加以改进，加入一些其它新的影响因素如速度、角度等，或是重新设计导航函数以其它形式的 势力场来构造，如调和函数：假设修正法【1s 】是通过“路径假设，路径检验，中间点生成”的过程将运动规 划问题分解为若干子问题来求解。假定修正法首先在起始点和目标点之间按照一定的方式生成一条路径， 然后对该路径进行碰撞检测，若没有碰撞，则路径规划结束，若有碰撞，则在起始点和目标点之间插入一无 碰撞中间点，然后再重复上面的过程。假设修正法算法简单，其关键点在于中间点生成的方法，它决定了 该算法的求解效率。文献【l 剐给出了一种以机器人和各障碍物之间的距离作为启发性信息的中间点生成方 法，加快了求解速度。 1 3 论文的组织安排 本课题研究的对象是视觉伺服平面三自由度冗余机器人，完成了捕捉运动物体的路径规划，有静止障 碍物下，机器人的运动规划。全文结构如下： 第一章：主要介绍了课题的研究背景及意义、国内外研究现状和论文的主要内容及组织安排。 第二章：对视觉伺服机器入的软硬件平台及在实验中用到的一些a p i 函数进行了一个简单的介绍。 第三章：对实验平台控制系统的p i d 参数整定过程作了一个详细的介绍。 第四章：对机器人手臂运动学正、逆问题进行了理论研究，并针对本系统推导出正、逆运动学的计算 公式。 第五章：对视觉伺服机器人捕捉运动物体进行了运动学基础上的运动规划。并给出了仿真和实验结果。 第六章：在有静止障碍物的情况下，对机器人避障问题进行了研究。介绍了假设一修正法，并给出了仿 真结果。 第七章：总结了本文所作的工作与内容，并对进一步改进本系统进行了展望。 3 东南大学硕士学位论文 第2 章机器人视觉伺服系统的总体设计 2 1 视觉伺服系统 视觉伺服指采用闭环的方式，通过不断地视觉反馈，来控制机器人的运动。根据视觉信息的不同通常 可以将系统分为基于位置的视觉伺服系统和基于图像的视觉伺服系统。 在基于位置的控制结构中【2 们，视觉处理输出的是运动目标的坐标，并由此估计目标与机器人之间的相 对位姿，以控制机器人工作空间参考直角坐标下运动。基于位置的方法的优点是容易判断目标和估计目标 运动状态，其缺点是需精确的摄像机和机器人模型，需进行逆运动学和三维位姿估计计算，增加计算量。 在基于图像的控制系统中，视觉处理输出的二维图像特征信息，将当前图像特征的集合与理想图像特 征集合进行对比，根据对比的结果控制机器人的运动。此方法不需要对姿态进行估计，因而有对摄像机模 型误差和机器人模型误差、图像噪声不敏感，鲁棒性好的优点。其缺点是需在线计算图像雅可比矩阵及其 逆矩阵，计算量不小。而图像雅可比矩阵直接依赖于实时变化的摄像机与目标间的距离与位姿，加大了计 算的难度。 后来有人提出2 1 2 d 视觉伺服系统，虽然较好地综合了前两类系统的优点，但它存在易受图像噪声的 影响求解h 矩阵需要进行特征点匹配以及计算量大的缺点。 在系统结构方面，视觉伺服机器人根据摄像机的安装位置，分为摄像机固定方式和眼在手上方式。前 者的摄像机固定在某个位置，这种安装方式需要进行摄像机与机器人坐标系转换，要求摄像机精确标定， 还有可能会出现末端执行器遮挡目标的情况；后者的摄像机安装在末端执行器上，摄像机的成像深度随机 器人运动在不断变化，增加了图像处理的计算量。 本系统要完成实时捕捉运动目标，对实时性要求比较高，同时考虑到视觉范围要求比较大，因此选择 了基于位置的视觉伺服系统。考虑到“眼在手”的安装方式，计算量大将牺牲实时性性能，而实时性是完 成任务的一个重要指标，所以不选择这种安装方式。对于把摄像机安装的固定地方的两个主要缺点，可以 把摄像机安装在垂直于工作台上方。这样就可以解决了末端执行器遮挡目标的问题。而且这是个工作平台 是个平面，只需要二维信息就可以了，把摄像机垂直于工作平台，结构之间的线性比例关系明显，可以采 用线性标定，这样就大大简化了标定的难度。综合考虑以后，采用了摄像机固定方式的基于位置的视觉伺 服系统。 2 2 本系统的总体硬件结构介绍 本试验的机器人的实验平台如图2 1 所示：主要包括视觉系统( 主要包括摄像机、图像采集卡和图像 处理计算机) 和冗余度机器人控制系统( 主要包括3 自由度平面机械手主体、伺服电机、控制柜及伺服驱 动器、上位工控机和运动控制卡) 。整体示意图如图2 2 所示。捕捉运动目标的流程如下： 安装在图像处理计算机上的图像采集卡通过摄像机采集到图像，经过图像处理程序处理，提取目标物 体位置信息，将位置坐标通过r s 2 3 2 串口传递给上位控制机，根据接受到的信息对运动目标进行运动估计， 对机械臂进行运动规划，通过安装在主控工控机上的运动控制卡把控制信号传给伺服控制柜，然后驱动伺 服电机，从而带动机械手运动，实现对运动目标物体的捕捉。 4 第2 章机器人视觉伺服系统的总体设计 图2 一l 实验平台 2 2 1 机械手硬件组成 主挖r 挖帆瞄像地理计彗帆 图2 - 2 试验系统硬件平台示意图 机械手的基本结构是由大臂、中臂、小臂构成，如图2 - 3 。3 个关节由3 个伺服电机驱动控制，形成3 个自由度的运动。机械手的运动环节则采用y a s k a w a 的一i i 系列的s g m a h 型伺服电机。 1 号伺服电机型号为s g m a h 0 8 a a a 2 1 ，伺服驱动器型号为s g m d - 0 8 a d a ，功率7 5 0 w ，三相，电 压2 0 0 v 。电机输出轴联接n e u g a r t 行星减速器p l e 8 0 - 2 0 ，减速比为2 0 ，满载效率为9 4 。同步带的减 速比为2 ，传动效率为9 2 。 5 东南大学硕士学位论文 2 号伺服电机型号为s g m a h - 0 2 a a a 2 1 ，伺 服驱动器型号为s g m d - 0 2 a d a ，功率2 0 0 w ，单 相，电压2 0 0 v 。电机输出轴联接n e u g a r t 行星 减速器p l e 6 0 2 0 ，减速比为8 ，满载效率为9 4 。 同步带的减速比为2 ，传动效率为9 2 。 3 号伺服电机型号为s g m a h - 0 1 a a a 2 1 ，伺 服驱动器型号为s g m d 一0 1 a d a ，功率1 0 0 w ，单 相，电压2 0 0 v 。电机输出轴联接n e u g a r t 行 星减速器p l e 4 0 2 0 ，减速比为8 ，满载效率为9 4 。 同步带的减速比为2 ，传动效率为9 2 。 2 2 2 控制柜及伺服放大器 图2 - 3 机械手的硬件组成 在控制柜中主要安装了伺服放大器、自动空 气开关、接触器以及继电器等。 伺服控制部分，如图2 4 ，采用3 个y a s k a w a 的s g d m 型伺服放大器，该伺服放大器可以采用位置 控制、速度控制及转矩控制等三种模式。本实验系统中伺服控制器采用速度控制模式。由主控制计算机中 的g t - 4 0 0 s x 运动控制卡发出速度控制电压信号。c n i 接口中还包括报警、限位、准备好等i o 信号。由 1 6 通道的隔离数字f o 卡负责接收、发出。c n 2 接口负责接收光电编码器的串行反馈信号，并经转化后发 送给g t - 4 0 0 s x 运动控制卡。伺服控制器的电气部分包括主电路，控制电路，同时，提供给交流伺服电机 三相电源。控制电路包括启动停止、急停、报警等功能。所有的电气线路、器件都放置在控制柜中。 露 电 凰 c引兰 刚 器 服一 n 箭 控一 分 制一 c # 爿硼帆躺警1 n l 黼潞 罂一 2 0 图2 - 4 伺服放大器的连接示意图图2 5g t - 4 0 0 s x 通用型运动控制卡 2 2 3 上位控制器 本系统采用了i r a 3 6 0 工控机作为上位控制机。在其i s a 插槽中安装了( 3 t - 4 0 0 s x 通用型运动控制卡， 如图2 - 5 所示。这种运动控制器是固高科技有限公司自主开发的一类通用型运动控制卡，广泛应用在测量 机、数控机床、加工中心、机器人等设备上。 2 2 4 摄像机和图像采集卡 本系统采用的摄像机为松下w v - b p l 4 0 ，1 3 ”黑自c c d 摄像机，具有5 0 0 ( h ) x 5 8 2 ( v ) 像素的1 3 ”c c d 转换元件，提供3 8 0 线的水平清晰度。采用的图像采集卡是北京大恒图像公司研制的彩色黑白图像采集卡 d h - c g 4 0 0 。d h - c g 4 0 0 基于高性能的p c i 总线，使其能实时传送数字视频信号到显示存储器或系统存储 器。输入的彩色视频信号经数字解码器、模，数转换器、比例缩放、裁剪、色空变换等处理，通过p c i 总线 传到v g a 卡实时显示或传到计算机内存实时存储。数据的传送过程是由图像卡控制的，无需c p u 参与， 6 第2 章机器人视觉饲服系统的总体设计 瞬间传输速度可达1 3 2 m b s 。 2 3 机器人视觉伺服系统的软件平台 2 3 1 图像处理的软件平台 图像处理计算机使用的是w i n d o w s x p 系统，w i n d o w s x p 系统具有操作容易，兼容软件丰富，使用人多 等优点。大部分的图像处理程序是在w i n d o w s 系统上开发的。 v c 6 0 是m i c r o s o f t 公司推出的开发m 1 1 3 2 环境程序，面向对象的可视化集成编程系统。能充分利用 具有面向对象特性的c + + 来开发出专业级的w i n d o w s 应用程序，而且作为一个集成开发工具，提供了 程序框架自动生成、灵活方便的类管理、代码编写和界面设计集成交互操作等功能，极大的方便了用户的 开发。同时提供了强大的类库，其中功能强大到足以完成我们程序中的绝大部分所需功能，这使得用户编 写程序的难度大为减小，极大的提高了任务的开发进度。v c 6 0 本身就是一个图形的开发界面，它提供了 丰富的关于位图操作的函数，对开发图像处理系统提供了极大的方便。因此，它现在已经成为开发w i n 3 2 程序，包括图像处理程序的主要开发工具。 所以本系统的图像处理计算机采用v c 6 0 的编程环境，在大恒图像采集卡提供的图像采集函数库基础 上进行二次开发。 2 3 2 运动控制的软件平台 主控工控机使用d e b i a nl i n u x + r t l i n u x 操作系统，编程语言为c 语言。 l i n u x 系统是当今的主流系统之一，有安全性好，性能稳定，支持多任务、多使用者，实行开放源代 码等优点。所以很多实验室的电脑都安装l i n u x 系统。不 过l i n u x 作为一个多任务的分时操作系统( 其内核示意图 如图2 - 6 所示) ，其调度算法是基于最大吞吐量准则的调度 策略，加上系统调用、中断屏蔽以及设备驱动、虚拟内存 的使用等因素都会导致系统在时间上的不可预测性，所以 不能确保各个实时进程的及时调度，不能用来实行实时的 任务。 为解决l i n u x 不能处理实时任务的问题，美国新墨西 哥州大学计算机科学系v i c t o ry o d a i k e n 和m i c a e b r a n n a n o v 等人开发的r t l i n u x 系纠2 1 j 。这是个具有硬实时 特性的多任务操作系统，它是通过底层对l i n u x 实施改造。 改造后的内核示意图如图2 7 ，在l i n u x 内核与硬件之间 图2 - 6l i n u x 内核示意图 增加了一个虚拟层，构筑了一个小的、时间上可预测的、与l i n u x 内核分开的实时内核。r t l i n u x 内核全面接 管了硬件中断，当r t l i n u x 虚拟层接收到与实时处理有关的硬件中断时，立即启动执行相应的实时中断服务 程序；而接收到与实时处理无关的中断时，先保存相应的信息。等到r t l i n u x 内核空闲时通过软中断传递给 l i n u x 内核去处理，这样就使得r t l i n u x 内核不受各种软、硬件中断的影响，不会造成时间上的不可预测性。 再者r t l i n u x 内核把l i n u x 作为此实时核心的一个优先级最低的进程运行，而r t l i n u x 在缺省情况下采用优 先级的调度策略，l i n u x 进程可以被实时进程抢断。这样就可以保证了实时任务的可预测性。 r t l i n u x 与w i n d o w s 串口通讯的实现：r t l i n u x 程序运行于两个空间：用户空间和核空间。r t l i n u x 提供 了一整套对硬实时进程的支持函数集，对实时性要求高的程序，通过提供的a p i 函数编写成内核模块，装 载到内核中，在核空间中执行。实时性要求不高的应用程序则在l i n u x 下的用户空间中执行。 7 东南大学硕士学位论文 图2 7r t l i n u x 内核示意图 下面对实验中要用到的一些r t l i n u x a p i 函数进行简单的阐述。 编写内核模块 i n ti n i t _ m o d u l e ( v o i d ) 该函数是一个程序入口初始化函数，在模块第一次装入核中时被调用，相当于c 语音中的m a i n o 函数。 v o i dc l e a n u p _ m o d u l e ( v o i d ) 该函数是模块卸载时的一个清理函数，在卸载时被调用，做一些清理工作。 线程创建函数 i n tp t h r e a d _ c r e a t e ( p t h r e a d _ t t h r e a d , p t h r e a d a t t rt a t t r , v o i d ( s t a r tr o u t i n e ) ( v o i d ) ，v o i d 宰a r g ) 这是r t l i n u x 的标准p o s i x 线程创建函数。这个线程运行函数指针s t a r t r o u t i n e 指向的过程，a r g 是 这个函数的指针的入口参数。线程的属性由a t t r 对象决定，设定若为n u l l ，将会使用默认属性。返回0 表 示成功创建线程，返回非0 表示创建失败。 i n tp t h r e a da t t ri n i t ( p t h r e a da t t rt a t t r ) 初始化线程运行的属性。 i n tp t h r e a d _ a t t r _ s e t s c h e d p a r a m ( c o n s t p t h r e a da t t rt a t t r , s t r u c ts c h e d _ _ p a r a m 幸p a r a m ) 这函数根据程序的需要相应地从a t t r 中设定取得线程的运行参数。p a r a m 是为调度策略定义的属性。 i n tp t h r e a d _ c a n c e l ( p t h r e a d _ tt h r e a d ) 取消线程的运行。 i n tp t h r e a d j o i n ( p t h r e a d _ tt h , v o i d t l u e a d r e m m ) p t h r e a dj o i n o 的调用者将挂起并等待u 1 线程终止。 线程调度函数 i n tp t h r e a d _ m a k e _ p e r i o d i c _ n p ( p t h r e a d _ tm e a d , h r t i m es t a r t _ t i m e ，h r t i m e _ tp e r i o d ) 这个线程周期运行函数。线程将在s t 锄 tt i m e 时刻开始运行，运行的时间间隔由p e r i o d 给定。 i n tp t h r e a d _ w a i t _ n p ( v o i d ) 函数将挂起当前运行发线程直到下一周期。 i n tp t h r e a d _ s u s p e n d _ n p ( v o i d ) 挂起线程函数。 i n tp t h r e a d _ w a k e u p _ n p ( p t h r e a d _ tt h r e a d ) 唤醒挂起的线程函数。 进程间通信 r t l i n u x 中给用户空间和内核空间的程序在不同的内存空间分配内存。我们可以通过实时f i f o 来进行 通信，实时f i f o 是能够被内核实时进程和l i n u x 用户空间进程访问的快进快出队列，是种单向的通讯机 制，可以通过两路实时f i f o 构成双向的数据交换方式。 8 第2 章机器人视觉伺服系统的总体设计 i n tr t f _ c r e a t e ( u n s i g n e di n tf i f o ，i n ts i z e ) 创建一个一定大小的f i f o 。 i n tr t f _ p u t ( u n s i g n e di n tf i f o ，v o i d b u r , i n tc o u n t ) ； 将数据送入f i f o ，如果f i f o 满，则返回一个错误。 i n tr t f _ g e t ( u n s i g n e di n tf i f o ，v o i d b u r , i n tc o u n t ) 从f i f o 中取出数据，如果f i f o 空，则返回一个错误。 v o i dr t f _ c r e a t e _ h a n d l e r ( u n s i g n e di n tf i f o ，i m ( h a n d l e r ) ( ) ) ) 建立响应指定的f i f o 变化的子程序。 i n tr t f _ d e s t r o y ( u n s i g n e di n tf i f o ) 销毁一个指定的f i f o 。 实时f i f o 被l i n u x 视为字符设备，因此用户空间的进程可以通过调用o p e n 来打开实时f i f o ，r e a d 和w r i t e 函数实现对实时f i f o 的读写操作。 在实时捕捉运动小球的内核模块的入口初始化函数( i n i tm o d u l e o ) 中：思路( 如图2 8 所示) 是首先建立 5 个f i f o 用于进程间通信。其中2 个f i f o 用于和用户通信，这2 个f i f o 中，一个负责传达用户的命令 到内核空间，另外一个负责交换内核的m o v ec o n t r o l 线程的数据到用户程序。5 个f i f o 中剩下的3 个f i f o 用于内核内部的交换。然后设置和启动两个独立线程，然后这2 个线程进入休眠状态，等待用户的指令唤 醒。最后是运行监控两个独立线程的h a n d l e r 。这个h a n d l e r 是一旦运行起来，就不断监视c o m m a n df i f o 通道，通过r t fg e t ( ) 接受用户的命令，若收到启动命令，就根据用户的要求，唤醒指定的线程，设置实时 线程的周期。如果受到结束命令，就挂起线程停止运行。c o m p r o c 线程唤醒运行后，按周期读取串口上的 数据，其具体函数在下一节中介绍，如果接受到来自图像处理的位置坐标数据后，通过差分法算出运动物 体的速度，然后把位置和速度放在一个数据结构体中，用r f fp u t ( ) i 承i 数通过d a t af i f 0 2 管道发送给m o v e c o n t r o l 线程。m o v ec o n t r o l 线程在唤醒运行后，按周期读取d a t af i f 0 2 管道上的数据，若读到数据后，对 机械臂进行运动规划或是对运动规划进行更新( 具体的规划方法看第四章) ，然后把运动规划的一些数据 放到数据结构体中通过d a t a lf i f 0 1 管道把数据传回给用户程序。 在模块卸载清理函数中，取消两个独立线程并销毁5 个实时f i f o 管道。 内核模块还必须和用户程序配合才能工作。在用户程序中，主要负责一些人机交互，数据显示和保存 等任务。 r t l o u x w i n d o w sx p f r a n k m o d ule o 图2 8 实时捕捉运动目标内核模块示意图 9 东南大学硕士学位论文 2 3 3r t l i n u x 与w i n d o w s 串口通讯的实现 图像处理机经过对采集到的图像处理后，得到了运动目标的信息，这些信息是机械臂运动规划所需要 的，而上位工控机与图像处理机是分开的，所以必须构架一座“桥梁”，来实现它们间的数据通讯。常用 的通讯方式有串口通讯与网络接口通讯两种。本文选择了串口通讯方式 在网络接口通讯( e t h e m e t ) 普及以前，串口通讯是工业设备通讯方式中最主要的方法，至今仍被广泛 使用。串行口是计算机一种常用的接口，具有连接线少，通讯简单的优点。可以使用某种现有的通讯协议 还可以使用自定义的通讯协议。 虽然串口通讯的传输速度不是很快，但本系统需要传输的信息量少，每次传输8 字节的坐标信息量， 使用9 6 0 0 波特率传输时，在实验中，从w i n d o w s 向l i n u x 发送5 0 0 0 个数据，花费2 1 2 秒经实验得到平 均传输时间为4