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桌面型机械臂在化学实验中的应用研究

桌面型机械臂在化学实验中的应用研究

作者：张兴强青岛科技大学

学位级别：硕士

机械臂现在正广泛的应用到工业自动化生产当中,为工业智能化带来了更多的便利。不同于传统的工业机械臂的工作场景,机械臂在化学实验场景下有着非结构化、动态性、物体摆放位置不确性等诸多干扰。桌面型机械臂与工业机械臂相比有更加灵... 详细信息

机械臂现在正广泛的应用到工业自动化生产当中,为工业智能化带来了更多的便利。不同于传统的工业机械臂的工作场景,机械臂在化学实验场景下有着非结构化、动态性、物体摆放位置不确性等诸多干扰。桌面型机械臂与工业机械臂相比有更加灵活、小巧、低成本的优势。桌面型机械臂可以针对不同的使用场景进行二次开发,可使其更加智能。如何将桌面机械臂应用在化学实验环境中,主要问题在于通过深度相机是否可以识别定位化学实验容器、化学实验容器内溶液的如何进行识别分类、机械臂抓取实验仪器后的轨迹规划是否可以保证机械臂运动的平稳准确。为了解决桌面型机械臂在化学实验场景下的自主识别抓取与操作问题,本文以桌面型机械臂为平台,结合软硬件技术、深度学习算法、机械臂轨迹规划算法搭建化学实验场景下的机械臂自动抓取操作的系统。本文的主要研究内容包括以下几个部分:(1)针对化学实验容器等物品的识别定位问题,本文提出通过目标检测算法识别化学容器上的化学标签贴纸的方式间接识别定位化学容器的方案。本文首先对不同目标检测算法进行对比研究进行算法选型;之后针对YOLOv3 tiny算法对小目标识别准确率不足的缺陷改进目标检测算法,增加浅层卷积层、残差单元,更换激活函数为Mish;然后在自建化学标签贴纸图像数据集上进行目标检测算法的训练与评估,改进后的算法在保证轻量化的同时在识别准确率方面有了提升,实现了对化学实验容器的识别定位。(2)针对化学实验试剂分类问题,本文采用通过识别化学标签贴纸上的手写文字的方法进行化学试剂分类。首先通过对文本检测与手写汉字识别算法进行研究,确定使用CTPN+CRNN+CTC算法进行文字检测识别的方法。为了让模型可以在嵌入式设备进行运行,对文字识别算法进行轻量化改进,将卷积层换为Mobile Net V3。其次,本文从HWDB手写汉字数据集图像中筛选出含有常见化学名的单字符图像,并进行图像拼接,建立了关于化学试剂名的手写汉字图像数据集。最后进行手写化学试剂汉字识别算法的训练评估,实验结果表明改进的算法在保证准确率的同时又保证模型轻量化,实现了对化学实验试剂的分类。(3)针对机械臂抓取试管进行实验操作中的移液、倾倒等动作的机械臂运动速度、加速度变化问题对机械臂轨迹规划算法进行研究。对轨迹规划算法三次多项式插值与五次多项式插值算法的对比实验测试,测试结果表明五次多项式插值算法能保证桌面机械臂运动时的加速度、速度参数变化更加平滑,可以满足机械臂进行化学实验时动作平稳的要求。(4)搭建基于视觉的机械臂自主抓取运动系统,并围绕化学实验操作进行系统测试。首先完成内外参数标定得到深度相机参数矩阵,利用ROS系统完成系统间各模块通信设置与模型的部署,搭建机械臂视觉抓取系统;之后针对化学实验进行模拟环境的自主抓取操作,实验结果表明利用桌面机械臂进行化学实验具有一定的可行性。

关键词：桌面型机械臂化学实验 YOLOv3 tiny CTPN+CRNN 轨迹规划

基于视觉伺服的桌面型机械臂创新实验平台研制

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实验技术与管理 2018年第5期35卷 92-94,101页

作者：杨亮郭志军李文生王博轩电子科技大学中山学院广东中山528402 中山大洋电机股份有限公司广东中山528402

研制了一种基于视觉伺服的桌面型机械臂创新实验平台,整个系统由机械臂本体、控制器、视觉伺服系统组成。机器臂共有3个自由度,分别由3个步进电机驱动;控制器采用主控板+驱动板的设计结构,具有结构简单、可扩展性强的优点;视觉伺服系统... 详细信息

研制了一种基于视觉伺服的桌面型机械臂创新实验平台,整个系统由机械臂本体、控制器、视觉伺服系统组成。机器臂共有3个自由度,分别由3个步进电机驱动;控制器采用主控板+驱动板的设计结构,具有结构简单、可扩展性强的优点;视觉伺服系统运行在主控板之上,能够通过摄像头采集目标物体图像信息,并将位置信息转换控制指令,控制机械臂完成物体抓取任务。实践表明该方案具有成本低、控制效果好、系统鲁棒性强的优点。

关键词：桌面型机械臂视觉伺服物体抓取创新实验

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基于机器视觉的桌面型机械臂的研究及应用

基于机器视觉的桌面型机械臂的研究及应用

作者：周环宇青岛科技大学

学位级别：硕士

随着机械臂在工业领域多年的研究与发展,获得众多突破性成果。工业机械臂在工作生产中因高效率,低成本等优点得到广泛的应用。不同于工业中较为密闭、单调的工作环境,桌面机械臂在人机环境下的智能交互面临着诸多挑战。桌面机械臂多应... 详细信息

随着机械臂在工业领域多年的研究与发展,获得众多突破性成果。工业机械臂在工作生产中因高效率,低成本等优点得到广泛的应用。不同于工业中较为密闭、单调的工作环境,桌面机械臂在人机环境下的智能交互面临着诸多挑战。桌面机械臂多应用在家庭、教学环境中,环境复杂度较高,物体形状多样性,且大小不一,具有较强的不确定性。在复杂场景中,多个目标物体任意堆积放置,对机械臂的智能识别和抓取提出了更高的要求。与普通工业机械臂相比,桌面机械臂具备占用空间小、价格低廉、人机交互等特点。为更好地实现机械臂人机交互,本文主要研究内容及成果如下:1)本课题主要采用模块化设计,以树莓派作为核心控制板,设计中间件代码、电机控制板。确保机械臂准确移动,实现对化学实验室桌面试剂抓取。2)为桌面机械臂添加化学试剂瓶识别定位功能:目前生产生活中存在诸多应用框架实现机器视觉,根据化学实验台工作空间狭小与试剂摆放空间复杂度较高等特点,搭建合适的视觉平台,提高系统识别率,确保系统准确高效完成对试剂瓶动作是本文研究的重点。本课题主要采用Faster R-CNN区域目标检测算法,实现系统对化学试剂瓶的快速识别,结合张氏标定法和手眼标定法实现系统对二维图像参数的畸变修正并解决像物坐标系向机械臂坐标系的转变问题,控制机械臂实现对目标物的准确抓取。测试表明,基于深度学习神经网络的目标物识别方法,在识别效率方面较优于单纯使用OpenCV的目标识别方法。3)为桌面机械臂添加试剂信息分类查询功能:对机械臂工作环境中试剂瓶信息,实现识别、分类、存储并提供相关网络信息查询功能。通过编写Python中间程序,结合百度AI文字识别,完成对图片目标区域化学标签文字信息的识别;通过中间程序获取相关试剂的网络信息,并存储至云端MySQL数据库,有效的提高了信息的存储效率;提供目标试剂信息检索功能,方便使用者对相关试剂信息的统一查询和管理,提高研究人员工作效率,保证实验环境安全。测试表明,该系统对目标信息识别速率快,准确性可达到96%左右,方便使用者实现对实验室化学试剂的信息管理。

关键词：桌面型机械臂目标识别 Faster R-CNN 数据库

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桌面型机械臂的机器视觉应用框架研究

计算机与现代化 2019年第11期 64-68页

作者：马兴录何爱欣李莹莹青岛科技大学信息科学技术学院

与传统工业机械臂相比,桌面型机械臂具有环境多变、人机协作等特点,为其增加视觉功能显得尤为重要。而目前实现机器视觉的应用框架有很多,如何根据机械臂工作环境及性质,搭建合适的视觉应用软硬件平台,以提高机器视觉识别的准确率和效... 详细信息

与传统工业机械臂相比,桌面型机械臂具有环境多变、人机协作等特点,为其增加视觉功能显得尤为重要。而目前实现机器视觉的应用框架有很多,如何根据机械臂工作环境及性质,搭建合适的视觉应用软硬件平台,以提高机器视觉识别的准确率和效率是本文研究的重点。本文通过采用TensorFlow深度学习框架,利用嵌入式系统的软硬件设计,结合OpenCV等图像处理软件,搭建适合桌面型机械臂的机器视觉二次开发框架,为进一步开发基于视觉的机械臂应用提供了基础。仿真测试及人机协作的案例应用表明该框架具有较好的适应性和高效性。

关键词：机器视觉桌面型机械臂 TensorFlow OpenCV

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化学分析中机器人智能示教系统的研究与实现

化学分析中机器人智能示教系统的研究与实现

作者：孙昊青岛科技大学

学位级别：硕士

随着智能技术的发展,机器人的应用场景因其具有精准、自动、可塑性强的优势而逐渐变得广泛。在化工领域,化学分析实验是该领域进行研究、学习和生产过程中一个必不可少的环节。但目前来看,化学实验方面的智能化水平不高,为了加快科技创... 详细信息

随着智能技术的发展,机器人的应用场景因其具有精准、自动、可塑性强的优势而逐渐变得广泛。在化工领域,化学分析实验是该领域进行研究、学习和生产过程中一个必不可少的环节。但目前来看,化学实验方面的智能化水平不高,为了加快科技创新,打造智能实验室,我国已经出台了一系列扶持政策。所以,充分发挥机器人的优势,用其代替实验员去完成一些流程繁琐、危险性高的实验将成为化学实验室智能化发展的主要方向。而在这个过程中,使用机器人、机械臂等智能设备需要掌握复杂的编程控制技术,对化学实验员来说存在一定难度。这就使得如何用更简单快捷的方式控制机器人、机械臂等智能设备来完成化学实验这一问题成为了关键。为了解决该问题,本文以桌面型实验机械臂为物理载体,结合图像处理、语音识别、信息融合和设备控制技术提出了针对化学实验场景的机械臂智能示教解决方案。方案将桌面型机械臂用在化学分析实验中,通过实验员“边做边说”、机械臂“边看边听”的示教方式帮助机械臂获取实验技能,实现提高实验机械臂智能化水平的同时降低其控制编程门槛。对此,本文做了如下工作:(1)研究基于视频的示教算法。研究目标检测算法,测试了Open Pose对动作检测的适用性,最后选用改进的双流卷积网络实现将实验员的手臂动作进行特征提取和行为分类,得到实验动作基元及置信概率,按照过程将其顺序组合为实验动作组序列,实现基于视频视觉的示教。(2)研究基于语音的示教算法。通过语音识别技术识别语音文本,再通过正则表达式的关键字提取算法提取实验员口述语音文本中的动作关键字,并将其组合称为实验动作序列,实现基于语音听觉的示教。(3)研究基于音视信息融合的示教算法改进策略,提高示教时的技能获取准确率。研究信息融合算法,根据人脑信息处理机制的生理学启示提出音视信息融合方案,并研究了将该方案用于机械臂的特殊性。利用FEI-DEO型融合策略将视频和音频两部分得到的动作信息在决策层进行融合,输出高准确率的实验动作组。(4)研究基于机械臂运动控制的实验动作复现。根据获取的实验动作序列,机械臂基于D-H法进行运动学分析,利用逆向求解法根据末端执行器的位置控制步进电机运转;利用五维表示法描述物体抓取位姿,并根据化学器材的特殊性提出标签抓取的方案来实现抓取,辅助实现完整动作的复现。最后,针对本文机械臂示教系统整体以及单模块的运行情况进行测试,结果表明利用音视信息融合使系统的技能获取准确率获得了约5%-7%的提升;机械臂进一步执行运动控制来复现动作时,其整体示教成功率约为85.5%,验证了通过示教的方式教会机械臂去代替人工完成化学分析实验这一解决方案的有效性。

关键词：化学实验桌面型机械臂示教技能获取音视信息融合运动控制

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基于视觉引导的自动搪锡系统设计

现代制造技术与装备 2018年第8期54卷 62-63,65页

作者：卢海军汤英文徐弈辰闽南师范大学计算机学院漳州363000 太仓光电技术研究所苏州215400

为提高自动搪锡机的灵活性以及桌面型机械臂的柔性生产能力,以视觉引导技术为核心,设计了一套基于视觉引导的桌面型机械臂自动搪锡系统,本系统具有良好的灵活性,对提高桌面型机械臂的柔性生产能力有重要作用。

关键词：视觉引导桌面型机械臂搪锡系统