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工业4轴机器人运动目标跟踪抓取系统设计与实现

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工业4轴机器人运动目标跟踪抓取系统设计与实现

作者：高杨重庆大学

学位级别：硕士

工业机器人在当今智能制造领域中扮演着至关重要的角色,机器人抓取更是制造业里极为普遍的环节,工业机器人对运动目标的抓取方法主要有两种:一种是延时补偿抓取,通过视觉传感器单次获取目标位置,并结合拍照与抓取时间差进行距离补偿来... 详细信息

工业机器人在当今智能制造领域中扮演着至关重要的角色,机器人抓取更是制造业里极为普遍的环节,工业机器人对运动目标的抓取方法主要有两种:一种是延时补偿抓取,通过视觉传感器单次获取目标位置,并结合拍照与抓取时间差进行距离补偿来实现抓取任务,易受输送线振动和目标姿态变化的影响,抓取失败率高;另一种是跟踪抓取,通过视觉传感器实时获取目标位置,并引导机器人进行跟踪和抓取,能有效克服输送线振动和目标姿态变化的问题,抓取成功率高。因此,本文以机器人跟踪抓取展开研究工作。本文对工业机器人的目标跟踪抓取技术进行了分析,确定了机器人跟踪抓取的整体方法。在机器人部分,根据项目技术要求和成本要求,自主设计了一款工业4轴机器人,将JT3的驱动电机和减速器安装在JT1的正上方,减小了驱动扭矩,并基于MATLAB平台进行了仿真。在跟踪阶段,针对跟踪算法实时性和目标区域丢失的问题,基于Open CV进行了运动目标的跟踪算法研究对比,选取实时性较高的KCF算法并进行优化,结合输送线编码器数据进行目标区域重构,改善了目标区域丢失问题。在获取运动目标形心时,针对图像处理计算量过大的问题,通过跟踪算法输出ROI,基于ROI区域进行图像预处理、图像滤波、阈值分割和运动目标的形心计算,减少了图像处理的计算量。在机器人抓取时,针对抓取延迟的问题,对机器人轨迹规划及抓取策略进行了研究,通过3-4-5次多项式规划了典型的4轴机器人抓取运动路径,再通过最小二乘法预测运动目标形心在抓取时刻的位置,达到了准确抓取的效果。论文中搭建了包含自主设计工业4轴机器人、工业相机、其他外设、上位机、下位机在内的试验平台,并完成了系列测试,测试结果显示工业机器人可以通过本文优化后的算法对运动目标进行跟踪和精确抓取,设计的跟踪算法实时性比较好,形心获取算法计算量减小且有效,机器人抓取策略能够解决抓取延迟问题,说明了本文算法的有效性。

关键词：工业机器人运动目标跟踪抓取轨迹规划抓取策略

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工业机器人运动工件跟踪抓取技术研究与实现

工业机器人运动工件跟踪抓取技术研究与实现

作者：幸杰重庆大学

学位级别：硕士

随着“工业4.0”概念的兴起和《中国制造2025》的提出,工业机器人在制造业中得到广泛使用。传统工业机器人大多是对静止的工件进行抓取,一旦工件位置发生变化后会导致抓取失败。而自动化生产线工件大多随流水线运动,因此研究工业机器人... 详细信息

随着“工业4.0”概念的兴起和《中国制造2025》的提出,工业机器人在制造业中得到广泛使用。传统工业机器人大多是对静止的工件进行抓取,一旦工件位置发生变化后会导致抓取失败。而自动化生产线工件大多随流水线运动,因此研究工业机器人运动工件跟踪抓取有重要的实际意义。论文对工业机器人运动工件抓取系统进行了需求分析,设计了基于图像处理方法的工业机器人运动工件跟踪抓取方案,即利用图像处理方法进行运动工件的检测和定位,计算出运动工件的实时坐标,工业机器人根据工件坐标执行跟踪抓取操作;研究了基于Canny算子的目标检测算法和基于阈值分割的目标检测算法,在MATLAB上进行算法仿真研究,仿真结果表明基于阈值分割的目标检测算法可以检测识别出运动工件;在DM642图像处理硬件平台上实现了基于阈值分割的目标检测算法,利用感兴趣区域提取技术实现目标检测算法的优化,减小图像处理的计算量,提高算法的实时性,实现运动工件的实时检测和定位;研究了工业机器人的多任务机制,在工业机器人多任务机制下完成运动工件实时坐标信息的获取和工业机器人跟踪抓取运动工件的任务;采用PI控制算法控制工业机器人运动,将运动工件坐标位置与当前机械臂位置坐标的差值作为PI控制器的输入,将PI控制器的输出值与当前运动工件的位置坐标值之和作为机械臂运动的控制量,控制机械臂运动;使用工业机器人软件RT ToolBox2的仿真环境进行PI控制算法的参数整定,将整定好的参数用于工业机器人运动工件跟踪抓取系统。论文设计的运动工件检测算法和工业机器人控制算法在搭建的实验平台上测试,其结果表明工业机器人能够实现对运动工件的实时跟踪与准确抓取,验证了论文工作的有效性。

关键词：工业机器人图像处理运动工件跟踪抓取

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物料跟踪抓取试验台设计

科学技术创新 2020年第9期 154-155页

作者：毛也超王志永田维豪辽宁工业大学机械工程与自动化学院辽宁锦州121001

时值人类第四次工业革命的开端,本次革命是以互联网产业化和工业智能化为代表的全新科技革命。以PLC和单片机为代表的可编程控制器是工业智能化的基础。本文研究、设计的物料跟踪抓取试验台就是一款新兴的PLC教具,培养学生的基于PLC的... 详细信息

时值人类第四次工业革命的开端,本次革命是以互联网产业化和工业智能化为代表的全新科技革命。以PLC和单片机为代表的可编程控制器是工业智能化的基础。本文研究、设计的物料跟踪抓取试验台就是一款新兴的PLC教具,培养学生的基于PLC的编程能力。本文研究的PLC实验设备可实现对物料的跟踪抓取和运输,文中对上料机构、运输带机构、物料缓存器、运输链机构进行了详细的设计、计算,对重要零件进行了有限元分析和其它校核。

关键词：气缸上料跟踪抓取物料运输

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基于视觉动态跟踪的水下机械臂抓取技术研究

基于视觉动态跟踪的水下机械臂抓取技术研究

作者：彭湃沈阳工业大学

学位级别：硕士

水下机械臂作为水下机器人的组成部分之一,在水下作业任务中发挥着至关重要的作用。但目前水下机械臂作业还存在作业精度低、作业耗时较长、智能化程度较低等问题。使用水下摄像机采集水下视觉信息,将视觉动态跟踪运用到水下机械臂的工... 详细信息

水下机械臂作为水下机器人的组成部分之一,在水下作业任务中发挥着至关重要的作用。但目前水下机械臂作业还存在作业精度低、作业耗时较长、智能化程度较低等问题。使用水下摄像机采集水下视觉信息,将视觉动态跟踪运用到水下机械臂的工作任务中,可以极大提高水下机械臂作业的精度和智能化程度,所以基于视觉动态跟踪的水下机械臂抓取技术研究在水下机器人工程应用上具有重要的现实意义,本文主要研究内容如下:首先,针对摄像机的镜头畸变、水下图像的视觉退化和水下噪声干扰问题,在水中使用张正友棋盘标定法消除镜头畸变,又对水下视觉图像进行滤波降噪,降低水下噪声对图像中视觉特征细节信息的干扰,再使用图像增强的方法,增加水下图像色彩对比度,提高水下视觉图像质量,为下文基于视觉的水下目标识别和动态跟踪做准备工作。其次,使用SURF算法从水下图像中提取目标对象的特征点,再使用基于模板匹配方法识别水下目标对象。后续利用视觉跟踪算法对目标对象进行跟踪,再针对水下作业的高准确性和时效性的要求,对比几种视觉跟踪算法的特点,最终采用扩张卡尔曼滤波法对水下目标进行视觉动态跟踪并获取其位姿信息。随后,选择双目摄像机获取水下视觉图像信息,并基于ROS搭建机械臂视觉控制系统。采用扩张卡尔曼滤波算法在实验室水池中进行视觉跟踪实验,又在Gazebo中进行仿真抓取实验,实验结果表明,扩张卡尔曼滤波视觉跟踪算法可准确地获取动态目标位姿信息从而实现机械臂的动态跟踪抓取。最后,在实验室中搭建机械臂视觉跟踪抓取实验平台,进行摄像机标定和视觉图像预处理工作后,采用扩张卡尔曼滤波的视觉跟踪算法进行机械臂跟踪抓取实验,来验证搭建的视觉跟踪系统的可行性和采用的动态跟踪抓取方法的准确性。从实验结果表明,将视觉动态跟踪方法应用在水下机械臂抓取中是可行的。

关键词：水下机械臂机器视觉水下图像预处理水下目标识别跟踪抓取

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基于深度强化学习的机械臂视觉伺服抓取

基于深度强化学习的机械臂视觉伺服抓取

作者：王凯军浙江大学

学位级别：硕士

机械臂抓取静态或动态物体是智能工厂流水线上的常见工序,可以取代人工提升生产效率,视觉伺服可以根据实时图像反馈控制机械臂跟踪抓取目标物体,而以图像雅可比矩阵方法为代表的传统图像视觉伺服高度依赖特征点的稳定匹配,鲁棒性弱且难... 详细信息

机械臂抓取静态或动态物体是智能工厂流水线上的常见工序,可以取代人工提升生产效率,视觉伺服可以根据实时图像反馈控制机械臂跟踪抓取目标物体,而以图像雅可比矩阵方法为代表的传统图像视觉伺服高度依赖特征点的稳定匹配,鲁棒性弱且难以应对目标物脱离视野的情况。本文将深度强化学习算法与视觉伺服相结合,提出了基于深度Q网络（DQN）及深度确定性策略梯度法（DDPG）的通用化视觉伺服方法,训练深度神经网络根据手眼图像输出机械臂动作,跟踪并抓取目标物体,并提出优化方法解决了原算法中网络训练效率低、收敛性差的问题,在仿真与实际系统中验证了效果。本文的具体研究工作如下:（1）面向笛卡尔空间位置控制的视觉伺服,提出了通用化的基于改进DQN算法的DQN-PBVS和DQN-IBVS方法,分别可训练神经网络根据位置反馈、手眼图像反馈输出机械臂末端在笛卡尔空间中的位姿动作,跟踪抓取目标物体。针对一般DQN网络训练中采用状态评价式奖励函数和单经验池造成容易陷入局部极值、训练效率低及收敛性弱的问题,提出了结合双经验池的势能差分式奖励函数构造法,能有效避免策略陷入局部极值,提高优良样本利用率,经数据对比验证提高了DQN网络训练效率与收敛性。为验证上述方法,针对具体任务自主设计了神经网络结构和训练策略,于仿真中进行训练,并验证可跟踪抓取静态或动态的目标物体,能够在目标部分脱离视野的情况下稳定跟踪,具有良好的抗扰动性能和动态跟踪性能。（2）面向速度控制的视觉伺服,提出了通用化的基于改进DDPG算法的笛卡尔空间DDPG-IBVS方法和关节空间DDPG-IBVS方法,前者可训练神经网络根据手眼图像反馈输出笛卡尔空间实时速度,后者训练的网络可实现无模型端到端地根据手眼图像实时控制六关节速度,跟踪抓取目标物体。针对一般DDPG方法中同时训练两个深度网络造成的学习效率低、收敛性差的问题,除了采用结合双经验池的势能差分式奖励函数构造法之外,还提出了异构状态的Critic网络优化设计方法,使Critic网络更高效地辅助Actor网络的训练,经实验验证,进一步提高了DDPG网络的训练效率和收敛性。为验证上述方法,针对具体任务自主设计了分支深度神经网络结构和训练策略,在仿真和实际机械臂抓取系统均验证了其跟踪抓取的抗干扰性能和动态跟踪性能。

关键词：视觉伺服六轴机械臂深度强化学习神经网络跟踪抓取

基于四轴运动控制平台的移动目标跟踪控制研究

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基于四轴运动控制平台的移动目标跟踪控制研究

作者：梁颖电子科技大学

学位级别：硕士

传统的运动控制主要应用于数控领域,通用性和开放性较差,多数只能够应用于特定的场合。为此,本论文基于一款开放式运动控制平台,设计视觉检测模块组成闭环控制系统,增加平台的智能性和准确性。整个运动控制系统通过视觉检测模块对移动... 详细信息

传统的运动控制主要应用于数控领域,通用性和开放性较差,多数只能够应用于特定的场合。为此,本论文基于一款开放式运动控制平台,设计视觉检测模块组成闭环控制系统,增加平台的智能性和准确性。整个运动控制系统通过视觉检测模块对移动目标的运动信息进行实时反馈,并控制四轴运动控制平台和机械手对移动目标进行追踪和抓取,以此实现智能控制。本论文中四轴运动控制平台的运动控制器部分是ARM+PCL6045B的双CPU结构。ARM作为主控CPU,不但具有高速的运行频率,还具有丰富的外设,便于整个平台功能的扩展和裁剪。PCL6045B是一款专业的运动控制DSP,是运动控制器的从CPU,能够实现单轴定位、直线/S型曲线加减速、直线/圆弧插补以及限位和回原点等功能。为了能够对目标进行抓取,在四轴运动控制平台的基础上,扩充了机械手来实现抓取动作。另外,为了便于对四轴运动控制平台进行二次开发,提高四轴运动控制平台的开放性,整个平台的软件体系结构中对相应的运动控制功能进行了API封装。为了能够实现对移动目标的准确追踪,首先需要实现对静止目标的定位和抓取,完成由像素模型坐标系到平台模型坐标系之间的转换,然后利用得到的平台坐标控制四轴运动控制平台的各个轴和机械手进行相关动作,实现对移动目标的追踪和抓取。在视觉检测部分,本论文中利用TLD算法来对移动目标进行检测。TLD算法将传统的移动目标检测算法和传统的移动目标跟踪算法相结合,能够在目标发生遮挡的情况下对目标进行重新检测,具有较高的稳定性。该算法由跟踪器、检测器、整合器以及学习器四大模块组成。最后,为了能够使运动控制平台更加平滑地实现对移动目标的追踪,增加整个运动控制系统的实用性,本论文根据运动控制平台单轴、直线插补以及圆弧插补三种运动控制方式的性能,提出具体的运动控制方案,并在此基础上,针对典型的运动控制场景,设计了一系列实验来验证整个系统在不同场景下对移动目标跟踪抓取的准确性、实时性和稳定性。

关键词：四轴运动控制移动目标 TLD算法视觉检测跟踪抓取

基于机器视觉的在线PE瓶检测与分拣系统设计与实现

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基于机器视觉的在线PE瓶检测与分拣系统设计与实现

作者：陈琨浙江工业大学

学位级别：硕士

现代化流水线为灌装乳品的批量化生产提供了保障,但在灌装过程中不可避免地会产生不合格产品,比较突出的问题是充装率问题和密封问题等。传统的检测方法是人工对瓶子逐个检测,劳动强度大,且漏检情况和误检情况严重,因此针对在线灌装乳... 详细信息

现代化流水线为灌装乳品的批量化生产提供了保障,但在灌装过程中不可避免地会产生不合格产品,比较突出的问题是充装率问题和密封问题等。传统的检测方法是人工对瓶子逐个检测,劳动强度大,且漏检情况和误检情况严重,因此针对在线灌装乳品缺陷的自动化检测与分拣研究是一条有效途径。因此,本文对在线PE瓶的检测与分拣进行了研究,主要研究内容有:(1)提出了一种基于等分圆和竖直投影法结合的PE瓶缺陷检测方法。针对企业对PE瓶充装率和瓶口密封性的检测需求,采用等分圆法判断瓶口密封缺陷是否存在,同时建立了一种基于竖直投影的液面线高度检测方法,能有效的对移动中PE瓶的充装率和密封性进行检测。(2)提出了一种轮廓周长匹配和最小二乘法拟合椭圆的在线PE瓶识别定位方法。针对传送带上快速运动的PE瓶识别与定位的问题,采用不同的滤波和分割方法对采集到的PE瓶图像进行预处理,选择了中值滤波和迭代最佳阈值分割法提取目标特征,分别建立了轮廓周长匹配和最小二乘法拟合椭圆的方法对图像进行识别定位。可以准确完成PE瓶的识别定位。(3)提出了基于金字塔迭代的在线PE瓶拦截式抓取方法。在快速运动的传送带上,传统PID的跟踪抓取方法效果并不理想,本文建立机器人坐标系、像素坐标系和传送带坐标系之间的转换关系,构建了传送带跟踪的标定方法;同时对多个PE瓶目标进行标记并构建基于金字塔迭代的拦截式抓取方法,有效提高了PE瓶抓取效率和准确率。(4)实验平台的搭建与分拣系统开发。将视觉系统、传输系统、分拣系统等模块集成起来,搭建了实验平台;对各离散系统之间的通信结构和数据采集进行设计与研究,并采用VAL3语言编写机器人控制程序和信息集成系统。实验结果证明所研究方法和开发的系统有效解决了在线PE瓶的缺陷检测和分拣问题。

关键词：在线PE瓶缺陷检测机器视觉跟踪抓取分拣系统

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机械臂的移动物体抓取方法研究

机械臂的移动物体抓取方法研究

作者：叶昕宇浙江大学

学位级别：硕士

机器人拥有像人一样抓取物体的能力一直是机器人研发的重要目标之一。机器人对于移动物体的抓取能力是实现自动化生产线和空间在轨服务等应用所必要的重要功能。本文针对机械臂抓取移动物体的问题,研究了机械臂抓取一个移动物体的方法,... 详细信息

机器人拥有像人一样抓取物体的能力一直是机器人研发的重要目标之一。机器人对于移动物体的抓取能力是实现自动化生产线和空间在轨服务等应用所必要的重要功能。本文针对机械臂抓取移动物体的问题,研究了机械臂抓取一个移动物体的方法,基本思路是:首先实现机械臂末端对移动物体的稳定跟踪,即在一定时间内保持机械臂末端与移动物体的位置和姿态在一定范围内相对一致;然后对移动物体进行抓取操作。本文将研究重心放在了实现机械臂末端对移动物体的稳定跟踪方面,提出了分解速度规划算法以及基于资格迹(Eligibility trace)的A3C(Asynchronous advantage actor-critic)算法用于解决机械臂抓取移动物体的问题。本文的主要工作分述如下:(1).传统跟踪算法收敛速度比较慢,往往导致移动物体跑出机械臂工作空间时仍未实现抓取,容易使抓取任务失败。针对这一问题,本文提出了一种分解速度规划算法,用于快速实现机械臂末端对移动物体的稳定跟踪,从而提高了移动物体抓取任务的成功率。该算法的思路主要是将跟踪问题分解为三个子问题,随后分别求解这三个子问题的最优解来给出笛卡尔空间中的控制指令,之后由机械臂模型将其转换为关节空间的控制指令,从而在较短的时间内实现机械臂末端对移动物体的稳定跟踪。在第三方机器人仿真平台上对分解速度规划算法进行了机械臂抓取移动物体的仿真实验,并与一种传统跟踪算法进行了对比,结果验证了分解速度规划算法的收敛速度优于这种传统跟踪算法。(2).分解速度规划算法需要机械臂的精确模型,在机械臂模型不够精确时会导致性能下降。针对这一问题,本文提出了一种免模型(model-free)的强化学习方法,即基于资格迹的A3C算法,用于解决机械臂抓取移动物体的问题,因为这是一种通过与环境的交互进行学习的方法,故而不再需要知道机械臂或环境的模型知识。该算法将A3C算法基于《步返回值的更新方式替换为基于资格迹的更新方式;还针对在连续控制问题中采用高斯分布建立策略函数,并基于该策略函数概率分布的熵来增加智能体探索程度时,由于标准差无限制变大而造成大概率无效探索的情况,提出通过添加标准差约束的方式来提升探索的效率。最后,通过建立的质点跟踪仿真环境,验证了基于资格迹的A3C算法的样本利用效率相比于A3C算法的优势,同时通过在第三方机器人仿真平台上建立的机械臂抓取移动物体仿真环境验证了提出算法的有效性。

关键词：机械臂移动物体跟踪抓取分解速度资格迹 A3C

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基于视觉的机器人物料矫正系统

机械工程师 2018年第9期 29-31页

作者：陈挥尤张明飞谭兆湛华南理工大学广州学院广州510800

"物料矫正"是自动化生产线上工业机器人最常见的动作之一,对流水线上的产品进行姿态检测后按照特定程序摆放。文中引入工业相机作为视觉技术环节,在保证了跟踪抓取的精度的同时,进行物料矫正。研究了视觉引导机器人的跟踪矫正动作,为实... 详细信息

"物料矫正"是自动化生产线上工业机器人最常见的动作之一,对流水线上的产品进行姿态检测后按照特定程序摆放。文中引入工业相机作为视觉技术环节,在保证了跟踪抓取的精度的同时,进行物料矫正。研究了视觉引导机器人的跟踪矫正动作,为实地生产的工业自动化提供技术支持。

关键词：视觉 DELTA机器人跟踪抓取