基于视觉的六自由度机械臂控制技术研究论文(pdf 66页).pdf

南京理工大学 硕士学位论文 基于视觉的六自由度机械臂控制技术研究 姓名 李宏庆 申请学位级别 硕士 专业 控制理论与控制工程 指导教师 陈庆伟 李胜 20090608 本页已使用福昕阅读器进行编辑 福昕软件 C 2 0 0 5 2 0 1 0 版权所有 仅供试用 硕士论文基于视觉的六自由度机械臂控制技术研究 摘要 多自由度机械臂具有高速 灵活等特点 在工业生产等已知环境中扮演着重要的角 色 但其由于无法自主获取外界信息 所以在未知环境中的自主控制面I 临新的挑战 随 着视频图像处理技术的发展 基于视觉的机械臂控制技术的出现 为解决机械臂在未知 环境中的自主控制问题提供了基础 本文以P o w e r C u b e 六自由度模块化机械臂为对象 研究了基于视觉的机械臂控制方 法 即利用视觉传感器的反馈信息 使机械臂的末端执行器能够自动对准目标 并实施 作业 本文首先通过对P o w e r C u b e 六自由度模块化机械臂的分析 利用D H 方法建立了机 械臂运动学模型 并在此模型的基础上 推导出机械臂正运动学方程并研究了机械臂逆 运动学问题的求解方法 得到了机械臂运动学逆解问题的解析解 同时在实际机械臂上 对给出的正运动学方程和逆解问题的解析解进行了验证与分析 然后主要对如何从图像中提取目标的特征信息进行了研究 并通过对摄像机的标 定 给出了一种利用单目摄像机获取目标的三维坐标信息的方法 通过实验验证了所用 方法的可行性 最后设计了基于视觉的机械臂控制系统 并从软件结构 程序流程和用户界面等角 度对所设计的软件进行了说明 同时 利用索尼E V I D I O O P 型摄像机 在P o w e r C u b e 机械臂上进行视觉控制实验 实验结果证明了求取机械臂逆解方法和目标定位方法的有 效性 关键词 多自由度机械臂 运动学逆解 目标定位 视频图像处理 A b 删 硕士论文 A b s t r a c t M a n i p u l a t o r s w i t h m u l t i d e g r e e o ff r e e d o m p l a y a n i m p o r t a n tr o l e i nk n o w n e n v i r o n m e n to w i n gt ot h e i rc h a r a c t e r s s u c ha Sh i 曲 s p e e da n df l e x i b l e H o w e v e r t h e yC a n t g e te x t e r n a li n f o r m a t i o ni n d e p e n d e n t l y S Ot h ea u t o n o m o u sc o n t r o l l i n go fm a n i p u l a t o r sf a c e s n e wc h a l l e n g ei nU l l k n o w l le n v i r o n m e n t W i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ev i d e oa n di m a g e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h ea p p e a r a n c eo f t h ec o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yb a S e do nv i s i o np r o v i d e s am e t h o dw h i c hr e s o l v e st h ep r o b l e mo ft h ea u t o n o m o u se o n t r o l l i n go fm a n i p u l a t o r si n u n k n o w ne n v i r o n m e n t Am e t h o dt oc o n t r o lm a n i p u l a t o r sb a s e do nv i s i o ni Ss t u d i e di nt h i sP a p e r T h ew o r ki s c a r r i e dt h r o u g ho nt h eP o w e r C u b em o d u l a rm a n i p u l a t o rw i t hs i xd e g r e e so ff r e e d o m M a k i n g u s eo ft h ef e e d b a c kf r o mt h ev i s i o ns e n s o r t h ea c t u a t o ro ft h em a n i p u l a t o rc a na i ma tt h e t a r g e ta n ds n a t c ha ti t F i r s t t h es t r u c t u r eo ft h em a n i p u l a t o ri sa n a l y z e d W i t ht h eD Hm e t h o d t h em o d e lo f t h em a n i p u l a t o r Sk i n e m a t i c si ss e tu p B a s e do nt h em o d e l t h ee q u a t i o no fd i r e c tk i n e m a t i c s i Sd e d u c e d Am e t h o dw h i c hs o l v e st h ep r o b l e mo ft h em a n i p u l a t o r Si n v e r s ek i n e m a t i c si S p r o p o s e d A n dt h ea n a l y t i c a ls o l u t i o no f t h ep r o b l e mo ft h em a n i p u l a t o r Si n v e r s ek i n e m a t i c s i sf o u n d M e a n w h i l e t h ee x p e r i m e n ti sc o m p l e t e do nt h em a n i p u l a t o n S e c o n d am e t h o do fp i c k i n gu pt h et a r g e t Sf e a t u r ef r o mt h ei m a g ei sr e s e a r c h e d A n d 丽mc a m e r ad e m a r c a t i n g am e t h o dt og e tt h et h r e e d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t e so ft h et a r g e tw i t h ac a m e r ai sp r o p o s e d T h em e t h o d su s e di nt h ee x p e r i m e n t sa lep r o v e dc o r r e c t F i n a l l y as y s t e mt oc o n t r o lt h em a n i p u l a t o rb a s e d o nv i s i o ni sd e s i g n e d T h es o f t w a r ei s i l l u s t r a t e df r o mt h ep e r s p e c t i v eo ft h es o f t w a r es t r u c t u r e t h ef l o wc h a r ta n dt h eu s e ri n t e r f a c e B e s i d e s ac o n t r o l l i n ge x p e r i m e n tb a s e do nv i s i o nw i t hac a m e r aw h o s et y p ei sE V I D 10 0 Pi s c a r r i e do u to nt h eP o w e r C u b em a n i p u l a t o r T h er e s u l t sh a v ep r o v e dt h ec o r r e c t n e s so ft h e m e t h o d so fi n v e r s ek i n e m a t i c sa n dt a r g e tl o c a t i o n K e yw o r d M a n i p u l a t o r sw i t hm u l t i d e g r e eo ff r e e d o m i n v e r s ek i n e m a t i c s t a r g e tl o c a t i o n v i d e oa n di m a g ep r o c e s s i n g 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果 尽我所知 在本 学位论文中 除了加以标注和致谢的部分外 不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明 研究生签名 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档 可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容 可以向有关部门或机构送交并 授权其保存 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容 对于保密 论文 按保密的有关规定和程序处理 研究生签名 生塞塞劢 7 年莎月万日 硕士论文基于视觉的六自由度机械臂控制技术研究 1 绪论 1 1 课题背景和意义 多自由度机械臂具有高速 灵活等特点 在生产生活中扮演着重要的角色 应用越 来越广泛 然而 大部分的机械臂都是工作在已知的工作环境中的 若环境发生变化 则需要对机械臂做出相应调整 机械臂自主适应未知环境的能力较差 为了使机械臂具 有自主从未知环境中获取信息的能力 需要给机械臂配备各种外部传感器 如触觉 距 离和视觉传感器等 1 1 其中视觉传感器具有信号范围大 信息完整等特点 被认为是最 重要的传感器 2 机器人视觉控制技术的出现 为解决机械臂在未知环境中的自主动作 问题提供了基础 3 随着机械臂数量的增多和应用领域的扩大 对多自由度机械臂进行 视觉控制研究的需求显得越来越迫切 一方面 世界机械臂装机总量连年上升 据联合国欧洲经济委员会和国际机器人联 合会的统计 2 0 0 6 年 在美国运行的机器人总量为1 1 2 4 0 0 套 比2 0 0 2 年增长7 2 0 0 8 年 机器人数量为1 4 5 0 0 0 套 比2 0 0 6 年增长近3 0 4 1 这些机器人中绝大多数是机械 臂 一 国内机械臂的发展起步晚 但速度惊人 2 0 0 5 年底 我国工业机械臂实际安装量为 1 1 5 5 7 台 比2 0 0 4 年底7 0 9 6 台的安装量 增长了6 3 2 0 0 6 年底 我国工业机械手臂 实际安装量为1 7 3 2 7 台 增长了4 7 2 0 0 7 年底 实际安装量为2 3 9 0 0 台 增长了3 1 2 0 0 5 年到2 0 0 7 年每年平均增长4 5 以上 4 1 另一方面 机械臂在传统应用上又有了新的应用 传统机械臂的应用主要分为四类 起重运输 工艺 操作和维修 5 最近十几年 机械臂在航天和医疗领域又有了新的应 用 在航天领域 机械臂主要用于航天飞机和太空站的维护修理 以前这些工作常需要 宇航员出舱完成 风险大 成本高 而且有时在恶劣的太空条件下宇航员并不能完成相 应的操作 机械臂的加入解决了上述问题 使用太空机械臂代替宇航员进行太空作业 风险低 安全系数高 受太空条件的制约小 尤其是在哥伦比亚航天飞机由于隔热瓦损 坏而坠毁之后 美国的所有航天飞机在进入太空后都要使用机械手臂对航天飞机表面进 行严格的检查 以保证航行的安全 4 在医疗领域 机械臂依靠其精确 稳定的操作和产生切口小等优点 正被越来越广 泛的应用 同时 可以远程操作机械臂 这使更多的病人可以更及时方便的接受外科医 生的治疗 北京海军总医院神经外科医生田增民 刘宗惠 杜吉祥和赵全军等使用 C R A S H B 型机械臂系统成功辅助完成了脑立体定向手术3 2 例 开创了国内机械臂在医 疗领域应用的先河 6 1 1 1 绪论硕士论文 多自由度机械臂视觉控制问题的研究是目前机器人研究领域中的一个重要内容和 前沿课题 引起了各国学者的广泛关注 1 2 机械臂发展概况 前景及其研究方法 机械臂是最早进入人类实际生产领域的机器人类型之一 1 9 5 8 年美国联合控制公司 研制出第一台机械臂 它的结构是 机体上安装有回转长臂 手部是装有电磁铁的工件 吸附机构嗍 1 9 6 2 年 美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械 臂 名为U n i m a t e U n i m a t e 的运动系统仿造坦克炮塔 臂可以回转 俯仰和伸缩 采 用液压驱动 许多球坐标式通用机械臂就是在此基础上发展起来的 同年该公司和普鲁 曼公司合并成立万能自动公司 U n i m a t i o n 专门生产工业机械臂 5 1 同年美国机械铸造公司也试验成功一种叫V e r s a t r a n 的机械臂 意思是灵活搬运 该 机械臂的中央立柱可以转动 臂可以回转 升降和伸缩 采用液压驱动 U n i m a t e 和 V c r s a t r a n 都出现在六十年代初 是国外机械臂发展的基础 5 a 从1 9 7 0 年开始 机械臂陆续在联邦德国机器制造业中出现 主要用于起重运输 焊接和设备的上下料等 5 1 0 日本是世界上机械臂发展最快 应用最多的国家 目前日本的机械臂总量占世界首 位 在日本 使用机械臂最多的是汽车行业 其次是电机和电器行业 7 1 目前在国内 汽车业是机械臂的主要应用领域 加工制造业的迅猛发展增大了机械 臂的市场需求 随着机械臂技术的成熟 在仓储物流 医疗等其他领域 也会有越来越 多的企业购买机械臂代替或协助人员操作 8 同时 我国宇航事业的快速发展也将拓展高端机械臂的市场空间 随着神七的上天 必将使机械臂在太空中的应用达到一个新的高度 日常家用和娱乐领域也存在着巨大的 市场潜力 在这个领域中 对机械臂精确性的要求降低了 但对其运动学性能和安全性 能却有更加严格的要求 9 人形智能化机器人的普及使机械臂的应用前景一片看好 因此 机械臂的应用前景极为广阔 同时对机械臂的研究工作也显得十分必要 经过多年研究 机械臂的各种建模方法和控制算法日益完善 目前机械臂的研究方 向主要集中在对柔性机械臂的控制 使用先进的控制算法 如模糊神经网络 1 0 控制机 械臂 在特殊环境条件下控制机械臂 以及机械臂与机械臂之间 机械臂与人之间的合 作等 另外 由于不少新型机械臂已经逐渐脱离了单纯的 劳工 角色 而越来越多的 应用到日常的生活中 用途也日益多样 其中不乏娱乐 服务等领域 9 1 因此 近年来 机械臂的安全控制和机械臂对人类动作姿势的模仿也逐渐成为研究热点 对于多关节机械臂 轨迹规划是有约束的非线性问题 对于非线性的轨迹规划问题 人们进行了许多研究 A s p i n w a l l 提出脉冲构造方法 将机械臂的点位运动控制和振动 2 硕士论文基于视觉的六自由度机械臂控制技术研究 抑制归结为非线性两点边值问题求解 1 1 J a n k o w s k i 引入逆系统方法 利用状态反馈和 动态预补偿解耦非线性系统 1 2 1 但上述方法较为复杂 应用在多关节机械臂的轨迹规划 中存在一定困难 林瑞麟使用旋量法描述机械臂末端执行器在直角坐标空间中关于时间 的运动轨迹 并利用速度矢量是雅可比矩阵列向量的线性组合关系 对广义坐标的运动 量进行线性规划 获得期望的关节位移和关节速度 避免了求解逆运动学方程L l 引 运动学建模也是机械臂研究领域中比较热门的一个方向 通用的建立机械臂模型的 方法是D H 法 该方法由D e n a v i t 和H a r t e n b e r g 于19 5 5 年提出 是一种对机械臂连杆 和关节进行建模的非常实用的方法 适用于任何机械臂构型 l4 1 1 3 机器人视觉控制技术综述 视觉是人类观察世界和认知世界的重要手段 据统计 人类从外部世界获得的信息 大约有8 0 是由视觉获取的 这既说明视觉信息量巨大 也表明人类视觉功能的重要性 随着信息技术的发展 给机器人赋予视觉功能 是人类多年以来的梦想 如果能够使机 器人具有人类那样高效 灵活和通用的视觉 就能够解放劳动力 提高生产效率 l 5 1 机器人视觉控制指的是机器人自动对视觉信息进行获取和分析 在最短的时间内根 据分析结果给出控制信息 完成对机器人的控制 1 6 1 3 1 视觉控制系统分类 机器人视觉控制系统按照不同的分类原则有以下几种分类方法 1 根据摄像机的数目不同 分为单目视觉控制系统 双目视觉控制系统和多目 视觉控制系统 单目视觉控制系统得到的是二维平面图像 图像中物体的深度信息需要使用其它方 法获得 双目视觉控制系统可以获取图像中物体的深度信息 多目视觉控制系统可以获 取多幅不同角度的图像 得到的信息丰富 但摄像机数目越多越难以保证系统的稳定性 1 7 O 2 根据摄像机位置的不同 分为手眼系统 e y ei nh a n d 和固定摄像机系统 e y et o h a n d 1 8 1 9 1 在手眼系统中 摄像机安装在机器人上 理论上 手眼系统能够实现对机器人的精 确控制 但其对系统的标定误差和机器人的运动学误差敏感 固定摄像机系统对机器人 的运动学误差不敏感 但控制精度不如手眼系纠2 0 1 3 根据视觉反馈信号的不同 分为基于位置的视觉控制系统和基于图像的视觉 控制系统 基于位置的视觉控制系统的反馈信号是三维空间坐标值 而基于图像的视觉控制系 统的反馈信号是图像特征值 2 0 1 3 l 绪论硕士论文 4 根据控制策略的不同 分为开环视觉控制系统和闭环视觉控制系统 2 开环视觉控制系统中 由视觉控制器直接控制机器人 开环视觉控制系统比较简单 但误差较大 2 1 闭环视觉控制系统中 由反馈内环稳定机器人 机器人可以根据视觉反 馈信号不断调整自身 闭环视觉控制系统鲁棒性好 精确度高 2 0 2 2 1 3 2 视觉控制方法 从摄像机获取的图像并不能直接被机器人理解 而需要对图像进行处理 2 1 根据机 器人 视觉系统和任务的不同 视觉控制方法也不同 主要有以下几种 1 P I D 控制 P I D 控制由于简单有效在工程实际中得到了广泛应用 在P I D 控制中 被控对象为 机器人 输入为直角空间或机器人关节空间的位置或速度运动指令 在不考虑其动态特 性的前提下 跟据视觉反馈误差e 可以建立以下控制率 2 2 2 3 n u K e K e i K e 1 e 1 1 3 1 i l 式 1 3 1 中 U 是控制量 K P K I K v 分别是比例 积分和微分系数矩阵 e 和u 可以 在图像空间中表示 而机器人的输入量通常在工作空间或关节空间中表示 因此需要用 到空间变换 2 4 2 任务函数法 E s p i a u 在传感器空间中引入了任务函数的概念 并用于视觉控制器设计 2 5 1 依据式 1 3 2 定义任务函数变量k s t k s t c lR s t R l 1 3 2 式 1 3 2 中 s t 表示机器人和目标之间的相对位置和姿态 R 为目标所要达到的期 望特征值 R s t 为视觉装置观测到的目标的当前特征值 C 为一定常矩阵f 2 4 1 设计控 制器使0kI l 趋于零 此时 控制问题转化为一个输出调节器问趔2 3 1 视觉特征集可以 选用图像平面上的几何特征 2 7 几何特征微分或三维位姿向量 2 8 3 状态空间法 用状态方程描述视觉控制问题 状态变量可以是机器人在工作空间中的位姿 也可 以是图像空间中的特征向量 1 9 9 3 年 P a p a n i k o l o p u l o s 利用该方法实现了基于A R M A X 模 型的极点配置控制和L Q G 控制 并用于平面物体的跟踪1 2 9 1 同年 H a s h m o t o 在期望点 附近做线性近似 给出了线性时不变模型 并基于此模型导出了线性二次型性能指标的 最优控制率 从而实现视觉控制 3 0 4 基于图像差的控制 2 目前 几乎所有的视觉控制系统都是从图像中提取特征信息来控制机器人 控制精 4 硕士论文基于视觉的六自由度机械臂控制技术研究 度直接依赖于图像特征提取精度 蒋平提出了图像直接反馈方法 该方法不提取图像特 征信息 而是直接利用实际图像与目标图像之间的误差控制机器入 按照李亚普诺夫方 法设计控制律 1 3 3 国内外视觉机器人研究现状 1 9 9 7 年 美国研制的探路者空间移动机器人 完成了对火星表面的实地探测 取得 了大量有价值的火星资料 为人类研究与利用火星做出了贡献 被誉为2 0 世纪自动化 技术的最高成就之一 3 2 2 0 0 3 年 美国国家航空和航天局发射的 火星探路者 成功在火星着陆 它被赋予 验证火星上是否存在生命的神圣使命 至今它已经传回无数的珍贵图像资料 火星漫 游者 采用双目立体视觉导航 它是人类向其它行星送出的最精密的机器人 3 3 2 0 0 5 年上半年美国研制的军用机器人赴伊拉克参战 它成为美军战史上首次参加实 战的战斗机器人 它重1 2 0 磅 最快速度为5 2 公里 J 时 远程操控的最大距离为0 5 公里 它可以与敌方面对面的实战 本方操控者通过机器人自带的摄像机确定敌方目标 并按下开火按钮向目标射击 3 4 英国制造的排爆机器人由车体与控制器两大部分组成 车体由机械臂 履带和轮胎 等组成 控制器由控制键盘和显示屏等组成 同时 排爆机器人装有3 个摄像头 分别 位于机械臂上 车体底盘和车体上 当仪器确定爆炸物方位后 排爆机器人可进入人员 无法到达的位置 机械臂由三节短臂连接而成 可在空中 地面和地下作业 日本本田公司开发的双脚步行机器人 阿西莫 成为世界上真正会跑的机器人 它 的跑步时速可达6 公里 d 时 步行时速为2 5 公里 J 时 此外 阿西莫 能将预先存 储的地图与传感器捕捉的信息结合起来 从而自行纠正误差 在行走时避开障碍物 3 引 国内对视觉机器人的研究起步较晚 大多数研究尚处于某个单项研究阶段 但也陆 续取得了一些成果 中国科学院自动化所自行设计 制造了全方位移动式视觉导航机器人C A S I A I 该 移动机器人的基本结构包括传感器 控制器和运动机构 传感器由位于机器人底层的1 6 个触觉红外传感器 位于机器人中间两层的1 6 个超声传感器和1 6 个红外传感器 以及 位于机器人顶部的摄像机等组成 C A S I A I 在多传感器信息融合的基础上完成对周围环 境的感知 3 6 另外还有香港城市大学智能设计 自动化及制造研究中心研制的自动导航车和服务 机器人 中国科学院沈阳自动化研究所研制的自动导引车辆系统 A G V 和 灵蜥 B 型反恐防爆机器人 中科院沈阳自动化研究所研制的具有自主知识产权的蛇形机器人样机已通过了国 家8 6 3 计划先进制造与自动化技术领域机器人技术主题专家组的考核 这种蛇形机器人 l 绪论 硕士论文 头部装有摄像机 能够探查洞内情况 如探查坍塌建筑物下的伤员 洞穴探险和反恐等 3 7 o 2 0 0 8 年7 月1 5 日 在民航局及机场奥运团队支持下 由中国民航大学研制的5 个 奥运福娃机器人亮相北京首都国际机场T 3 航站楼 奥运会期间 奥运福娃机器人将守 候在北京首都国际机场 迎送到京离京的奥运大家庭成员和国内外宾客 据介绍 奥运 福娃机器人可以提供机场候机楼处出京入京 行李提取和问讯服务等多种环境和条件下 的引导服务 不仅具有全方位视觉处理判断能力 而且还能够进行双向语音信息的交互 传输 1 4 本文主要研究内容 本文以德国S C H U N K 公司生产的P o w e r C u b e 模块化多关节机械臂为研究平台 对 如何依据视觉控制机械臂进行了研究和实践 主要研究内容为利用视觉传感器的反馈信息 使得机械臂的末端执行器能够自动对 准目标 并实施抓取动作 目标物体定为乒乓球 完整的控制过程如下 利用索尼 E V I D 1 0 0 P 型摄像机获取目标位置信息 然后利用所研究的机械臂逆解算法计算出一组 机械臂各关节的转角 最后通过控制各关节的转动 使机械臂的末端执行器到达目标位 置并实现对目标的抓取 本文主要分为以下几章 第一章绪论主要介绍了本课题的背景和意义 机械臂的相关情况和机器人视觉控制 技术 第二章介绍了基于视觉的机械臂控制系统的组成 包括以下几个部分 P o w e r C u b e 机械臂的软 硬件系统 以及视频图像采集装置的基本参数和控制方式 第三章对P o w e r C u b e 六自由度模块化机械臂进行运动学分析 利用D H 方法建立 了机械臂的运动学模型 并在此模型的基础上 推导出机械臂正运动学方程并研究了机 械臂逆运动学问题的求解方法 得到了逆解问题的解析解 使用M A T L A B 软件分析了 机械臂的工作空间 同时对本章给出的方法进行了验证与分析 第四章主要研究如何从图像中提取目标的特征信息 通过对摄像机的标定 给出了 一种利用单目摄像机获取目标三维坐标信息的方法 通过实验对所用方法的可行性进行 了验证 第五章在前两章的基础上 设计了基于视觉的机械臂控制系统 从软件结构 程序 流程和用户界面等角度对所设计的软件进行了说明 同时 利用索尼E V I D I O O P 型摄像 机 在P o w e r C u b e 机械臂上进行视觉控制实验 实验结果验证了求取机械臂逆解方法和 目标定位方法的有效性 第六章对全文进行总结 并对本研究领域的前景进行展望 6 硕士论文基于视觉的六自由度机械臂控制技术研究 2 基于视觉的P o w e r C u b e 机械臂控制系统组成 本章主要对机械臂视觉控制系统的整体构成进行介绍说明 本文研究内容是如何让 机械臂自动准确的实施对目标物体的抓取 整个系统由三个部分组成 上位机 机械臂 和视频采集装置 图2 1 表示了三者的相互关系 图2 1 系统组成示意图 上位机选用P C 机 操作系统为W i n d o w sX P 机械臂和视频采集装置分别选用德 国S C H U N K 公司生产的P o w e r C u b e 六自由度模块化机械臂和索尼公司生产的摄像机 E V I D 1 0 0 P 一方面 上位机可以发送指令给机械臂和视频采集装置 使其完成相应的 动作 另一方面 机械臂和视频采集装置也可以把数据回传给上位机 上位机对数据进 行相应的处理 下面对机械臂和视频采集装置作具体的分析说明 2 1P o w e r C u b e 机械臂的硬件系统 2 1 1 硬件系统组成 P o w e r C u b e 机械臂是一个由机械手臂组件P o w e r C u b e 组成的模块化机械臂 每个 P o w e r C u b e 模块都由独立的D S P 运动控制芯片与通信模块组成 在各模块之间均采用基 于C A N 总线的通信模式 保证了模块之间数据传输的实时性 P o w e r C u b e 模块可通过 多种方式和上位机相连 比如R S 2 3 2 U S B C A N 或B l u e t o o t h P o w e r C u b c 模块定义 了一套完整的A P I 函数 在上位机中装过驱动后 就可以直接调用A P I 函数控制模块的 运动 而且不论模块通过上述何种方式与上位机相连 函数的功能和调用方式都一样 实现起来非常简单 3 8 1 本文中 模块使用C A N 接1 3 与上位机相连 P o w e r C u b e 机械臂的各模块之间通过连接块连接 连接块的种类有以下几种 9 0 底 座 连接板 一筋板块连接座 9 0 底板连接座 9 0 转7 0 短连接座 4 5 大连接座和3 5 手爪连接座 如图2 1 1 所示 7 2 基f 视觉的p o w e t O J b e 机械臂控制系统组成 论文 多匿哏 口庄 一 捷 豳2IlP o w e K 3 u b e 模块化机械肾连接块幽 图2 12 给出了P o w c a C u b e 六自由度机械臂的标准配置 誉 图212 P o w e r C a b e 机械臂标注配置示意图 机械臂总重1 6 6 6 k g 末端允许晟大静负载为07 k g 工作电源为2 4 V 由两个P R 一9 0 9 0 r m nl 到转模块 两个P R 一7 0 7 0 m m 回转模块 一个P W 7 0 7 0 r a m 手腕模块 P m l T i l t 构型 带有两个自由度 和一个P G 7 0 7 0 m m 夹持器模块 组成了六自由度的 机械臂 2 1 2 模块性能指标 P o w e r C u b e 机械臂是模块化机械臂 囚此必须熟悉各个模块的性能指标 才能更好 的使用机械臂 延长机械臂的使用寿命 表2ll 一表213 分别列出了P R 一7 0 P R 9 0 和 P W 一7 0 的性能指标m I 蘑 t 硕士论文 基于视觉的六自由度机械臂控制技术研究 表2 1 1P R 7 0 的性能指标表 电机参数指标 额定转矩 N m 0 1 8 l 最大转矩 r r m 0 5 6 5 额定转速 r p I n 5 0 0 0 电压 2 4 1 电流 1 5 编码器参数指标 分辨率 线 2 0 0 0 模块参数指标 输出转矩 N m 1 5 最大输出转矩 N m 4 6 最大角速度 s e e 2 3 8 分辨率 i n e 5 6 1 限位 1 6 0 表2 I 2P R 9 0 模块的性能指标表 电机 参数指标 额定转矩 N m 0 5 5 8 最大转矩 N m 1 6 额定转速 r p m 4 3 0 0 电压 2 4 r 电流 A 3 0 编码器参数指标 分辨率 线 2 0 0 0 模块参数指标 输出转矩 N m 4 5 最大输出转矩 N m 1 2 9 最大角速度 s e e 2 3 8 分辨率0 h e 5 6 1 限位 1 6 0 9 2 基于视觉的P o w e r C u b e 机械臂控制系统组成硕士论文 表2 1 3P W 7 0 的性能指标表 电机摆动单元转动单元 额定转矩 1 m 0 1 2 30 0 2 8 最大转矩 N m 0 3 6 6O 1 正常转速 r p m 6 2 0 0 1 4 4 0 0 电压 2 4 1 2 4 l 最大电流 A 1 51 5 编码器参数指标 参数指标 分辨率 线 2 0 0 02 0 0 0 模块 参数指标参数指标 输出转矩 N m 1 22 最大输出转矩 N m 3 58 最大角速度 s e c 2 4 83 5 6 分辨率 i n c 9 6 7 25 6 1 限位 4 1 2 0 1 6 0 2 2P o w e r C u b e 机械臂的软件系统 2 2 1 控制系统 P o w e r C u b c 机械臂的各种运动由各个关节轴系完成 对机械臂的运动控制本质上是 对关节轴系的控制 每个轴系可以完成某一方向的转动 所有轴系同时协调运动就可以 完成相对复杂的动作 P o w c r C u b e 机械臂控制系统是建立在现场总线 A Nb u s 上的分布式控制系统 一 个完整的控制系统可分为三层 主机层 通信层和控制器层 如图2 2 1 所示 3 8 1 l O N眇 一 J U S B 1 控制箱 C A N 通信总线 I l P o w e r C u b cP o w e r C u b e 模块 模块 图2 2 1P o w c r C u b c 机械臂控制结构层次示意图 主扒层 通信层 硕士论文基于视觉的六自由度机械臂控制技术研究 主控计算机通过U S B 连接到控制箱上 控制箱通过C A N 总线连接到通信总线上 这样 主控计算机与各底层控制器相连并交互信息 接收各底层控制器传来的信息 根 据控制算法与作业任务要求 实时生成关节轴系的规划作业任务数据 并通过数据传输 总线送至各底层运动控制器来控制各模块的转动 2 2 2 编程方式 若编程控制P o w e r C u b c 机械臂 必须要在上位机中安装C A N S D K 总线软件开发 包 和C A N D d v e r 控制总线接口驱动 如果在v C 6 0 下建立工程对机械臂进行 控制 还必须把S C H U N K 公司提供的m 5 a p i w 3 2 d l l m 5 a p i w 3 2 1 i b 和m 5 a p i w 3 2 h 文件 拷贝到所建立的工程目录之下 同时在所建立工程的s t d a f x h 中包含m 5 a p i w 3 2 h 并在 V C 6 0 的P r o j e c t S e t t i n g s k L i n k 下添加m 5 a p i w 3 2 1 i b 这样 就可以调用m 5 a p i w 3 2 h 中给出的各种库函数对机械臂进行控制 3 8 矧 下面列出后续章节中可能用到的库函数 并对其功能进行说明 表2 2 1P o w e r C u b e 机械臂库函数表 函数名 函数功能 P C u b co p c n D c v i c c 指定一个初始化字符串来打开C A N 接口 P C u b e c l o s e D e v i e e 关闭C A N 接口 P C u b e g e t M o d u l e C o u n t 获得连接在总线上的模块数量 P C u b e h o m e M o d u l e 使指定模块回到零点位置 P C u b e h o m e A l l 使所有模块回到零点位置 P C u b e h a l t M o d u l e 暂停指定模块的运动 P C u b e h a l t A l l 暂停所有模块的运动 P C u b e r e s e t M o d u l e 重置指定的模块 P C u b e r e s e t A l l 重置所有的模块 P C u b e m o v e V e l 设定模块运动的速度 P C u b e m o v e S t e p 使模块运动到指定的位置 P C u b e g e t M o d u l e S t a t e获得指定模块的状态 P C u b e g e t P o s 获得指定模块的位置 P C u b e g e t V e l 获得指定模块的速度 P C u b e g e t C u r 获得指定模块的电流 模块的状态对于机械臂的使用至关重要 只有及时检查模块状态并更正错误状态 才能正常的使用机械臂 表2 2 2 给出了P o w e r C u b e 机械臂模块的一些状态 2 基f 税觉的P o w c 正u b e 机槭臀控制系统组成 硕士论文 袭2 22P o w e r C u b e 机械臂模块状态表 状态值 状态名称描述 0 x O 0 0 0 0 0 0 1 LS T A T E D M O D E R R O R模块错误 0 x O 0 0 0 0 0 0 2 L S T A T E I DM O D H O M E 模块回到零点位置 0 x O 0 0 0 0 0 0 4 LS T A T E I DM O D H A L T模块处于暂停状态 0 x 0 0 0 0 0 0 0 8 LS T A T E I DM O DP O W E R F A U L T电力桥发生错误 O x 0 0 0 8 0 0 L S T A T E I D M O D M O T I O N 模块正在运动 0 x 0 0 0 4 0 0 0 0 L S T A T E I DM O DP O W V O L T E R P 电压下降 O x O 0 0 8 0 0 0 0 LS T A T E I DM O D P O 噬腰 M P电力桥中发生温度问题 S T A T E I D M O D P O WW D G T E M P 屯动机中发生温度问题 0 x o l 0 0 0 0 0 0 L S T A T E D M O Dc P UO V E R L O A DC P U 过载 2 3E V I D 1 0 0 P 的基本参数 索尼公司出品的摄像机E V I D 1 0 0 P 是一台可以在旋转 倾斜和变焦的动作下依然能 够获得高质量丽质的摄像机 如图2 31 所示 圉2 3IE V I D 1 0 0 P 外观埘 E V I D I O O P 可快速稳定的自动聚焦和自动曝光来进行背光补偿 适用于光线不好的 条件 在视频会议 远距离学习 团体培训 监控 运动会 音乐会和互联网通讯的网 络传播应用巾 其都有着出色的表现 表231 给出了E V I D 1 0 0 P 的基本参数 表2 31E V I D 1 0 0 P 基本参数炭 砚频信号队L 有效像素 7 6 8 4 9 4 镜头1 0 光学变焦4 0 敢字变焦焦距f 31 3 I m m 水平视角 6 6 6 5 水平转角 士1 0 0 垂直转角 2 5 9 电源 外形尺寸 1 1 w 1 2 0 H 1 3 2 D m m 硕士论文基于视觉的六自由度机械臂控制技术研究 E V I D 1 0 0 P 拥有多种图像效果 比如镜像 正负反转图像 黑白图像 水平伸展图 像和垂直伸展图像等等 可以使用红外遥控器控制摄像机基本的旋转 倾斜和变焦 操 作简便 E V I D 1 0 0 P 安装在机械臂的9 0 底座 机械臂基座 上 2 4E V I D 1 0 0 P 的串口控制 E V I D 1 0 0 P 可以与拥有录像输入接口的电脑 电视和D V D 相连 在其底座的后部 有5 个接口 分别是V i d e o 接口 S V i d e o 接口 V I S C AI N R S 2 3 2 C 接口 V I S C AO U T 和电源接口 V I S C A 是一款通过R S 2 3 2 C 串口对E V I D 1 0 0 P 进行控制的协议 通过往固定的地 址发送数据包来控制E V I D 1 0 0 P 比如摄像机的旋转 倾斜 变焦以及图像的各种效果 等 在V I S C A 中 电脑被称为控制器 摄像机被称为周边设备 按照R S 2 3 2 C 串口的 标准可以连接7 台像E V I D 1 0 0 P 这样的周边设备到控制器上 R S 2 3 2 C 的参数如下 波 特率9 6 0 0 b p s 8 位数据位 1 位开始位 1 位停止位 无奇偶校验 字节高位在前 多 个周边设备以菊花链式结构相连接 在使用时要为每台设备分配地址 控制器的地址是 0 周边设备的地址从1 往后排 最多到7 删 在V I S C A 协议中 基本单元是数据包 每个数据包大小在3 到1 6 个字节 包括3 个部分 头部 1 个字节 信息区 1 到1 4 个字节 和尾部 1 个字节 头部主要包 括发送者和接收者的地址 字节的O 2 位表示接收者的地址 第3 位为0 倘位表示 发送者的地址 最高位为1 信息区为控制器发送给周边设备的指令 尾部表示数据包 的结束 字节的8 位均为1 即F F H 图2 4 1 是数据包的结构图 一数I 抱 一 I 娜卜一能区 一鄢l 图2 4 1 数据包结构图 在V I S C A 中指令分为两类 命令型指令和询问型指令 4 0 1 命令型指令用于给摄像 机发送操作命令 询问型指令用于获取摄像机的实时状态 命令型指令信息区的第一个 字节为0 1 询问型指令信息区的第一个字节为0 9 当控制器给摄像机发送询问型指令 时 摄像机将回应一个数据包 用于说明其实时状态 表2 4 1 给出了一些常用的命令 型和询问型指令 2 基于视觉的P o w e r C u b e 机械臂控制系统组成 硕士论文 表2 4 1V I S C A 指令表 命令型指令 数据包 功能 8 x 0 10 4 0 0 0 2 F F 打开摄像机 8 x0 10 40 00 3F F 关闭摄像机 8 x o l0 4 4 8 0 pO q0 r o s F F 设置摄像机的焦距 8 x0 10 43 5 F F 普通模式 8 x0 10 43 50 1F F 室内模式 8 x0 l0 43 50 2F F 室外模式 8 x o l0 43 5 0 4 F F 自动白平衡模式 8 x0 10 60 1V VW W0 30 1F F 设置摄像机向上运动的速度 8 x 0 10 6 0 1V V W W 0 30 2 F F 设置摄像机向下运动的速度 8 x0 10 60 1V V W W0 10 3F F 设置摄像机向左运动的速度 8 x0 l0 60 1V V W W0 20 3F F 设置摄像机向右运动的速度 8 x0 10 60 2V V 硎矿O Y0 Y0 Y O Y0 Z0 Z O ZO ZF F 设置摄像机的绝对位置 8 x0 l0 60 3v vW W O YO Y O Y O Y 0 z0 z o Z0 ZF F 设置摄像机的相对位置 询问型指令 数据包回应数据包功能 8 x0 9 0 4 0 0 F F y 05 0 0 2 F F摄像机己打开 8 x 0 9 0 4 0 0 F F y o5 00 3F F摄像机已关闭 8 x 0 9 0 42 8F F y o5 0 0 p o q0 r O s F F 获取摄像机的焦距 8 x0 90 43 5F F r 05 0o oF F 摄像机为普通模式 8 x0 90 43 5F F y o5 00 1F F 摄像机为室内模式 8 x0 90 43 5F F 05 00 2F F 摄像机为室外模式 8 x0 90 43 5F F y 05 0 0 4 F F 摄像机为自动白平衡模式 8 x0 9 0 61 2 F F y 05 00 Y O Y O Y O Y O Z O Z O Z O ZF F 获取摄像机垂直 水平位置 表2 4 1 中 X 与周边设备的地址有关 由于本文中周边设备只有一台摄像机 其地 址为1 所以X 为l P q r s 可以取1 6 进制0 F 中的任意值 W 表示摄像机