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基于视觉辅助定位的机器人自标定技术研究

基于视觉辅助定位的机器人自标定技术研究

作者：王晨学江南大学

学位级别：硕士

机器人良好的绝对定位精度是应用离线编程技术及完成精密作业的前提,然而由于加工、装配等因素,机器人实际的结构尺寸与其设计尺寸往往存在偏差,从而影响了其绝对定位精度。因此,通过机器人标定尽可能地得到机器人的实际结构尺寸,其意... 详细信息

机器人良好的绝对定位精度是应用离线编程技术及完成精密作业的前提,然而由于加工、装配等因素,机器人实际的结构尺寸与其设计尺寸往往存在偏差,从而影响了其绝对定位精度。因此,通过机器人标定尽可能地得到机器人的实际结构尺寸,其意义是举足轻重的。目前大多标定方法都需要依赖进口的测量设备,不仅价格昂贵且难以施展于环境复杂的工业生产现场,相比之下,基于平面约束的自标定方法成本低且操作方便。本文以Staubli TX60L工业机器人为研究对象,对基于平面约束的机器人自标定技术展开了研究。首先,针对两种主流的D-H建模方法——Paul法和Craig法,容易出现混用的问题,本文研究并指出了两者间存在的本质区别。分别根据两种方法建立了Staubli TX60L机器人运动学模型,并基于Matlab机器人工具箱,通过编程验证了所建立运动学模型的正确性。针对相邻关节轴线平行而产生的D-H参数突变现象,本文引入了绕坐标系Y轴旋转的参数?,对D-H模型进行了完善优化。其次,本文研究了运动学微分变换,在以Paul法所建立的运动学模型基础上,建立了末端位姿误差模型并通过Matlab编程仿真验证了模型的正确性。在此基础上建立了参数误差辨识模型并进行了仿真,证明了参数误差辨识模型的可靠性。针对测量只能获取机器人末端位置的情况,本文进一步提出了末端位置误差模型,并通过仿真验证了模型的正确性。再次,本文研究了基于平面约束和接触式测量头的机器人自标定技术,针对根据目前存在的基于平面法向量和限位平面法所建立的平面约束误差模型所存在的弊端或尚需改进之处,提出了一种对实验要求较低、误差模型简单的标定方法,来建立平面约束误差模型,并通过实验验证了该方法在一定程度上可以提高机器人的绝对定位精度。然后,为了能够提高标定过程的自动化程度,本文提出了基于视觉辅助定位约束平面并完成自动测量过程的方法。研究并搭建了双目视觉定位系统,建立了摄像机成像几何模型、内参数模型、外参数模型、手眼参数模型、三维定位模型等,实现了对约束平面的辅助定位。基于Matlab平台,通过张正友标定工具箱分别标定了左右摄像机的内参数。研究了矩阵直积理论,并成功求解出了左右摄像机的手眼参数。由于双目视觉公共视野范围狭小,同时为了简化数字图像处理过程,本文通过在约束平面上建立标志性靶点,将对约束平面的定位等效成对靶点的定位。研究了数字图像处理理论,并通过编写程序,提取靶点中心像素坐标,代入三维定位模型,求解得到靶点在机器人基坐标系中的三维坐标,并通过实验评估了手眼安装双目视觉的绝对定位精度。最后,基于Visual Studio平台,使用C#语言编写并封装了用于运动学及标定相关计算的主要类库,基本功能有正运动学求解、旋转矩阵与RPY姿态角转换、工具参数标定、运动学参数误差辨识等,能够对一些异常进行简单处理,避免了软件在使用过程中出现崩溃或死机现象。软件在界面开放了必要的参数,使得标定软件能够对任意一台使用Paul法建立运动学模型的6自由度旋转关节串联工业机器人进行正运动学计算及运动学参数误差标定。本文以6自由度旋转关节串联工业机器人为研究对象,建立了运动学模型、末端位姿误差模型、末端位置误差模型、运动学参数误差辨识模型,提出了一种基于平面约束的标定方法,提高了机器人的绝对定位精度;提出了基于视觉辅助定位的机器人自标定方法,以手眼安装的双目视觉为研究对象,建立了摄像机成像几何、内参数、外参数、手眼参数和三维定位等模型,为提高标定过程自动化程度奠定了基础。

关键词：工业机器人自标定平面约束参数辨识视觉辅助定位

基于视觉辅助定位的机械臂运动学参数辨识研究

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工程设计学报 2018年第1期25卷 27-34页

作者：王晨学平雪良徐超江南大学机械工程学院江苏省食品先进制造装备技术重点实验室江苏无锡214122

标定机器臂的运动学参数可以有效提高机械臂的绝对定位精度。针对一般平面约束标定方法往往通过手动示教获取测量数据,效率低,提出一种基于视觉辅助定位约束平面的机械臂运动学参数辨识方法。为了弥补双目视觉视场范围狭小的弊端,在约... 详细信息

标定机器臂的运动学参数可以有效提高机械臂的绝对定位精度。针对一般平面约束标定方法往往通过手动示教获取测量数据,效率低,提出一种基于视觉辅助定位约束平面的机械臂运动学参数辨识方法。为了弥补双目视觉视场范围狭小的弊端,在约束平面上粘贴3个靶点,以此将对平面的定位等效成对靶点的定位。应用双目视觉系统提取靶点中心并进行立体匹配,得到靶点在机械臂基坐标系下的三维位置信息;同时构建靶点坐标系,以此规划出按一定规律分布的约束点;为了进一步提高标定精度,建立双平面约束误差模型,通过两垂直平面上任意非共线的3个点得到一系列法向量,每一对法向量的数量积为0,即增加了约束方程;利用机械臂对相互垂直的两约束平面自动进行接触式测量,通过改进的最小二乘法辨识出真实的运动学参数误差。实验结果表明,基于双平面约束误差模型,修正运动学参数后,机械臂绝对位置精度由1.234mm提高到了0.453 mm。该方法实现了数据的自动化测量,大大提高了标定效率,为机械臂批量标定提供了参考,具有工程意义。

关键词：机械臂运动学标定平面约束双目视觉辅助定位

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一种机器人的平面约束自标定技术研究

机械科学与技术 2019年第8期38卷 1214-1222页

作者：李楠平雪良王晨学徐超蒋毅江南大学机械工程学院江苏省食品先进制造装备技术重点实验室

针对目前基于平面约束的标定方法误差模型复杂、实验条件较为苛刻等问题,提出了一种操作简单的平面约束标定方法。首先提出了修正的末端位置误差模型;其次在标定块的角点上建立坐标系,利用测量头对经过该角点的三个平面分别进行接触式测... 详细信息

针对目前基于平面约束的标定方法误差模型复杂、实验条件较为苛刻等问题,提出了一种操作简单的平面约束标定方法。首先提出了修正的末端位置误差模型;其次在标定块的角点上建立坐标系,利用测量头对经过该角点的三个平面分别进行接触式测量,记录接触瞬间的各组关节角度值并将机器人末端位置转换到标定块坐标系中,从而建立平面约束误差模型;另外通过接触式测量头及编程实现了自动化测量,提高了标定效率;最后对运动学参数误差进行辨识并将结果修正到控制器。实验表明,机器人的绝对位置精度有明显提高。该标定方法成本低、效率高、操作简单,在保证精度的前提下简化了误差模型,具有实际应用价值。

关键词：机器人标定平面约束误差模型接触式测量头

200L钢桶焊缝滚压装置自动找焊缝工位抬升机构的设计

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机械制造 2015年第9期53卷 74-75页

作者：王晨学平雪良张伯金江南大学君远学院江苏无锡214122 江南大学机械工程学院江苏无锡214122 无锡四方友信股份有限公司江苏无锡214092

针对200 L钢桶焊缝滚压装置自动找焊缝工位,设计了一种新的抬升机构,解决了现有抬升机构影响校正精度及零部件使用寿命短的问题。当钢桶从生产线传送到该工位时,抬升钢桶以实现对钢桶位置的校正。

关键词：滚压自动找焊缝校正抬升机构

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钢桶焊缝滚压夹持机构的设计

机械制造 2015年第12期53卷 74-75页

作者：石文栋平雪良鞠明华王晨学江南大学君远学院江苏无锡214122 江南大学机械工程学院江苏无锡214122 无锡市四方友信股份有限公司江苏无锡214092

焊缝质量是体现钢桶质量的一项重要指标,为提高钢桶焊缝质量,需要采用焊缝滚压工艺,焊缝滚压时钢桶夹持机构对焊缝滚压质量具有重要影响。针对焊缝滚压工艺中钢桶夹持工序设计了一种夹持机构,实现焊缝滚压时桶身的固定夹持目的。当钢桶... 详细信息

焊缝质量是体现钢桶质量的一项重要指标,为提高钢桶焊缝质量,需要采用焊缝滚压工艺,焊缝滚压时钢桶夹持机构对焊缝滚压质量具有重要影响。针对焊缝滚压工艺中钢桶夹持工序设计了一种夹持机构,实现焊缝滚压时桶身的固定夹持目的。当钢桶从生产线到达该工位时,夹持机构完成钢桶的固定,并将钢桶从生产线转移至焊缝滚压工位处。

关键词：钢桶焊缝滚压夹持机构

ROS下基于EtherCAT的串联机器人控制系统

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传感器与微系统 2018年第3期37卷 106-109页

作者：张颖平雪良王晨学仇恒坦江南大学机械工程学院江苏省食品先进制造装备技术重点实验室江苏无锡214122

针对传统工业串联机器人控制系统大多面向特定对象,系统开发工作量大,可移植性差,代码复用率低等不足,提出了采用开源机器人操作系统(ROS)为平台,利用开源IgH EtherCAT主站实现控制系统和驱动器Ethercat通信,通过建立统一机器人描述格式... 详细信息

针对传统工业串联机器人控制系统大多面向特定对象,系统开发工作量大,可移植性差,代码复用率低等不足,提出了采用开源机器人操作系统(ROS)为平台,利用开源IgH EtherCAT主站实现控制系统和驱动器Ethercat通信,通过建立统一机器人描述格式(URDF)模型,结合moveit!提供的开源运动规划库(OMPL)进行上层运动规划,设计开发了具有开放性、可移植性和可扩展性高的机器人运动控制系统。使用快速扩展随机树(RRT)相关算法对控制系统进行试验验证,结果表明:控制系统能够有效完成运动控制并适用于其他类型的机器人。

关键词：机器人操作系统串联机器人 EtherCAT 统一机器人描述格式模型 moveit!

构建急性脑卒中事件发生的双能量颈动脉血管周围脂肪组织预测模型

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临床放射学杂志 2025年第1期44卷 53-58页

作者：张何龙娟王晨子周德兴夏学富宋聪王永鹿鹤张贺丁涛胡春峰徐凯孟闫凯徐州医科大学附属医院医学影像科 221002 徐州医科大学医学影像学院 221002 江苏省医学影像与数字医学工程研究中心 221002 徐州市贾汪区人民医院放射科 221011

目的基于双能量颈动脉血管周围脂肪组织(PVAT)特征,构建预测急性脑卒中事件发生的预测模型。方法回顾性分析同时行双能量颈动脉CTA、颅脑MRI检查的患者资料。将患者归为前循环供血区存在急性脑梗塞的急性脑卒中组(ACI组)、前循环供血区... 详细信息

目的基于双能量颈动脉血管周围脂肪组织(PVAT)特征,构建预测急性脑卒中事件发生的预测模型。方法回顾性分析同时行双能量颈动脉CTA、颅脑MRI检查的患者资料。将患者归为前循环供血区存在急性脑梗塞的急性脑卒中组(ACI组)、前循环供血区不存在急性脑梗塞的非急性脑卒中组(NACI组)。依据颈动脉管腔狭窄程度,将管腔狭窄1 mm,获得ROI区域内血管周围脂肪分数(PVFF)、虚拟平扫值(VNC)、碘浓度(IC)、电子云密度(Rho)、有效原子序数(Zeff)、双能量指数(DEI)及能谱曲线斜率(λ)。采用SPSS 21.0进行数据处理。定性资料的组间比较采用χ2检验。计量资料的组间比较采用t检验,不符合正态性分布采用Mann-Whitney U检验。将P学意义。结果105例患者纳入分析,ACI组30例(28.6%),患者平均年龄(68.3±8.6)岁。ACI组患者PVFF小于NACI组患者。ACI组患者VNC、Rho、Zeff、DEI均高于NACI组患者,而λ低于NACI组患者,差异均具有统计学意义。双能量CT参数组合变量预测ACI的曲线下面积、敏感度、特异度分别为0.886、86.7%和82.7%。VNC与λ、VNC与组合变量间的DeLong检验差异均具有显著统计学意义(P=0.045,P=0.002)。结论基于双能量颈动脉PVAT特征构建的预测模型有助于预测急性脑卒中事件发生。

关键词：双能量CT CT血管成像颈动脉血管周围脂肪急性脑梗塞

有氧运动对心肌梗死患者内皮祖细胞动员和功能的影响

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中国组织工程研究 2025年第23期29卷 4947-4955页

作者：赵鹏王聪聪王晨宇郑州澍青医学高等专科学校河南省郑州市450064 中国人民武装警察部队后勤学院卫生勤务系天津市300309 郑州航空工业管理学院河南省郑州市450015

背景:运动康复是心肌梗死患者非药物治疗的重要手段,能够改善心肌灌注和心血管功能,其机制可能与血管内皮细胞介导的血管新生与修复有关,而内皮祖细胞是血管内皮细胞的前体细胞。目的:探讨12周有氧运动对心肌梗死患者内皮祖细胞动员和... 详细信息

背景:运动康复是心肌梗死患者非药物治疗的重要手段,能够改善心肌灌注和心血管功能,其机制可能与血管内皮细胞介导的血管新生与修复有关,而内皮祖细胞是血管内皮细胞的前体细胞。目的:探讨12周有氧运动对心肌梗死患者内皮祖细胞动员和功能的影响。方法:(1)选择2022年1-10月在郑州大学第一附属医院接受经皮冠状动脉介入治疗后的急性心肌梗死患者66例,按照随机数字表法分为运动组(n=33)和对照组(n=33),对照组患者接受常规心脏康复治疗12周,运动组患者接受常规心脏康复+12周有氧运动干预。干预前及干预结束后72 h,检测患者心肺适能、纽约心脏协会分级、左心室射血分数、血清肌钙蛋白Ⅰ和脑钠肽水平及外周血内皮祖细胞数量。(2)干预前及干预结束后72 h,从两组患者外周血中分离提取内皮组细胞,检测内皮组细胞的增殖、黏附和迁移能力。结果与结论:(1)干预结束后72 h,运动组患者的纽约心脏协会分级、血清肌钙蛋白Ⅰ和脑钠肽水平均低于干预前、对照组(P<0.05),峰值摄氧量、最大功率、递增负荷试验完成时间、峰值运动时左心室射血分数高于干预前、对照组(P<0.05),平均心率和平均主观疲劳感觉评分低于干预前、对照组(P<0.05),外周血内皮组细胞数量多于干预前、对照组(P<0.05);(2)干预结束后72 h,运动组患者外周血内皮祖细胞的增殖、黏附与迁移能力均高于干预前、对照组(P<0.05);(3)结果表明,规律有氧运动能够促进内皮祖细胞动员并增强其增殖、黏附和迁移能力,进而改善心肌梗死患者临床病情、心功能和心肺适能。

关键词：心肌梗死有氧运动内皮祖细胞血管生成心功能心肺适能

基于语音信号时频特征融合的帕金森病检测方法

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郑州大学学报（理学版） 2025年第1期57卷 53-60页

作者：王晨哲季薇郑慧芬李云南京邮电大学计算机学院江苏南京210023 南京邮电大学通信与信息工程学院江苏南京210003 南京医科大学附属老年医院江苏南京210009

发音障碍是帕金森病的早期症状之一。近年来,基于语音信号的帕金森病检测的研究大多采用梅尔刻度下的相关语音特征与深度神经网络模型相结合的方法。然而,现有的模型无法充分关注语音信号的全局时序信息,且梅尔刻度特征在准确表征帕金... 详细信息

发音障碍是帕金森病的早期症状之一。近年来,基于语音信号的帕金森病检测的研究大多采用梅尔刻度下的相关语音特征与深度神经网络模型相结合的方法。然而,现有的模型无法充分关注语音信号的全局时序信息,且梅尔刻度特征在准确表征帕金森病的病理信息方面效果有限。为此,提出了一种基于语音时频特征融合的帕金森病检测方法。首先,提取语音的梅尔频率倒谱系数,并将其作为模型的输入。接着,在已有的S-vectors模型中引入Conformer编码器模块,以提取语音的时域全局特征。最后,将与帕金森病语音检测相关的频域全局特征嵌入时域特征中进行时频信息融合,以实现帕金森病语音检测。在公开帕金森病语音数据集和自采语音数据集上验证了方法的有效性。

关键词：帕金森病梅尔频率倒谱系数 S-vectors Conformer 时频特征融合

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