【《机器人自动抓取系统框架与基本模块分析》3700字】

-35-机器人自动抓取系统框架与基本模块分析目录TOC\o"1-3"\h\u17248机器人自动抓取系统框架与基本模块分析 -1-117271.1机器人自动抓取系统框架 -1-72761.2机器人控制系统 -3-303471.1.1机器人控制系统的功能分析 -4-100411.1.2机器人控制系统软件 -5-13441.1.3socket编程 -5-213461.3硬件平台 -7-181881.3.1机械臂 -7-199221.3.2深度相机 -8-机器人自动抓取系统主要实现机器人对工业物料的自动识别以及抓取。整个自动抓取系统包括硬件和软件部分：软件部分为机器人控制系统，硬件部分主要为机器人的机械臂。整个机器人自动抓取系统基于C/S框架开发，软件系统主要负责实现识别物体、获取坐标、发出指令的任务，在获取目标物体的实时坐标后，控制系统将把实时坐标发送给机器人的控制器，控制机械臂移动到相应的坐标，对目标物体进行抓取操作。1.1机器人自动抓取系统框架本文设计的机器人自动抓取系统仅关注于平面的抓取，整个机器人自动抓取系统的场景图如下图所示，图中所标注的1是机械臂，对应机器人基坐标系，2是机器人手臂末端，深度相机应安装在这个部位，3是待抓取物体，4是抓取平面。将目标物体放置于机械臂前方的平面上，整个抓取过程为：用相机拍下实时场景照片，通过二维图片信息计算出目标物体的三维坐标数据，然后控制机械手臂进行移动和抓取。图1.1机器人抓取系统场景图本系统的整个系统流程图如图1.2所示：图1.2机器人自动抓取系统流程图系统开启后，系统内的深度相机将进行实时图像采集，并对采集到的图像信息进行处理，处理后系统将得到目标物体的定位，并发送指令给机械臂，同时机械臂会收到控制系统传来的数据信息。在初始时，机械臂通电并将寄存器内的参数清空，等待控制系统的指令。在收到指令后，机械臂将按要求移动到指定的坐标，若坐标不可达，则发送异常给控制系统，并停止运动；若坐标可达且运动正常，则机械臂进行抓取后回归原位，系统正常结束。1.2机器人控制系统机器人控制系统是整个机器人自动抓取系统的大脑，控制着整个系统的工作。其基本工作模块图如图1.3所示，共涉及到了以下三个基本功能模块：特征点检测、位姿检测、抓取执行。特征点检测模块中，共包括深度相机拍摄、获取深度图像、特征点检测处理三个功能；位姿检测模块中，共包括作特征点匹配处理、获取图像坐标、图像坐标转换三个功能；抓取执行模块中，共包括通过socket通信传送数据、保存数据到控制器、移动机械臂三个功能。图1.3机器人抓取系统模块图1.1.1机器人控制系统的功能分析（1）特征点检测模块特征点检测是计算机视觉在未知环境中识别目标物体的基础，只有足够清晰地采集图像的特征表达，才能更好地与目标物体进行匹配。系统采用深度相机捕捉图像，并将彩色图像信息和深度图像信息传给计算机，然后使用特征点的检测算法对图像数据进行图像特征采集后，再将图像传给位姿检测模块进行坐标定位。特征点检测算法包括SIFT、SURF、FAST、BRIEF、ORB等，根据不同的需求选择合适的算法对提升系统的效率有着至关重要的作用。由于本系统中需要检测的是斑点而非角点，且图像环境不是非常复杂，因此采用效率较高的SURF算法对图片进行特征点检测。特征点检测的效果图如图1.4所示。图1.4SURF示意图（2）位姿检测模块位姿检测模块主要负责在输入的图片中对目标进行定位，并将图片中的像素坐标系下的坐标转换成机器人基坐标系的坐标。首先，位姿检测模块收到在特征点检测模块中经过初步处理的图像，并使用FLANN算法，对采集到的特征点与目标图像进行比对和匹配。匹配后，位姿检测模块将对匹配上的特征点进行一定的筛选，筛选后在图像信息中找到待抓取的物体。接着，位姿检测模块将进行图像畸变计算，用白色线段框出目标物体并得到其图像的中心点坐标。最后，位姿检测模块通过一定的转换关系，将白色框的中心点坐标转换成机器人基坐标下的坐标。（3）抓取执行模块抓取执行模块主要负责指令信息发送和接收异常信息。本系统中，通信协议采用TCP/IP协议、C/S架构，并通过Socket套接字编程实现。抓取执行模块将位姿检测模块中得到的坐标发送给机器人手臂的控制器，并发出指令使机器人手臂移动，对目标物体进行抓取。若请求异常，该模块将收到硬件传来的异常信息。服务器为机器人机械臂的通信系统，客户端为机器人控制系统的抓取执行模块。两者通过指定地址和端口号进行连接，建立连接后可通过无线局域网进行通信。1.1.2机器人控制系统软件在进行软件部分的开发前，选择一门高效的语言至关重要。由于本系统主要涉及计算机视觉领域，而Pyhtnon中的OpenCV提供了较为完整的库功能和算法，结合上述各模块功能，本文选择采用Python语言对该系统进行开发。Python语言在1990年初问世，本是作为ABC语言的替代品，但在近十几年的发展中，它的功能越来越强大，也越来越高效，短短几句话就可以实现较为复杂的功能。它不仅为人们提供一些优秀的数据结构，还能在多个平台上开发应用，适用性广泛，常常被人们用于大型项目的开发。比起传统的C、C++、Java语言，它的语法更为简洁，也较为易于扩展。另外，由于本系统对于坐标的访问十分频繁，而坐标又是验证系统功能的核心数据，需要对坐标信息进行一定的记录。为了记录机器人手臂的移动坐标，本文采用MySQL作为数据库开发工具，构建了数据库，用于存储图像中待抓取物体的像素坐标，以及相对应的机器人基坐标。MySQL是构建数据库的常用工具包，具备快捷访问、稳定存储等优点。最后，在机器人控制器中，寄存器主要用于接收和保存控制参数，在系统运行前，寄存器将被清空。在运行过程中，坐标数据会被暂时保存在寄存器中。在进行机械臂和控制系统的通信时，本文采用了机器语言。1.1.3socket编程Socket即为套接字，是用于计算机网络中的数据结构。在客户端/服务器架构的软件模型中，客户端和服务器必须通过套接字来进行通信。换言之，套接字是客户端和服务器之间的通信端点，就好比是电话插孔一样。最初，在20世纪70年代，套接字是加利福尼亚大学的伯克利版本UNIX的一部分，它的创建是为了实现同一主机上的不同应用程序间的通信，也就是常说的进程间通信（InterProcessCommunication，IPC）。而现在，socket则多被用于不同主机间的通信，最常见的就是客户端和服务器之前的通信。图1.5socket通信模型套接字共分为两种类型，第一种是基于文件的，UNIX就是这种套接字，并且它有一个家族名字“AF_UNIX”，代表了地址家族（AddressFamily，AF）。因为这种套接字基于文件，所以文件系统支持这种套接字的底层基础结构。第二种套接字是基于网络的，这种套接字由主机名和端口号组合而成，有效的端口号为0~65535。它的家族名字是AF_INET。而所有的套接字又分为面向连接和无连接的两种类型。前者使用TCP协议，后者使用UDP协议。前者将提供序列化的、可靠的、不重复的数据交付，不记录数据传输的边界。而后者的通信采用数据报，和有连接的套接字相反，它不保证数据的顺序性、可靠性及重复性，所以必须要保存记录边界，显然无连接的通信开销更加小，维护成本更加低廉。本文使用的是面向连接的基于网络的套接字。客户端/服务器架构是一种非常常见的架构。在这种架构中，服务器等待客户端的请求，并为其提供服务，然后继续等待。客户端则因特定的请求而联系服务器，并发送一些必要的数据，然后等待对方的响应。在本机器人自动抓取系统中，机器人手臂作为服务器，而采用python编写的特征点匹配以及位姿检测部分作为客户端。客户端对采集到的图片进行一定的处理后，得到所需的数据，然后对服务器端发起请求，并将数据传送给服务器。服务器开启对应的端口后，等待客户端请求，在收到请求后发出响应，然后接收相应的数据，并按要求移动机器人手臂，为客户端提供相应的服务。这个过程中的套接字使用步骤如图1.6所示：图1.6socket通信流程图机器语言中，套接字的常见指令如下：SOCKCREATE：创建套接字，需要指定要使用的套接字编号（1~16），并指出是使用TCP协议还是UDP协议，前者是0，后者是1；SOCKCLOSE：关闭套接字，需要指定要关闭的套接字编号；SOCKBIND：为套接字分配端口，需要指明套接字编号与端口号；SOCKWAIT：等待连接客户端，需要指出等待连接的套接字编号，通信套接字编号和超时时间；SOCKSEND：发送数据，需要指出套接字编号和缓冲区编号，数据保存在相应的缓冲区中。还需写明数据长度，超时时间和已发送的数据大小；SOCKRECV：接收数据，需要指出套接字编号和缓冲区编号，数据将被保存在指定的缓冲区中。还需要写明接收数据长度，超时时间和已接收的数据大小。1.3硬件平台1.3.1机械臂机器人自动抓取系统中主要采取机械臂对目标物体进行抓取，选取合适的机械臂对于提升抓取效率十分重要。本文中的机械臂采用了NACHI公司生产的MZ07-01机器人，该机器人已有多年的生产历史，从最初的电动点焊机器人，逐渐向小型、智能型的机器人发展，在2013年已经开发到MZ系列，技术较为成熟。它的发展历程如图1.7所示。图1.7NACHI机器人的发展1.3.2深度相机深度相机是近年来兴起的新技术，与普通彩色相机最大的不同之处是：普通彩色相机拍摄出的彩色图像上，每个像素点仅存储RGB三通道信息，而深度相机拍摄出的深度图像上，每个像素点还能存储这个点对应的三维点和相