[发明专利]一种SR09机器视觉系统设计方法

摘要

本发明公开了一种SR09机器视觉系统设计方法,所述方法包括以下步骤第一步，基于UML的机器人概念设计；第二步，机器人运动学及动力学分析；第三步，SR09机器人的运动规划；第四步，SR09机器人视觉系统及物料识别；第五步，机器人视觉伺服与模糊控制；第六步，机器人视觉与力觉传感器信息融合与控制。本发明的SR09机器视觉系统设计方法，运行节拍与机械手的运动速度和加速度之间的协调性更好，有利于进行系统优化设计，以减小驱动功率，降低系统成本。

主权项

一种SR09机器视觉系统设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：第一步，基于UML的机器人概念设计，a.基于信息系统的建模理论及面向对象的软件工程方法建立了基于UML的用例驱动的现代机械系统设计过程模型；b.总结分析了基于UML的用例驱动方法进行机电系统概念设计的步骤及目标，并应用于冲裁上料机器人SR09的概念设计；c.设计过程证明了基于UML的面向对象技术用于机器人的概念设计，设计的流程及数据能够保持高度的一致性与连惯性；初步运动学动力学的仿真结果表明设计的结果能满足SR09机器人冲裁上料的位姿要求；第二步，机器人运动学及动力学分析，a.以串联关节式机器人为基础，将构成操作臂的杆件看作刚体，建立了SR09的坐标系统，研究了SR09视觉系统各坐标系之间的关系，推导了SR09操作臂的运动学与动力学方程，进行了运动学仿真；b.提出了一个基于Maple的动力学符号算法，给出了运动学方程的封闭正反解；c.为了解SR09的动力学特性，为下一步的控制设计打基础，设定了一组恒驱动力矩进行了动力学仿真，来观察系统的响应；第三步，SR09机器人的运动规划，a.介绍机器人运动轨迹规划方法，研究了冲压机器人的轨迹规划问题；b.为验证SR09对冲压轨迹的适应性，专门针对SR09典型工作轨迹在ADANTS中进行了综合仿真，对应端拾器轨迹转折点的各关节角位移曲线进行了无轨迹圆滑过渡和有轨迹圆滑过渡两种方式的对比研究；c.仿真结果表明，由于采取了合理的轨迹圆滑过渡，连杆的角速度及角加速度峰值明显降低；关节角2与关节角3的角速度在圆滑前峰值接近200度/秒，圆滑后的角速度降为20度/秒，是原先的10%；圆滑前的角加速度峰值接近7000度/秒2圆滑后，角加速度峰值降为8度/秒2，是先前的0.11%；从仿真的结果还可看出，运行的轨迹保持了规划轨迹图线，符合工程要求；d.对SR09的有效工作区域进行了分析，提出了基于坐标变换的最佳工作位置的优化算法，并对一个直线轨迹的最佳作业点进行了求解；该算法以关节转角绝对值最大值之和取最小为优化目标，以SR09基座位置为设计变量，以SR09的有效作业空间为约束条件，采用离线穷举搜索技术，具有简单实用、全局收敛的特性；如果对结构参数作适当调整，该算法可扩展移植到其他结构的机器人，具有较好的应用前景；第四步，SR09机器人视觉系统及物料识别，a.针对SR09的视觉系统对摄像机模型、摄像机标定、BP神经网络及其工件识别问题进行了研究；b.通过分析研究，设计了一个用于工件识别的BP网络及其相应的识别算法，该算法通过图像输入、降噪滤波、二值化操作、规一化操作及边缘探测等步骤可对圆形，三角形和矩形三种类型的工件进行识别；c.使用神经网络进行工件识别的优越性在于当识别的种类增加时只要增加神经网络相应的样本数进行训练即可，无须更改程序，较好地解决了SR09机器视觉系统中目标识别的技术问题；第五步，机器人视觉伺服与模糊控制，a.分析SR09的视觉伺服工件定位，根据立体视觉系统模型，分析研究了单目与双目配置下的图像雅可比矩阵，给出了在多个特征点情况下，雅可比矩阵的组合原则；b.采用基于图像的PD控制策略，对一单目及双目配置下SR09的视觉伺服系统进行了仿真实验；c.设计了一个具有分段控制效果的模糊PID控制器集成于视觉伺服系统中，就SR09对直线与圆弧追踪进行了控制仿真，结果证明性能较好工作稳定，可作为SR09的控制选择方案；第六步，机器人视觉与力觉传感器信息融合与控制，借助MATLAB的SIMULINK仿真平台，建立了SR09控制系统的仿真实验系统，对SR09进行了无力传感器情况下的力/位混合控制策略的仿真实验，验证了所提方法的有效性，实现了在机械手端拾器运动轨迹控制的同时，保持端拾器与环境之间的接触力在受控范围内变化。