[发明专利]一种多自由度机械臂视觉伺服系统组建方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多自由度机械臂视觉伺服系统组建方法，属于视觉机器人技术领域。

背景技术

绝大多数的工业机器人，都是按照既定好的路线或指令进行工作，例如汽车工业生产线机器人；此类机器人的生产操作，严重缺乏智能性和对工作环境的适应性，只能在特定的环境下进行运作，工作环境的改变会对其造成严重的影响，已经达不到人们的要求；机器人技术的发展方向定然会是多领域的融合，例如视觉信息的利用和多传感器技术的采纳等；只有结合多种外在感官，机器人才可以根据外界的环境的变化智能地调整自己的工作状态，不仅避免了操作事故，而且可以更高效的进行生产，机器人技术才能发挥其最大的应用价值。机器人视觉伺服技术是指利用采集并处理得到的视觉信息来控制机器人运动的一种先进的伺服技术；视觉信息通常作为信号反馈引入到视觉伺服系统中；虽然目前将视觉信息引入到了机器人控制系统之中，使得机器人获得了更多的外界信息，提高了其自适应能力，但是机器人视觉伺服效果和人类视觉肢体协调运动相比，在适应能力和灵活性方面都还存在着极大的差距；目前的机器人视觉伺服系统中存在视觉自学习能力较差的问题，目前在机器人视觉伺服的应用中，使用的摄像机模型大多数都是固定参数的，参数的固定，意味着摄像机不能像人眼一样，随着环境的变化而变化，失去了一定的自适应能力；因此，本发明对视觉处理部分进行研究，并将视觉信息加入到机械臂控制系统中，使机械臂可以根据视觉信息来指导自身运动，提高机械臂系统自身的智能性和对环境的适应能力。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种多自由度机械臂视觉伺服系统组建方法，以六自由度PUMA560机械臂为本体构建多自由度运动控制系统；在运动控制系统的基础上以DM6446达芬奇平台进行视觉信息的采集和处理，提取具有指导性的图像特征；最终将运动控制系统与图像处理系统相结合，构建成为完整的视觉伺服系统。

本发明的多自由度机械臂视觉伺服系统组建方法，所述方法包括以下步骤：

第一步，机械臂运动学分析，

a.完成PUMA560机械臂运动学分析，引入连杆坐标系和其次变换矩阵，并采用改进的D-H法完成机器人的正运动学分析与仿真，搭建系统运动学模型，经过测试，也得到了精确的结果；

b.使用矩阵解析法，在正运动学的基础上，完成机器人逆运动学的分析和仿真，给定机械臂末端位置，就可以精确的求得机械臂各关节的角度值；

c.完成运动学分析以及模型的搭建与验证，为视觉伺服系统的搭建提供基础，以便于实现机械臂末端对运动目标的跟踪；

第二步，机械臂关节控制系统设计，

a.在MATLAB下建立四个关节运动控制系统的控制框图获取控制系统的各个参数，使用双闭环控制系统对关节电机进行有效的控制，采用成熟的PID控制方案配合串联校正的方法，使每个关节都达到了较好的精确性和快速性指标；

b.设计了多关节自归位系统，确保初始位置的精确性，在此基础上，通过轨迹规划，使四个独立的关节可以协调的运动，完成视觉伺服课题执行器部分的设计；

第三步，达芬奇平台的搭建，

a.完成达芬奇平台初期的搭建和研究，通过安装搭建多种通信平台软件和系统，实现达芬奇平台内部ARM核与DSP核的双核通信以及PC主机uBuntu操作系统与ARM片上MontaVista Linux操作系统之间的通信；

b.在软件通信平台搭建完成以后，依托达芬奇平台资源，开发多线程并行的视频图像处理应用程序并对每个线程进行介绍；

c.在此应用程序的基础上，将进一步开发基于图像特征的运动目标定位程序；

第四步，图像处理与目标定位，

a.通过CCD相机和达芬奇视频处理子系统前端，完成视频图像的采集以及最初步的图像压缩平衡以及存储；

b.在明确图像灰度以及色度信息在内存中的存储格式之后，对图像进行预处理，使图像特征信息更加突出；

c.对多种边缘检测算子进行性能和计算量的比较后，采用LoG边缘检测算子对图像进行边缘检测，并利用边缘信息对运动物体的中心点进行定位，利用串口传输并借助单片机和PCI17711板卡，将中心点坐标引入构建在PC主机simulink环境下的控制系统之中，完成目标特征提取以及中心点定位以及坐标发送的工作；

第五步，视觉伺服的实现，

a.分析说明视觉伺服总系统模型的整体框架，分析多个独立部分的相互联系和分工；