基于可重构光束传感器与适应性夹持器的物体识别与定位.doc

上海交通大学硕士学位论文基于可重构光束传感器与适应性夹持器的物体识别与定位姓名：骆俊涛申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：朱向阳20060201上海交通大学硕士学位论文IV现零件的识别与定位论文的研究工作可应用于RISC机器人系统的开发关键字光束传感器可重构奇异姿态识别与定位夹持器RISC机器人上海交通大学硕士学位论文VPART RECOGNITION AND LOCALIZATION USINGRECONFIGURABLE CROSSBEAM SENSOR AND SHAPE-ADAPTIVE GRIPPERABSTRACTIn order to reduce intricacy in sensing and control, a reconfigurable crossbeamsensor and a shape-adaptive gripper are designed in this thesis, which are to be used inrobotic assembly systems. Algorithms for part recognition and localization using theproposed sensor and gripper are investigated. The primary results of the thesis aresummarized as follows.1. A reconfigurable crossbeam sensor is designed for part recognition andlocalization. With a slight modification to the crossbeam sensor proposed in the“RISC Robotics” project, the new crossbeam sensor can be used to recognize theinvariant geometric feature of polyhedral parts. An efficient algorithm for partrecognition using the reconfigurable sensor is proposed.2. In practice, the crossbeam sensor may provide illusive feature points whenthe part is in some singular orientations, which leads to incorrect recognition results.In order to overcome this difficulty, this thesis proposed an algorithm to reconfigurethe crossbeam sensor, which ensures that the crossbeam sensor provides no more thantwo singular feature points for a given set of geometric parts. With the proposedalgorithm, the relative orientations between different beams are determined from thegeometry of the parts which are to be recognized.3. Based on the so-called diameter function and the theory of rigid bodykinematics, an algorithm for part localization using the reconfigurable crossbeamsensor is proposed.4. A shape-adaptive gripper, which has two degrees-of-freedom, is designed for上海交通大学硕士学位论文VIpart recognition. The gripper is capable of re-orienting a geometric part and holding itin a stable pose. An algorithm for grip planning and part recognition using the shape-adaptive gripper is proposed.The results of this thesis have potential applications in the implementation ofRISC (Reduced Intricacy in Sensing and Control) robotic systems.KEYWORD: crossbeam sensor, reconfigurable, singular orientation, part recognition,localization, gripper, RISC robotic systems上海交通大学硕士学位论文I上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的帮助下独立进行科学研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果对本文的研究作出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确的方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担学位论文作者签名骆俊涛 日期2006/2/16上海交通大学硕士学位论文II上海交通大学学位论文原版权使用授权书本学位论文的作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文保密在 年解密后适应本授权书本学位论文属于不保密请在以上方框内打学位论文作者签名骆俊涛 指导老师签名朱向阳日期2006/2/16 日期2006/2/16上海交通大学硕士学位论文1第一章RISC机器人研究的背景和意义1.1课题来源本课题来源于上海市教育发展基金会以及上海市教育委员会联合实施的曙光计划项目1.2课题研究的背景1.2.1 近期自动装配系统以及机器视觉的发展机器人自动装配单元及自动装配线近十多年来在汽车及电子制造等许多工业部门得到了日益广泛的应用根据机器人工业协会的统计应用于自动装配作业的机器人在工业机器人中所占的比例1999年为3%2001年超过5%而且这一数字仍在呈继续增长的趋势传感系统是机器人装配单元的重要组成部分其中的物体自动识别与定位系统被用来对柔性传送装置如传送带等上的物体进行自动识别与定位为装配机器人自主地进行夹持和装配等操作提供正确的导引一般说来自动识别与定位系统应满足如下的性能要求准确性系统提供准确的识别结果与精确定位以满足机器人进行正确的夹持和装配操作的要求快速性由于工业应用对识别技术的在线要求传感系统必须实时地相对于装配线的速度提供识别及定位的结果自主性识别过程是完全自动的它可以在没有人工干预的情况下完成此外理想的识别与定位系统还应具有高性能价格比易于安装和标定以及对于环境条件变化的鲁棒性目前自动装配单元中的物体自动识别与定位系统主要基于机器视觉技术全球机器视觉和工业机器人的主要制造商均致力于相应产品研发与制造例如Cognex公司2001年的利税1.4亿美元在专业生产机器视觉产品的公司中列全球第1的主要产品是用于自动装配单元或装配线中识别定位与检查的2D视觉系统其应用领域包括汽车电子制药封装等RVSI公司2001年的利税1.07亿美元列全球第2的视觉产品主要应用于电子制造Adept公上海交通大学硕士学位论文2司则直接将视觉系统与操作机集成目前该公司销售的工业机器人中35%备有Adept视觉系统此外日本KAWASKIYASKAWAFANUC和瑞典ABB德国KUKAREIS等公司均研发了类似产品另一方面基于视觉的物体自动识别与定位方法也受到了学术界的广泛重视相关的基础研究取得了不少进展这为视觉系统的应用提供了有力的支撑近年来立体视觉技术在装配单元中的应用也在不断增加比较具有代表性的产品是Point Grey公司生产的通用立体视觉系统Triclops与Digiclops该系统由三个摄像头及机器视觉软件组成可以精确测量其视觉图象范围内各像素点的距离通常称为21/2D图象德国空间研究中心机器人研究所的Hillenbrand和Hirzinger采用Triclops获取三维物体的21/2D图象在此基础上通过比较三点几何关系来建立数据与模型特征之间的对应假设以实现零件的自动识别和定位与2D视觉相比基于21/2D图象的识别与定位方法对于图象噪声具有较强的鲁棒性此外在Ford汽车公司KAWASKI公司等的支持及合作下Purdue大学的机器人视觉实验室研究了机器人工作单元及移动生产线的立体视觉系统该系统可以对运动中的物体进行快速的识别和定位以实现机器人的on-the-fly装配操作即在柔性传送装置的运动过程中自主地完成快速装配操作近年来自动装配线及制造单元呈柔性化敏捷化发展趋势1996年美国国家自然科学基金会的交叉学科挑战计划Multi-Disciplinary ChallengeProgram向Carnegie-Mellon大学提供了220万美元的资助用于研究和开发可快速重组的桌面工厂进行小型精密贵重产品的装配其特点是可以在短至数天的时间内进行快速重组以完成新产品的自动精密装配此外自动装配单元技术的发展还体现在其在速度精度等性能方面的提高特别是在电子制造等领域高速高精度已成为制造单元的典型特点上述特点对传感器系统的性能提出了相应的要求尽管基于视觉系统的识别与定位技术已日臻成熟并具有较好的通用性但其定位精度往往不能满足高精密装配的要求其处理速度也比较慢性能价格比较低此外视觉系统不易标定对安装环境条件要求较高而在自动装配单元中识别与定位的对象是一组给定的物体因此一般不要求识别与定位系统的通用性针对装配单元的特点研制专用的传感器装置不仅可以降低装配单元的结构复杂性和成本识别与定位方法以及软件的复杂性同时可最大限度地满足装配单元的高速高精度要求此外由于装配及制造单元的柔性化敏捷化要求专用的传感装置应该具有可重构性在装配任务变化时能够快速重组以适应识别与定位要求上海交通大学硕士学位论文31.2.2 RISC机器人中的光束传感器为了适应自动装配单元技术的上述发展趋势美国加州大学Berkeley分校和南加州大学共同发起了一个称做RISC机器人的研究项目RISC是ReducedIntricacy in Sensing and Control的缩写其目标是为工业机器人开发简单可靠低成本高精度的传感和执行装置研究内容涉及传感器系统专用夹持器柔性传送装置等基于光束传感器的物体自动识别与定位技术是RISC机器人项目的主要研究内容之一该系统采用一组光束传感器对运动物体进行检测记录物体与光束发生干涉的起始时间由此确定传感器平面上的一个特征多边形从中抽取物体的在传感器平面的截面几何特征在此基础上通过检索物体的特征索引表来进行物体识别并采用几何学方法进行物体的精确定位RISC项目研制了两类不同的光束传感器系统一类采用交叉光束图1-1这类光束传感器是由三束交叉的激光束组成当物体在传送带上运动时记录与光束的干涉点和离开点由这些发生干涉的位置可以组成一个包围零件的六边形针对固定的零件库建立由这些六边形组成的特征多边形索引表根据实际过程中测得的特征多边形在索引表中查询找到零件的位姿但是每一种多边形都存在无数个包围它的六边形这样造成了特征索引表非常复杂使得识别效率比较低图1-1交叉光束传感器Figure 1-1: RISC Crossbeam Sensor激光束之间的夹角的值直接影响了传感器测得的数据这也是在传感器构型设计当中所做的主要任务Wang X. G. 4提出了使用MHTMultipleHypotheses-Testing方法来设计传感器的构型其主要思想就是在设计传感器时优先要保证物体的正确识别率corrP达到最大而错误识别率IncorrP达到最小其次是要求所用激光束的数量N达到最少激光束的数量决定了系统的自由度另一类则采用平行光束图1-3采用这种激光传感器避免了第一种传感器不能测量平板式零件的弊端上海交通大学硕士学位论文4图1-2Peg-in-Hole装配操作的示意图Figure 1-2: Sketch Map of Peg-in-Hole System图1-2是RISC机器人进行Peg-in-Hole装配操作的示意图它采用专用光束传感装置替代通用的机器视觉系统其特点是精度高光束传感器的检测精度可达到微米级处理速度快可靠性高对环境条件的鲁棒性强且易于标定并具有较高的性价比它可以在视觉系统不能安装的情况下使用为高速精密装配提供正确的导引图1-3平行光束传感器Figure 1-3: The parallel-beam scan data determinedfrom an objects shadow.基于可重构专用光束传感器装置的物体的自动识别与定位系统体现了机器上海交通大学硕士学位论文5人装配或制造单元的柔性化敏捷化发展方向以及高速高精度要求但与视觉系统相比相对装配单元中的物体识别与定位要求视觉图像所包含的信息是高冗余的专用光束传感装置的输出参数少如果不对传感器的构形进行合理的专门设计其检测数据甚至不足以构成合理的特征向量以实现对一组给定的物体的正确的识别和区分光束传感装置是通过检测物体在传感器平面上的截面几何特征来进行物体识别与定位的但在柔性传送装置上的物体往往具有多个不同的稳定姿态每个稳定姿态又对应不同的截面为了保证正确可靠的识别还需建立物体所有可能的稳定姿态的统计模型此外RISC专用光束传感器的检测数据不包括物体截面的不变特征特征多边形的几何参数与物体相对传感器平面法向轴的旋转自由度参数有关由于上述原因一个物体的特征索引表可包含多达数千条索引当柔性装配单元的装配任务变化时建立各物体的几何特征索引表往往是一项十分复杂而费时的工作就目前的研究现状来看在机器人自动装配单元中应用光束传感器替代视觉系统进行物体的自动识别与定位还有许多基础理论问题及关键技术有待研究Canny和Goldberg总结了RISC机器人中的12个开放问题就RISC光束传感器的研究来说其存在的主要困难体现在两个方面首先RISC光束传感器不能识别物体截面的不变几何特征其次传感器的几何构形设计目前缺少有效的方法其中第一个问题是由RISC传感器系统在结构上的固有缺陷造成的其唯一可行的解决方案是对光束传感器的基本结构进行重新设计本项目针对上述问题研制新型可重构光束传感器系统并研究传感器的最优构形设计基于不变特征的物体自动识别与定位等理论方法1.2.3RISC机器人中专用夹持器发展RISC机器人研究中的另外一个主题就是工业自动化中夹持器的设计工业机器人夹持器机构(即机器人的手爪),是机器人操作机与工件工具等直接接触并进行作业的装置, 是机器人的关键部件之一它的性能好坏对提高机器人效率发挥机器人作用影响很大新型夹持器机构的研制不仅可以改善机器人手爪功能而且能够扩大机器人应用领域因此近年来关于这方面的研究得到了各国学者的普遍重视是目前工业机器人研究中最活跃的领域之一工业机器人手部除焊接喷涂等机器人的末端执行器是焊钳喷枪等专用工具外其它工种如搬运装配等机器人都配有夹持器目前使用的或研制中的夹持器种类很多根据其结构性能和应用方式分为四种:(1) 简单的夹持器机构这类夹持器只适合抓取外形规则的物体应用范围有限但因其结构简单造价低廉所以目前使用得较多上海交通大学硕士学位论文6(2) 多夹持器系统此类夹持器主要用于夹持对象种类较多外形变化较大的场所它的优点是在操作过程中机器人可根据夹持选择不同的夹持器其缺点是结构复杂增加了机器人腕部的负载(3) 柔性夹持器机构此类夹持器的特点是在操作过程中不存在固定不变的夹持形心所以它可抓拿形状变化较大的物体但由于其失去了对夹持物空间位姿的精确控制因此不适于机器人的装配操作在实际应用中有局限性(4) 仿人手型夹持器机构此类夹持器的特点是它的机械结构与人手相似具有多个可独立驱动的关节在操作过程中可通过关节的动作使被夹持物体在空间做有限度地移转调整被夹持物体在空间的位姿在作业过程中这种小范围的调整是十分必要的它对提高机器人作业的准确性有利因此仿人手型夹持器的应用前景十分广阔但由于其结构和控制系统非常复杂目前尚处于研究阶段设计夹持器机构首先要考虑所设计的夹持器对被夹持物体的轮廓尺寸和形状的适应性与抓取的准确性(闭合精度) 和夹紧力这是设计的出发点也是评定夹持器机构的特有准则适应性与夹持器的功能特性有质的联系抓取准确性可作为夹持器机构的精度和可靠性准则加以考虑具有量的关系本着合理有利的原则处理好相互关系对夹持器机构的设计和制造有重要意义在此基础上需要进一步解决的是机器人夹持器机构如何抓取的问题这个问题的实质是要求处理好夹持器的通用性和专用性的矛盾通用的夹持器机构在结构上很复杂甚至很难实现如仿人手型多功能夹持器能在较大范围内适应被夹持物体的外形变化且能主动控制空间位姿但因其结构复杂尚未实用目前用于生产的还是那些结构简单通用性不强的专用夹持器机构特别是在固定作业的装配系统中专用夹持器更是发挥着强大的作用在自动装配系统中多自由度的多手指夹持器还在进一步的研究开发阶段目前在实际生产和生活中采用最广泛的专用夹持器为平板夹持器最多有三个手指组成的夹持器12这种夹持器一般都采用了一个驱动力具有一个自由度在这种情况下只有通过改变夹持器的手指形状来满足不同情况下的需求从而达到一种比较稳定的夹取状态图1-4平板式夹持器Figure 1-4: Parallel-jaw gripper上海交通大学硕士学位论文7平板型夹持器结构如图1-4所示这样的夹持器比较容易设计和生产并且可以提供强大的力封闭效果但是不能消除它内在的一些弊端对于平面的两维的物体它有三个自由度两个平移自由度和一个旋转自由度所以存在着三个参量当采用平板夹持器的时候例如图1-4中的a图所示平板的约束消除了两个参量物体的旋转参数和竖直方向的平移参数还存在着一个参数不能够消除另外由于平板夹持器的两个脚表面上存在摩擦力致使在夹持物体时会出现很多不稳定姿态的夹取并且有可能会损坏到零件在自动装配系统中实现稳定夹取依赖于很多因素譬如所夹持的物体与夹持器之间的方位差异以及夹持器本身的机械结构类型等但是物体在传送带上的位姿是一个随机值很难提前预测出具体方向所以在夹取零件时出现不稳定姿态的概率会比较大针对平板夹持器Brost给出了稳定夹取的定义15认为夹持器与物体的接触点少于3个点的状态都是不稳定的夹取譬如下图b中夹持器与物体之间的接触点为2此时由于力的存在会使物体变形如图1-5所示图1-5a为稳定夹取b为不稳定夹取Figure 1-5: The grasp configuration on the left is stable; those on the right are not正如前面所分析的那样之所以出现b中所示的状况正是由平板上存在摩擦力造成的所以应该尽量减少这种不利的摩擦力最简单的方法就是再平板上涂上润滑剂降低摩擦系数这样虽然降低了平板的摩擦力但是也带来了另外一种情况过于光滑会导致物体从夹持器中脱落影响到夹持能力所以在夹持器设计过程中要尽量降低夹持器的摩擦力同时也要尽量提高与物体接触处的摩擦力这两个要求看似相互矛盾但是通过进行夹持器的结构改进完全可以满足要求.Canny和Goldberg根据RISCreduced intricacy sensing and control” 6的设计思想对普通的平板夹持器进行了改进提出了修正的低摩擦平板夹持夹持器的结构如图1-6所示在原来平板夹持器的结构之上增加了一个滑动板此滑动板主要起到降低平行于物体界面的摩擦力的作用使得物体能够在平面内旋转到一种稳定姿态同时为了增加夹持器与物体之间的摩擦力提高垂直于物体界面的摩擦力使物体不会由于重力作用而脱落在夹持器的内表面上铺有高摩擦材料修正后的平板夹持器具有2个自由度这种设计的夹持器能够避免普通平板夹持器所存在的缺点当夹持物体时上海交通大学硕士学位论文8尽量收缩夹持器的两个脚之间的距离在力的作用下可以调整零件的位姿使得零件旋转到一个稳定方向实现稳定夹取调整过程见图6这种夹持器的最主要的优点就是不需要任何传感器或传动装置就可以很好地达到稳定夹取并且利用了廉价轻便的线性滑动轴承整个系统的成本也是比较低廉图1-6修正后的夹持器Figure 1-6: The modified gripper with sliding jawThe underside figure shows the Time-sequence of the grasping修正后的平板夹持器另外一个优点就是识别能力对于固定的几何多边形稳定方向是几个固定的值稳定方向的个数最多等于多边形的顶点个数在稳定方向下测量平板之间的距离可以达到识别物体的效果识别过程如图1-7所示这种识别过程类似于光束传感器不同的是利用夹持器来识别物体时图夹持器的识别过程Figure 1-7: A grasp plan for distinguishing thethree parts上海交通大学硕士学位论文9经过一次夹取之后零件会旋转到另外一个新的位姿稳定位姿并且夹持器所识别的是零件在稳定方向下的距离也就是直径函数中的局部最小值关于直径函数我们将在后面进行讨论而光束传感器识别的是包围零件的六边形他们成功的运用了一个修正的平板夹持器实现了对平面多边形的识别分类和夹取但是这种夹持器存在着两种弊端1使用这种夹持器夹持物体会出现一种顶点接触的现象如图1-8所示虽然出现三点接触满足Brost的稳定方向要求但是在顶点出会出现相当大的压强对于要求比较高的零件来说有可能会损坏到零件的顶点2对于个别图形利用这种夹持器达不到一种稳定的夹持效果例如图1-9所示在这种情况下接触图形的点数为三个而对于平面图形形封闭抓取的要求至少为四个约束特别是对于c图形是一种不稳定的姿态在装配过程中很容易晃动前面已经提到对于平面几何图形存在三个自由度两个平移自由度一个旋转自由度平板夹持器只能消除两个自由度一是垂直于平板夹持器的平移自由度另外一个则是几何图形的旋转自由度还有一个自由度不能消除通常情况平板夹持器的与物体的接触点为3点因为在线接触时可以用两个点接触来代替夹持矩形时虽然是两个线接触可以认为是四个点接触但是由于制造工艺的误差实际上有一个点接触是多余的在二维平面中实现物体的形封闭抓取至少四个接触点1617所以利用平板夹持器来定位物体并不是一个很好的方法图不稳定状态Figure 1-9 : An unstable pose图出现三点接触Figure 1-8: Three contact points with the gripper上海交通大学硕士学位论文10Wen-Han Qian和Hong Qiao等学者对RISC夹持器进行了改进提出了利用四脚圆柱形夹持器来代替平板夹持器结构如图1-10所示在夹持器的四个脚上面都安装了滚动轴承它可以在抓取过程中调整零件的位姿而滚动轴承与零件之间没有相对的滑动通常这种夹持器可以实现4点接触消除了平面图形的三个自由度并且能够在很大程度上实现物体形封闭抓取图1-10四脚圆柱形夹持器Figure 1-10: Four pin gripper相对于平板夹持器四脚夹持器的夹持能力也得到了很大的提高它不仅可以用来夹持几何多边形还能够夹持多种曲面状物体同时它除了向内抓取还能够向外抓取如图10中f图所示从图10中的夹取的六种图形中可以看出四脚夹持器不仅能够很有效地夹取凸形几何体以及凸凹形而且能够很好的夹取凹凹几何体有时含有孔沟槽槽口等的零件在夹取过程中会比外轮廓更精确譬如含有齿轮外形的零件比含有圆形过渡外形更精确另外四脚夹持器的与零件的接触点始终在零件的边上而不是在物体的顶点处这样在接触点处的最大接触压远比顶点接触时的最大接触压强小在夹持物体时夹持器与零件的接触点存在两个方向的摩擦力一个是防止零件由于重力作用而脱落的垂直于零件表面的摩擦力这个力是夹取所必需的力另外一个是平行于零件表面的摩擦力这个力会阻碍零件达到稳定姿态很明显前面一种需要保持而后面一种力要尽量避免故在原来的基础上安装了滚动轴承这种结构看似比较简单却能避免以上问题. Wen-Han Qian和Hong Qiao利用这种夹持器配合RISC光束传感器针对固定零件库进行识别取得了很好的效果在本论文中我们将根据前人做过的工作对夹持器进行结构上的调整以实现更强大的夹持效果同时对物体进行识别此夹持器吸取了前面两种夹持器的优点同时也摒弃了各自存在的缺点它不仅可以更加稳定牢固地夹持零件而且还可以根据一定的规则调整零件的位姿使其达到几个固定位姿中的一个这样就可以降低位姿识别上海交通大学硕士学位论文11过程中的计算量和难度1.3RISC机器人研究的意义1.3.1研究意义目前在机器人自动装配单元中物体识别与定位主要采用机器视觉系统据不完全统计全球机器视觉产业的规模在2000年就达到了62亿美元其中应用于工业机器人及自动装配单元的占了相当大的比例例如全球最大的视觉产品研发和制造机构Cognex公司和RVSI公司的产品主要应用于汽车电子制药封装等制造领域与视觉系统相比专用的光束传感器系统的处理速度快定位精度高可达到微米级可快速重构符合自动装配单元技术高速高精度敏捷化的发展趋势与特点此外这类专用传感器性能价格比高易于标定且对环境条件要求低具有广泛的适用性由于专用光束传感器与视觉系统具有较强的互补性可将它们集成构造通用识别与定位装置本课题研制的可重构专用光束传感器以及物体自动识别与精确定位系统的潜在应用领域包括机械电子汽车制造等其应用可降低自动装配单元的成本也可为小型高精密产品的装配及制造提供技术保证研制新型可重构光束传感器系统以及操作系统不仅在成本复杂程度上推动自动化装配系统的发展更重要的是能够很大程度地提高自动装配的速度和精确度这也是自动化系统发展的主要标准同样作为自动化装配系统中的重要组成部分新型专用夹持器的结构改进也会很好的促进整个装配和识别系统的发展功能强大结构简单的专用夹持器不仅可以降低不稳定姿态的出现率更能够提高整个系统的识别效率和装配效率并且使用的范围更加广泛1.3.2内容安排本论文的研究主题是RISC机器人中基于识别的可重构光束传感器以及新型夹持器的设计论文共分五章各章内容简介如下第一章介绍国内RISC机器人研究的发展现状以及发展趋势并且详细分上海交通大学硕士学位论文12析了RISC机器人中两个重要组成部分光束传感器以及专用夹持器的研究现状第二章提出一种新型的可重构光束传感器结构利用这种新型传感器可以识别几何物体的不变特征值与原有的RISC光束传感器相比很大程度上降低了在识别过程的特征索引表的复杂性并且针对这种传感器的构型分析了物体在传感器上出现奇异姿态的状况给出了根据固定零件库的特征优化传感器最优构型的方案第三章给出了利用可重构光束传感器对物体进行位姿识别方案主要从两个方面进行算法实现第一物体在传送带上的旋转角度以z轴为旋转轴这一部分主要是通过利用辅助光束对物体的直径函数进行微分来实现第二给出了实现物体定位的计算方法分析了固联在物体上的坐标系选择方案第四章提出一种基于物体识别的新型夹持器它在夹持物体过程中不仅可以把物体调整到一种稳定姿态达到稳定夹取的效果同时还能够根据夹持器两脚之间的距离来达到识别物体的效果本章对夹持器的机械结构夹取过程以及识别算法进行了讨论分析了寻求物体的最优稳定姿态的方法并以具体实例进行分析第五章对整篇论文的总结以及对以后RISC机器人的发展进行展望并且提出了今后有待发展和研究的方向上海交通大学硕士学位论文13第二章基于识别的可重构光束传感器2.1RISC光束传感器对物体的识别在识别过程中我们一般都采用在零件在激光传感器所确定的平面中的截面作为研究对象在实际中零件一般都是呈柱状多面体或者圆柱状采用其截面几何形状完全可以准确地描绘零件的位姿状况在物体的识别与定位过程中我们作一下假设1零件在传送带上运动传送带的传送速度保持恒定此时就可以根据激光传感器的干涉时间以及传送带的传送速度来确定物体在与传感器垂直的方向上的距离D2所用的几何体在激光传感器上的界面全部为多边形这是一个很强的限制条件3所有零件不是透明的这样就能保证能够和激光产生干涉在以往的研究过程中激光传感器的全部是采用三束的单个的激光束来实现测量的其主要的思想就是通过确定由三束激光束测的不同距离123DDD来确定由这六条直线围成的包围多边形的最小六边形尺寸如图2-1中所示图2-1RISC光束传感器的识别图Figure 2-1Recognition sketch map of RISC crossbeam sensor当三束激光束之间的夹角取一定的值时激光束测得的距离123()DDD()()可以有以下等式得到上海交通大学硕士学位论文14123()sin()()sin()()sin()DLDLDL=+=+=+这里0, 2-1其中是激光束相夹的两个顶点之间的连线与多边形的边之间的夹角是物体相对于激光束的旋转角度而是三个相邻激光束之间的预设角L是激光束相夹的两个顶点之间的连线长度如图2-1所示这样通过上述计算公式就可以得到L和值从而得到物体的位姿但是在实际计算过程中要想根据包围多边形的最小六边形来确定物体的位姿是十分困难的这是因为当物体的稍微转动一个不大的角度包围物体的六边形的形状就会发生改变在这个基础上建立的检索物体的特征索引表就会相当复杂即使是在固定零件库的情况下也会很复杂要想能够精确的实现对物体位姿的识别就必须在对平面物体的不变几何特征进行识别而RISC光束传感器有一个很大的缺陷就是不能够识别物体截面的不变几何特征这种问题是由RISC传感器系统在结构上的固有缺陷造成的其唯一可行的解决方案就是对光束传感器的结构进行重新设计下面我们先分析一下几种基本几何图形的几何特征2.2几何图形的不变几何特征RISC光束传感器在识别过程中并不能识别物体的不变特征而是通过建立包围物体的多边形的特征索引表然后通过测得的多边形来寻求物体的位姿我们对传感器件感器的结构进行改进目的就在于能够识别出物体的不变特征下面我们将对几何特性的不变特征进行分析物体截面的不变几何特征指的是在物体截面的几何图形中固有的能够表示图形形状尺寸顶点个数角度等的基本要素根据这些数据可以确定物体截面的形状以及在平面中放置的方向顶点的位置所以确定物体截面的不变几何特征对确定物体的位姿相当重要不变特征一般包括以下几项内容1. 顶点凸多边形的顶点个数对于凸凸多边形则表示包围它的凸多边形的顶点个数如下图2-2所示包围多边形ABCDEFGHIJK的凸多边形为ABCDIJ顶点个数为凸多边形的顶点个数点DEHI共线2. 顶点到顶点之间的距离包括多边形的边长对角线长度此时的顶点也是表示包围多边形的顶点3. 边与边之间的夹角以及对角线与边之间的夹角上海交通大学硕士学位论文154. 顶点到对边所在直线的距离5. 平行边之间的距离图2-2a凸凹多边形b包围物体的的最小凸多边形Figure 2-2: aConvex-concave polygon object(b) Polygon enveloping the object.在固定零件库的物体识别过程中如果能够识别出物体的这些不变特征值并且建立它们的索引表可以大大提高识别的效率以及识别的准确度所以基于识别物体不变特征的传感器在自动化装配系统中会发挥更强大更快捷的作用这也是我们设计传感器的思路方向2.3新型可重构专用激光传感器我们对RISC光束传感器进行结构改造其基本结构图如图2-3所示当柔性传送装置传送带上的物体与光束传感器系统作图示的相对运动时它与平面的交叉光束12nAAA以及辅助光束12nAAA发生干涉的起始时刻确定传感器平面上的特征多边形以及多边形的几何特征参数关于物体相对于传感器平面法向轴旋转自由度参数的微分由此可以实现具有不变性的几何特征识别由于该传感器系统中引入了辅助光束且可以识别物体的不变几何特征它与RISC光束传感器有着本质的区别用它来代替RISC光束传感器进行物体识别与定位可以简化物体的特征索引表降低识别与定位算法的复杂性提高识别率且对于给定的物体可以通过简单的试验方法建立其不变特征索引表最大限度地适应机器人装配单元的柔性化敏捷化要求该传感器一个主要特点就是可重构性相对于不同的装配作业可以通过传感器系统的构形进行重新设计来满足识别与定位的要求激光传感器具有良好的灵敏度但是当物体与光束的干涉点在距离所有光束的交点非常近时可能会由于反应时间的问题造成识别失败所以在后面的分析和研究中我们对传送带的位置进行加以变化使传送带在光束交点的一侧运动这样就可避免由于反应速度的问题造成识别错误上海交通大学硕士学位论文16图2-3新型可重构光束传感器Figure 2-3: Reconfigurable Crossbeam Sensor in RISC Robot2.4识别的基本原理在下面的原理介绍中我们不考虑出现奇异状态的情况当出现奇异状态时我们根据此光束传感器的可重构性来改变传感器的结构使得奇异状态转换为非奇异状态然后再根据它的基本原理进行物体的位姿识别与定位在这里我们同样采用前面的三个假设以方便识别中的计算基本原理可重构光束传感器的主要特点就是引入了辅助光束12nAAA利用这些光束可以确定出物体与光束传感器发生干涉的点的位置在不考虑奇异状态的情况下确定出的点就是物体在光束平面上的截面几何图形的某个顶点当物体从与第k对光束发生干涉到离开这对光束就可以确定出进入点和离开点两个顶点根据几何学理论两点之间的距离就是几何图形的不变特征值在图像中表示就是图像中的顶点或者极点利用n对光束就可以确定出尽可能多的顶点位置从而可以得到尽可能多的特征值根据特征值的取值情况可以确定出是固定的零件库中哪个零件然后根据测得的几个点可以绘制出物体截面几何图形的形状从而确定了零件的位姿和位置下面就几个规则图形的确定方法来加以说明2.4.1三角形的位姿识别我们同样采用前面特性分析中的三角形尺寸当三角形在传送带上以一定的速度向前运动时如图2-4所示与光束首先在1点发生干涉然后在2点与辅助光束发生干涉假设传送带的传送速度为v主光束与辅助光束之间的夹角为则根据发生干涉的时间差1t可以得到12之间的距离根据几上海交通大学硕士学位论文17何学原理可以得到三角形这个顶点的位置同样道理当三角形离开这对光束时在3点首先离开激光接收源接收到光信号随后经过2t后辅助光束接收源也接收到光信号从而确定34之间的距离同样利用几何原理得到此顶点的位置这样就确定了46两点同样道理利用其他光束可以确定出三角形的另外一个顶点的位置这样就得到了三个顶点根据三个顶点之间的距离以及相对位置就可以得到三角形在传送带上的位置以及位姿当然三点之间的距离就应该是特征曲线中的顶点位置的值4点和6点之间的距离为4,6sindh=其中h是4点和6点在竖直方向的距离可以通过确定的位置求得是直线46与水平方向的夹角也可以通过确定的位置来求得图2-4三角形顶点的识别过程Figure 2-4: vertexes recognition process of the triangle图2-5四角形顶点的识别过程Figure 2-5: vertexes recognition process of the quadrangle2.4.2长方形及其它图形的位姿识别图2-5中给出了对于矩形截面的物体的位姿识别过程1234四个点分别表示矩形四个顶点的确定的循序根据几何关系可以确定出各个点之间的距离如果我们采用前面给出的矩形的尺寸3040则通过几何关系可以得上海交通大学硕士学位论文18到3,41,250dd=1,43,230dd=1,32,440dd=这样就确定了测得的几何图形的几个不变特征值可以确定该几何图形为矩形根据测得的几个点的位置可以得到矩形在传送带上的位姿当然由于物体在传送带上位姿的任意性在测得的点中可能会有重合的点但是由于我们采用的光束传感器具有可重构性适当调整激光束之间的夹角此时不考虑出现奇异状态的情况奇异状态的情况在后面讨论可以保证至少能够确定出其中的三个点此时根据这三个点之间的距离同样可以确定几何图形的形状以及它的位姿图2-6五边形顶点的识别过程Figure 2-6: vertexes recognition process of the pentagon图2-7六边形顶点的识别过程Figure 2-7: vertexes recognition process of the hexagon同样五边形和六边形的截面的物体也可以通过这种确定几何图形的特征值和点的位置的方法来识别物体在传送带上的位姿和位置但是通过上面的分析可以看出在确定几何图形顶点的过程中至少要确定出三个点的位置因为如果确定出两个点则得到的几何不变特征值只有一个这样在特征函数曲线中不足以确定出物体的形状同样也不能确定出它的位置和位姿而当确定了三个点之后可以得到三个几何不变特征值这样在特征函数曲线中同时满足三个极点的概率就相当小这样更有利于识别物体五边形和六边形的识别过程如图2-62-7所示上海交通大学硕士学位论文19值得注意的是对于正多边形得到的特征值极点可能只有两个值譬如正六边形正方形此时同时满足最大值和最小值的规则几何图形也可以通过与特征函数曲线作比较得到具体是哪一种图形其具体位姿的确定方法有两种我们将在第三章中进行分析2.5奇异状态的分析图2-8出现奇异姿态的状态Figure 2-8: The pose in the figure is the oddity-pose当截面的是多边形的零件在传送带上运动时可能会出现一种奇异姿态在这种情况下此时采用数值方法计算特征多边形几何参数的微分以及截面的不变性特征可能会导致虚假的结果测得到点就是一个实际不存在的点我们称之为伪点所谓奇异姿态就是当多边形物体在传送带上运动时分别与主光束和辅助光束依次发生干涉如果与主光束发生干涉的点和与辅助光束干涉的点不是同一点则根据前面我们提到的方法就得不到相应的定点而是得到一个并不存在的点这样我们得到的特征值也是一个虚假的值出现奇异姿态的示意图如图2-8所示由图中可以看出当截面物体在与主光束发生干涉的时候首先发生干涉的是点1而当与辅助光束发生干的点是22点首先从2点处运动出主辅光束之间的区域这样我们测得的距离值实际上是2与2之间的距离从而我们会得到在1与2之间存在一个顶点而实际上这个点是不存在的也就是所谓的伪点假设3,31,12,2ddd=则这个伪点就会出现在3的位置在这种情况下我们得到的特征值也是一个虚假的值如果在所有光束中都得到这样的一个伪点那物体的定位与位姿的识别就得不到一个正确的值为了达到至少能够识别出物体三个特征点的情况需要改进各个光束之间的夹角以保证在最少量的光束处物体发生奇异姿态对于固定的零件库来说上海交通大学硕士学位论文20完全可以做到最多只有一处发生奇异姿态以下我们就几个常规的图形加以分析图2-9几种常见的几何图