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基于机器视觉的机械臂倒液研究与应用

基于机器视觉的机械臂倒液研究与应用

作者：汤力凡中国矿业大学

学位级别：硕士

倒液任务作为服务机械臂一项重要基本任务,不仅在服务场合有广泛应用前景,对老年人、残障人士等弱势群体也有人道主义层面意义,具有重要的研究与应用价值。机械臂倒液流程与人类相似,分为抓取、移运、倒液三个环节。本文基于机器视觉理... 详细信息

倒液任务作为服务机械臂一项重要基本任务,不仅在服务场合有广泛应用前景,对老年人、残障人士等弱势群体也有人道主义层面意义,具有重要的研究与应用价值。机械臂倒液流程与人类相似,分为抓取、移运、倒液三个环节。本文基于机器视觉理论与技术,针对倒液液瓶抓取检测、倒液位置推算、液位检测与控制等问题进行研究。主要研究内容如下:首先,在分析倒液场景的基础上,硬件选择Jaco2机械臂和Real Sense D435i深度相机、软件选择ROS搭建基于视觉的倒液实验平台,分析推导Jaco2机械臂正逆运动学、相机成像模型及Tsai-Lenz、EPNP两种手眼标定方法,实现眼在手上、手外标定,构建包括基于实例分割与深度图获取液瓶点云计算抓取位姿的液瓶抓取环节、基于目标检测推算倒液位置的移运环节、基于目标检测的液位检测控制环节的总体工作方案。其次,针对抓取环节中多种服务环境条件下摆放位姿各异液瓶的抓取检测速度精度平衡以及泛化性问题,提出一种基于实例分割和对齐深度图重建液瓶点云方法。首先,通过Mask R-CNN分割掩膜判定点云重建区域,重建区域内的点,跳过区域外的点。此基础上结合液瓶几何共性特征和夹爪结构,设计液瓶的抓取姿态,提出考虑质心距和法向量约束的液瓶抓取位姿估计方法,通过质心距和法向量夹角余弦对抓取点进行评分,获取合理抓取位姿。分割与重建实验验证了基于实例分割的液瓶点云重建方法对不同光照、桌台背景等环境条件具有一定的泛化性,能够较精准重建液瓶点云,并且省去大量无关点运算;抓取实验实现了针对多姿态摆放液瓶的有效抓取,对于斜倚支架式、平躺式、竖立式三种摆放姿态的液瓶抓取成功率均高于75%。然后,针对机器人服务场合下光照、桌台颜色背景等噪声干扰影响液瓶、杯子以及液体三类物体检测效果问题,结合模型部署的轻量要求,提出基于CA注意力机制和轻量级Ghostconv模块、C3Ghost模块特征提取的目标检测模型YOLO-Uni。该模型对通道和空间的重要特征综合进行学习,并使用EIOU损失函数加快模型的收敛。通过汇集COCO、VOC数据集中相关图像、网络上下载相关图像以及实验平台上采集图像,得到实例分割、目标检测共用的机器人倒液视觉数据集,其包含液瓶、杯子和液体三类物体。实验表明,YOLO-Uni在倒液视觉实验数据集中检测精度为97.4%,比YOLOv5s、Faster R-CNN分别高7.4%、5.1%,参数量、运算量分别为YOLOv5s的64.2%、64.7%,训练时定位损失比YOLOv5s下降更快。针对液瓶移运和倒液流程的衔接性与检测快速性的要求,提出基于目标检测的移运位置-液位联合检测方法,在YOLO-Uni的基础上,通过检测的目标信息结合坐标转换推理杯子中心点、高宽以及液瓶高,从而通过几何推算得到合理倒液位置。结合平面几何分析设计算法,判断杯子和杯内液体空间包含关系,将液体和杯子的像素高度作比得到液位进行液位检测,避免绝对值测量所需的繁杂标定。倒液位置推算实验表明,联合检测方法的倒液位置推算成功率可达90%。搭建基于Baxter双臂机器人的实验平台来验证液位检测与控制方法的场景泛化性。液位检测实验表明,联合检测方法能够支持相机多种高度、倾角、安置位置情况下液位检测,模型在不同光照、桌台颜色纹理以及一定遮挡等条件下对实验中多种杯子和液体检测精度均高于80%,Jaco2平台上训练的模型部署到Baxter平台检测仍然具有一定泛化性。最后,针对倒液环节液位控制的泛化性和鲁棒性问题,提出一种统一的液位视觉闭环控制方法。将液位视觉检测放到反馈环节与控制算法组成闭环控制。以期望液位与输入液位之差作为输入量,经过PD控制输出机械臂末端转角,使液位匹配期望值。在单臂Jaco2和双臂Baxter机器人平台上进行了液位控制实验,一组PD参数实现了在两个平台上0.2～0.8(单位均为液高/杯高)之间多个液位期望值等级(0.25、0.4、0.5、0.6、0.75、0.8等)的液位控制,最佳情况下均值误差0.01(液高/杯高),验证了本方法的鲁棒性和泛化性。最终,在实验平台上衔接抓取、移运与液位控制各环节实现倒液,在白色桌台上全流程平均成功率达70%。该论文有图97幅,表26个,参考文献124篇。

关键词：服务机械臂机械臂倒液视觉检测液位控制

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果蔬加工副产物的饲料化利用

饲料工业 2024年

作者：汤力柱湖南农业大学动物科学技术学院

我国拥有丰富的果蔬资源，然而，在果蔬生产加工过程中产生大量废弃副产品，导致资源浪费和环境污染。畜牧业的发展使饲料原料需求不断增长，而玉米和豆粕价格持续攀升，在此背景下果蔬加工副产物的饲料化成为解决畜牧业饲粮短缺的重要... 详细信息

我国拥有丰富的果蔬资源，然而，在果蔬生产加工过程中产生大量废弃副产品，导致资源浪费和环境污染。畜牧业的发展使饲料原料需求不断增长，而玉米和豆粕价格持续攀升，在此背景下果蔬加工副产物的饲料化成为解决畜牧业饲粮短缺的重要途径之一。通过相应的加工技术使果蔬副产物资源化利用，实现部分替代饲料原料。本文综述了果蔬加工副产物的营养价值、加工技术及在动物生产中应用的研究进展，旨在为果蔬加工副产物在动物生产中的应用提供参考。

关键词：加工副产物果蔬饲料加工畜禽生产资源化

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负泊松比内凹六边形蜂窝夹层板的吸声性能

复合材料学报 2024年第4期41卷 2157-2166页

作者：孔维凡付涛昆明理工大学机电工程学院昆明650500

为了改善传统蜂窝夹层板结构的吸声特性,提出了一种负泊松比内凹六边形蜂窝夹层板结构,该结构上面板为微穿孔板,夹芯层为负泊松比内凹六边形蜂窝,其由19个具有内延伸管的单元腔体谐振器构成。采用COMSOL仿真软件对负泊松比内凹六边形蜂... 详细信息

为了改善传统蜂窝夹层板结构的吸声特性,提出了一种负泊松比内凹六边形蜂窝夹层板结构,该结构上面板为微穿孔板,夹芯层为负泊松比内凹六边形蜂窝,其由19个具有内延伸管的单元腔体谐振器构成。采用COMSOL仿真软件对负泊松比内凹六边形蜂窝夹层板结构在500~950 Hz频率范围内进行吸声系数的计算,并运用B&K驻波管测量系统对仿真结果的有效性进行了验证。在保持负泊松比内凹六边形蜂窝胞元结构不变的前提下,研究了胞元参数对蜂窝夹层板结构吸声系数的影响,研究结果表明:当胞元倾角增大、内延伸管孔隙率减小、腔体壁厚减小时,结构的吸声性能增强;此外,腔体深度的增加和内延伸管管长的增加都会导致共振频率向更低频方向移动,其中腔体深度的改变更明显。在500~950 Hz频率范围内,该结构比传统蜂窝夹层板结构的平均吸声系数提升了5.64%,表明负泊松比内凹六边形蜂窝夹层板结构在低频范围内具有更优的吸声性能。

关键词：负泊松比吸声结构吸声系数夹层板腔体谐振器

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胶体量子点激光器研究现状和展望(特邀)

中国激光 2024年第1期51卷 124-144页

作者：王跃司墨凡张浩南京理工大学材料科学与工程学院/格莱特研究院江苏南京210094

2023年诺贝尔化学奖颁发给了Moungi G.Bawendi、Louis E.Brus和Alexei I.Ekimov,以表彰其在量子点领域的开创性研究工作。虽然量子点为基础物理研究提供了理想的平台,但在应用方面还远未展现其天赋。其中,量子点独特的电子结构和可溶液... 详细信息

2023年诺贝尔化学奖颁发给了Moungi G.Bawendi、Louis E.Brus和Alexei I.Ekimov,以表彰其在量子点领域的开创性研究工作。虽然量子点为基础物理研究提供了理想的平台,但在应用方面还远未展现其天赋。其中,量子点独特的电子结构和可溶液加工特性,使其在低成本、高性能激光领域具有广阔的前景。经过20余年的研究,胶体量子点激光器取得了令人瞩目的进展,然而,目前的胶体量子点激光器仍未实现商业化,这说明人们对胶体量子点激光器基础物理的理解以及对关键制备技术的掌握仍有欠缺。基于此,笔者对胶体量子点激光器在近年来的工作进展进行了梳理,并提出了胶体量子点激光领域所面临的挑战,以及克服这些挑战的研究思路。最后,对胶体量子点激光器的未来前景和潜在应用进行了展望。

关键词：激光器半导体激光器胶体量子点连续波激光溶液激光电泵浦激光

高维数据最优划分聚类的k-Fermat算法研究

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系统工程理论与实践 2024年第2期44卷 752-772页

作者：李彤翟永南华英凡大连理工大学经济管理学院大连116024 大连理工大学商学院盘锦124221

将数论中的二维数据最优集结点(广义Fermat点)向高维空间拓展,提出以高维广义Fermat点作为最优聚类中心点的划分聚类算法——k-Fermat算法.首先对Fermat点作为聚类中心点的最优性、唯一性进行理论分析,其次建立了模拟植物生长算法(PGSA... 详细信息

将数论中的二维数据最优集结点(广义Fermat点)向高维空间拓展,提出以高维广义Fermat点作为最优聚类中心点的划分聚类算法——k-Fermat算法.首先对Fermat点作为聚类中心点的最优性、唯一性进行理论分析,其次建立了模拟植物生长算法(PGSA)求解高维数据的Fermat点并指导聚类过程的算法体系,最后对算法复杂性进行了严格证明.为验证算法性能,采用国际公布的经典数据集,将k-Fermat算法与近年来国际重要期刊和顶级会议发表的几十种主流聚类算法进行比较,验证了本文算法的精确性和稳定性.本文改进了目前划分聚类算法中没有最优聚类中心点的理论不足,为非监督学习探索了一个新方法.

关键词：划分聚类最优聚类中心广义Fermat点模拟植物生长算法(PGSA) k-Fermat算法

基于MGWR的滨海区土壤盐渍化分布空间预测及影响因素分析

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环境科学 2024年第7期45卷 4293-4301页

作者：宋颖高明秀王佳凡徐帻欣山东农业大学资源与环境学院国家农机装备创新中心山东鲁研农业良种有限公司

定量分析土壤盐渍化影响因素的空间非平稳性特征，预测其空间分布，对于合理利用滨海盐渍土资源和制定局部针对性防控措施具有重要意义.以山东省东营市河口区为研究区，通过经典统计学方法对土壤盐渍化状况进行描述性统计分析；利用空... 详细信息

定量分析土壤盐渍化影响因素的空间非平稳性特征，预测其空间分布，对于合理利用滨海盐渍土资源和制定局部针对性防控措施具有重要意义.以山东省东营市河口区为研究区，通过经典统计学方法对土壤盐渍化状况进行描述性统计分析；利用空间自相关理论探讨研究区土壤盐渍化全局与局部空间结构特征；选取与土壤盐渍化相关的影响因素，采用多元线性回归（MLR）、地理加权回归（GWR）和多尺度地理加权回归（MGWR）方法对研究区土壤盐渍化空间分布进行建模预测，分析不同影响因素与土壤盐渍化的空间非平稳性特征.结果表明：（1）研究区土壤含盐量均值为5.84 g·kg-1，整体表现为重度盐渍化，全局Moran's I指数为0.19 （P<0.00），空间聚集特征明显；（2） 3种模型中，MGWR模型建模精度最高.与MLR模型相比，GWR和MGWR的Radj2分别提高了0.05和0.07,RSS分别减少210.13和179.95;（3） MGWR回归结果表明，从不同影响因素标准化回归系数均值看，表层土壤盐渍化空间分布主要受中层土壤含盐量、黏粒含量和植被覆盖度影响.不同影响因素对土壤盐渍化的空间非平稳性特征较为显著；（4） MGWR土壤盐渍化空间分布预测结果表明，土壤含盐量高值区域(≥6 g·kg-1)主要分布于研究区北部，空间上整体呈现从沿海向内陆降低的趋势.研究结果可为县区及更大范围利用MGWR开展土壤盐渍化影响因素分析与预测制图提供参考.

关键词：土壤盐渍化地理加权回归(GWR) 影响因素数字土壤制图河口区

生态纺织艺术与STEM教育:交叉学科的对话

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艺术科技 2024年第2期37卷 28-30页

作者：柴佳彤汤力辽宁师范大学美术学院辽宁大连116029

目的:文章旨在探索生态纺织艺术与STEM教育融合的可能性,探讨如何将传统与现代学科相结合,从而为学生提供更全面、创新且实用的教育经验。方法:文章对生态纺织艺术的发展史以及STEM教育的核心理念和方法进行梳理,设计实施一个名为“从... 详细信息

目的:文章旨在探索生态纺织艺术与STEM教育融合的可能性,探讨如何将传统与现代学科相结合,从而为学生提供更全面、创新且实用的教育经验。方法:文章对生态纺织艺术的发展史以及STEM教育的核心理念和方法进行梳理,设计实施一个名为“从农田到时装秀”的跨学科项目。该项目鼓励学生深入农田,选择和采集生态纺织材料,利用STEM原则和方法进行分析和设计,最终完成一个环保时装作品,并在时装秀中展示。结果:生态纺织艺术与STEM教育的融合为学生提供了一个独特的学习平台,使学生能够从多个角度认识和思考问题,培养他们的创新思维和跨学科合作能力。学生通过项目不仅能学到生态纺织的基本技能和知识,还能够了解如何利用科学的方法进行设计和制作。结论:将生态纺织艺术与STEM教育相结合,可以为学生提供全面且实用的教育体验。这种跨学科的教学方法不仅有助于培养学生的创新思维,还有助于他们建立一个更完整和系统的世界观。随着社会不断发展,生态纺织艺术与STEM教育的融合将给未来的教育带来新的机遇和挑战。

关键词：生态纺织艺术 STEM教育交叉学科

三维摄影技术与虚拟现实技术在传统国画保护与展示领域的应用研究

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艺术科技 2024年第5期37卷 82-84页

作者：张桓硕汤力辽宁师范大学美术学院辽宁大连116029

目的:文章探索三维摄影技术和虚拟现实技术在传统国画保护与展示领域的应用,特别是在提供新的艺术体验和教育方式方面的优势作用,旨在为传统艺术品的数字化保护和创新展示提供新的视角和方法。方法:首先深入分析三维摄影技术的原理和应... 详细信息

目的:文章探索三维摄影技术和虚拟现实技术在传统国画保护与展示领域的应用,特别是在提供新的艺术体验和教育方式方面的优势作用,旨在为传统艺术品的数字化保护和创新展示提供新的视角和方法。方法:首先深入分析三维摄影技术的原理和应用优势,包括其在捕捉艺术品的几何结构、色彩、纹理等方面的能力。然后探讨如何将三维摄影技术与虚拟现实技术结合,以创造沉浸式的艺术体验环境。对不同的国画作品进行三维扫描,将扫描得到的数据转化为VR环境中的模型,同时考虑交互设计、多感官集成和教育内容的融合。《千里江山图》作为一个具体案例,被用来演示这些技术的具体应用。结果:三维摄影技术可以精确捕捉国画作品的详细特征,并在VR环境中将其展现在用户面前。VR技术不仅使观众获得了新的艺术品欣赏体验,还促进了交互和教育集成,赋予了艺术品教育价值。结论:三维摄影技术和虚拟现实技术在传统国画保护与展示方面具有应用潜力,能为公众提供一种全新的艺术体验。相关技术为传统艺术品的数字化保护和展示提供了新的方法,有助于传承和普及传统艺术。《千里江山图》的案例证明了这种方法在实际应用中的潜能,为未来相关研究和应用提供了重要参考。

关键词：三维摄影技术虚拟现实技术国画应用

激光选区熔化过程声发射信号的降噪与分类预测方法

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机械工程学报 2024年第6期60卷 163-176页

作者：张赛凡李博轩福贞华东理工大学机械与动力工程学院上海200237

激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)中激光工艺参数显著影响成形件质量,而现行的工艺优化路径大多是基于激光能量密度经验性公式的“盲摸”工艺试验,难以全面反映影响成形件质量的诸多环境因素,且在SLM过程中,熔池失稳、激光辐... 详细信息

激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)中激光工艺参数显著影响成形件质量,而现行的工艺优化路径大多是基于激光能量密度经验性公式的“盲摸”工艺试验,难以全面反映影响成形件质量的诸多环境因素,且在SLM过程中,熔池失稳、激光辐照不连续的情况时有发生,因此亟需开发SLM过程中工艺参数在线动态调控及质量监测技术,以保障制造工艺的可靠性和成形件质量的稳定性。通过声发射信号处理与神经网络算法,实现对采用不同激光工艺参数的熔道SLM成形过程的声发射信号分类预测。在降噪模块中,为确定经验模态分解的分解层数从而将其作为神经网络输入神经元的数量,提出一种基于序列间相关性和反双曲正切函数的直观评判方法。在分类预测模块中,对比基于经验模态分解和小波包变换两种声信号特征提取方法所设计的神经网络性能。研究结果表明神经网络模型对于不同激光参数产生的声发射信号进行分类预测的可行性,从而可直接指导SLM工艺参数的在线调控优化或优选,并为SLM过程的成形质量在线监测系统奠定理论方法基础。

关键词：声发射监测机器学习激光选区熔化小波包分析经验模态分解