3D视觉结合图像检测与导纳控制的圆轴孔零件机器人装配

面向机器人柔顺装配圆轴与圆孔零件,建立基于3D、单目视觉与导纳控制的机器人自动装配系统,提出基于三维点云的轴线位姿估计算法、图像深度学习目标检测、导纳控制结合的圆轴孔零件的装配策略.针对3D视觉估计圆孔零件位姿问题,重点研究基于三维点云的轴线位姿估计算法.首先,介绍三维点云关键点选取方法;然后,以点云表面法线与轴线的几何约束为基础,提出并分析轴线粗估计的算法;最后,在轴线粗估计的基础上,提出并分析基于迭代鲁棒最小二乘的轴线位姿优化的算法.实验结果表明:轴线位姿估计的角度均方根误差为0.248°,位置均方根误差为0.463 mm,与现有流行的轴线估计方法相比,所提方法的精度更高,使装配策略很好地满足了机器人圆形轴孔零件装配的精度高、稳定可靠的要求.     

基于接触状态感知发育的机器人柔性装配方法

为了提高工业机器人装配的实时性、自适应性和鲁棒性,借鉴人类后天感知学习方式,提出一种基于接触状态感知发育的柔性装配方法.采用机器人末端的位姿和力/力矩来描述装配接触状态,结合支持向量数据描述和改进极限学习机对接触状态感知发育,形成可自我更新成长的经验知识库,预测机器人的装配动作,完成柔性装配任务.为验证所提出方法的有效性,以小型断路器卡合装配为例进行实验,实验结果表明,采用接触状态感知发育可实现装配经验知识库的自我更新,完成机器人的柔性装配,验证了所提出方法的可行性和有效性.     

基于大数据聚类的工业遥操作机器人位姿定位控制系统设计

针对工业遥操作机器人位姿定位过程中难以同步控制位置和姿态角,导致位姿定位准确性较差的问题,利用大数据聚类技术,从硬件和软件两个方面优化设计工业遥操作机器人位姿定位控制系统。通过位姿传感器的改装,保证传感器设备能够同时测量机器人位置与姿态,改装定位控制器和驱动器。在系统硬件的支持下,考虑机器人组成结构、运动原理和动力学理论,构建机器人数学模型,在该模型下模拟机器人遥操作过程,确定机器人位姿的定位控制目标。实时采集机器人位姿数据,利用大数据聚类技术计算定位控制量,在控制器的约束下,实现系统的位姿定位控制功能。通过系统测试实验得出结论：综合多种类型的运动情况,在优化设计系统的控制下,机器人的位置误差平均值为4.5mm,姿态角控制误差为0.04°。     

地面移动机器人的分阶段位姿镇定方法

针对无侧移地面移动机器人的位姿镇定问题提出一种多阶段控制律.在运动学层次上位姿镇定制问题与带落角约束的二维制导问题具有很大的相似性.基于此,在最优制导律的基础上增加对线速度的控制后,可以实现一定初始位姿条件下的位姿镇定控制.对于不满足条件的初始位姿,则增加一个姿态调整阶段,使其达到初始条件.所构造的多阶段控制律可以对任意期望位姿实现控制,并具有能量最省的特性.仿真结果证实该控制律具有较好的控制精度.     

基于模糊滑模的六足蛇形臂机器人的末端位姿控制

针对六足蛇形臂机器人的超关节极限和位形偏移量大、末端位姿的控制稳定性不好的问题,提出一种基于模糊滑模的六足蛇形臂机器人的末端位姿控制算法。在超冗余运动学逆解空间中建立蛇形臂机器人的运动学模型,采用修正的DH参数法进行六足蛇形臂机器人的末端位姿参数调节和融合处理,建立蛇形臂机器人的末端位姿力学控制模型,在末端跟随运动中采用外环滑模导纳控制方法进行末端位姿的自适应参数调节,采用滑模误差反馈调节方法确定六足蛇形臂机器人的末端位姿,实现六足蛇形臂机器人准确的姿态定位和参量解算,提高控制稳定性。仿真结果表明:采用该算法进行六足蛇形臂机器人的末端位姿控制的姿态校正性能较好,蛇形臂关节的空间位姿自适应调整能力较强,跟随运动准确,具有很好的位姿控制稳定性。     

一种基于机器人的航天器大型部件自主装配方法

航天器大型部件在狭小空间中装配存在着视野受限、目标位置不可见等问题,传统的吊装方法无法精确调整位姿、磕碰风险极高．本文提出一种基于双目视觉定位的机器人辅助装配路径规划方法．该方法以航天器、待安装部件以及机器人等装配要素的3维模型为基础,采用双目视觉系统对航天器上安装位置的几何特征进行精确定位．利用测量结果确定机器人和航天器之间的相对位姿关系,进而构建航天器装配现场的虚拟环境,识别装配过程中的几何约束,然后利用轴对齐包围盒方法进行碰撞检测,采用随机路图法规划出一条无干涉的装配路径,最后利用离线编程技术生成机器人可执行的装配序列．以某型号航天器激光测高仪为对象开展装配试验,完成了大型部件在狭小凹舱内的无磕碰安装．结果表明该方法可以实现对螺纹孔精准定位,快速规划出无干涉装配路径,能够控制机器人安全、高效完成大型部件在狭小空间下的安装作业．     

基于多重几何约束的未知物体抓取位姿估计

针对机器人在非结构化环境下面临的未知物体难以快速稳定抓取的问题,提出一种基于多重几何约束的未知物体抓取位姿估计方法.通过深度相机获取场景的几何点云信息,对点云进行预处理得到目标物体,利用简化的夹持器几何形状约束生成抓取位姿样本.然后,利用简化的力封闭约束对样本进行快速粗筛选.对抓取位姿的抓取几何轮廓进行力平衡约束分析,将稳定的位姿传送至机器人执行抓取.采用深度相机与6自由度机械臂组成实验平台,对不同姿态形状的物体进行抓取实验.实验结果表明,本文方法能够有效应对物体种类繁多、缺乏3维模型的情况,在单目标和多目标场景均具有良好的适用性.     

灵长类仿生机器人悬臂飞跃运动控制研究

研究了双臂式灵长类仿生机器人的悬臂飞跃运动仿生控制问题.基于角动量守恒原理,针对机器人进行悬臂飞跃时目标点的位置,规划机器人的空中姿态及身体旋转.基于逆运动学分析方法,获得起飞时刻系统位姿,提出了基于分层滑模控制的悬摆姿态控制策略.仿真实验表明所述控制策略可以实现双臂悬摆机器人的悬臂飞跃运动控制.     

基于法向约束的背靠视觉端面对接定位方法

端面对接在航空航天、自动化装配、人机交互等领域有着重要应用,然而端面检测仍存在圆姿态解不唯一、解精度不高、对接效率较低等问题。为提高测量精度和鲁棒性,以背靠视觉和排列点激光为测量手段,提出一种基于法向约束的端面对接定位方法。通过背靠视觉分别采集端面圆特征图像,在对圆特征进行边缘提取的基础上采用随机采样一致性算法进行圆特征拟合,降低图像噪声的影响,提高特征拟合的鲁棒性。根据单目相机圆位姿解算模型,得到二义性的端面圆中心位置和姿态解,将排列点激光拟合得到的平面法向量作为法向约束,并取圆姿态解与法向约束的夹角最小者为正确的圆姿态解。最后,由机器人先后进行姿态和位移迭代调整,完成端面的对接装配。机器人小角度姿态、小位移的实验结果表明,该方法具有姿态调整准确度高、位移调整收敛快的特点,姿态最大偏差为0.03°,中心位移X方向最大偏差为0.01 mm、Y方向最大偏差为0.03 mm。     

基于双目视觉导航的仿生机器人鲁棒控制算法

仿生机器人在定姿过程中受到空间扰动因素的影响容易产生控制误差,需要对机器人进行精确标定,提高仿生机器人的定位控制精度,因此提出一种基于双目视觉导航的仿生机器人鲁棒控制算法。利用光学CCD双目视觉动态跟踪系统进行仿生机器人的末端位姿参量测量,建立被控对象的运动学模型;以机器人的转动关节的6自由度参量为控制约束参量,建立机器人的分层子维空间运动规划模型;采用双目视觉跟踪方法实现仿生机器人的位姿自适应修正,实现鲁棒性控制。仿真结果表明,采用该方法进行仿生机器人控制的姿态定位时对机器人末端位姿参量的拟合误差较低,动态跟踪性能较好。     

基于多约束条件的机器人抓取策略学习方法

针对机器人在多类别物体不同任务下的抓取决策问题,提出基于多约束条件的抓取策略学习方法.该方法以抓取对象特征和抓取任务属性为机器人抓取策略约束,通过映射人类抓取习惯规划抓取模式,并采用物体方向包围盒(OBB)建立机器人抓取规则,建立多约束条件的抓取模型.利用深度径向基(DRBF)网络模型结合减聚类算法(SCM)实现抓取策略的学习,两种算法的结合旨在提高学习鲁棒性与精确性.搭建以Refiex 1型灵巧手和AUBO六自由度机械臂组成的实验平台,对多类别物体进行抓取实验.实验结果表明,所提出方法使机器人有效学习到对多物体不同任务的最优抓取策略,具有良好的抓取决策能力.     

Robust omnidirectional mobile robot topological navigation system using omnidirectional vision

Robust topological navigation strategy for omnidirectional mobile robot using an omnidirectional camera is described. The navigation system is composed of on-line and off-line stages. During the off-line learning stage, the robot performs paths based on motion model about omnidirectional motion structure and records a set of ordered key images from omnidirectional camera. From this sequence a topological map is built based on the probabilistic technique and the loop closure detection algorithm, which can deal with the perceptual aliasing problem in mapping process. Each topological node provides a set of omnidirectional images characterized by geometrical affine and scale invariant keypoints combined with GPU implementation. Given a topological node as a target, the robot navigation mission is a concatenation of topological node subsets. In the on-line navigation stage, the robot hierarchical localizes itself to the most likely node through the robust probability distribution global localization algorithm, and estimates the relative robot pose in topological node with an effective solution to the classical five-point relative pose estimation algorithm. Then the robot is controlled by a vision based control law adapted to omnidirectional cameras to follow the visual path. Experiment results carried out with a real robot in an indoor environment show the performance of the proposed method.     

基于性能分析的装配站生产状态快速配置方法

为了支持装配生产作业中市场需求、生产率和资源利用率的协调控制,保证企业的高效、精益生产,提出了一种基于性能分析的装配站生产状态快速配置方法。该方法首先构建支持性能分析的装配站作业网络图,实现在制品资源与可重用资源双重约束下的作业性能分析;然后,考虑闲置时间和成本浪费两类指标,给出装配站最优生产状态评价的多目标函数,并探讨问题求解的解空间特性;采用在制品控制和随机领域两个改进策略,建立生产状态快速配置的粒子群算法。最后,采用某型飞机机翼装配站为实例,验证了方法的有效性。     

模糊自适应在机器人行走平衡控制中的应用

针对多变量、非线性的两轮机器人系统的行走平衡控制问题,提出一种基于Backstepping（反推）方法和PID的控制策略。该策略在Backstepping控制器中加入模糊自适应部分,利用模糊系统逼近Backstepping设计过程中的未知非线性函数,模糊系统中的参数基于自适应律调整,解决了Backstepping控制器中因含有未知参数难以实现的困难,避免了两轮机器人系统不满足严格三角结构的问题。针对两轮机器人的仿真实验结果表明：采用设计的控制策略,可以实现两轮机器人的行走平衡控制任务。     

Piecewise strategy and decoupling control method for high pose precision robotic peg-in-hole assembly

Existing compliance control methods take the force/moment precision as the only metric but do not explicitly guarantee the pose precision between assembly objects. In this paper, we first find significant time-variant and coupling characteristics in the process of modelling peg-in-hole assembly. Then, piecewise strategy and decoupling control (PSDC) method is proposed to explicitly improve the pose precision between the peg and hole. During designing PSDC controller, given the time-variant characteristic of assembly, piecewise strategy is utilized to improve the rapidity and stability of control, which is the basis of the pose precision. Given the coupling characteristic of assembly, an identification method of modelling error on the equation of output is proposed and the corresponding decoupling module is designed to avoid the system error on the pose between the peg and hole. Finally, the simulation and experiment results demonstrate that PSDC method achieves higher pose precision assembly in a force-guided compliance control framework.     

基于滑模变结构控制的路径跟踪研究

为解决锅炉水冷壁磨损检测机器人的路径跟踪问题,提出了一种基于指数趋近律的滑模变结构控制的机器人路径跟踪方法。在水冷壁磨损检测机器人运动模型的基础上,进行路径跟踪误差分析,设计一种基于指数趋近律的滑模变结构控制器,再利用Lyapunov定理验证其收敛性,最后通过MATLAB软件模拟仿真,仿真结果表明该控制器可以克服误差,使位姿误差收敛至零。     

低成本激光和视觉相结合的同步定位与建图研究

激光雷达和视觉传感是目前两种主要的服务机器人定位与导航技术,但现有的低成本激光雷 达定位精度较低且无法实现大范围闭环检测,而单独采用视觉手段构建的特征地图又不适用于导航应用。因此,该文以配备低成本激光雷达与视觉传感器的室内机器人为研究对象,提出了一种激光和视觉相结合的定位与导航建图方法：通过融合激光点云数据与图像特征点数据,采用基于稀疏姿态调整的优化方法,对机器人位姿进行优化。同时,采用基于视觉特征的词袋模型进行闭环检测,并进一步优化基于激光点云的栅格地图。真实场景下的实验结果表明,相比于单一的激光或视觉定位建图方 法,基于多传感器数据融合的方法定位精度更高,并有效地解决了闭环检测问题。     

Active tension optimal control for WT wheelchair robot by using a novel control law for holonomic or nonholonomic systems

The characteristics of interaction between WT wheelchair robot and stair environments is analyzed and possible patterns of WT wheelchair robot during the stair-climbing process are summarized, with criteria to determine the pattern of the wheelchair robot proposed. Aiming at the complicated mechanism of WT wheelchair robot with holonomic constraints and combining it with the dynamic programming, namely the Hamilton-Jacobi equation, a new control law called active tension optimal control is presented for holonomic or nonholonomic robotic systems, based on which one can make the wheelchair robot with a holonomic or nonholonomic mechanism track the expected reference input of constraint forces of holonomic or nonholinomic constraints as well as track the expected reference input of the generalized coordinate of each joint. The module STATEFLOW in MATLAB is used to simulate the entire stair-climbing process of WT wheelchair robot, and comparison is made between the output curves of each joint and the tension of the track and the expected reference input curves, which verifies the effectiveness of the proposed control law.     

不确定环境下的航空发动机装配线适应性调度方法

航空发动机装配是航空发动机制造过程的关键环节,其工序多,流程复杂,生产过程中扰动频发,如装配时间波动、不合格返工等.针对不确定环境下的航空发动机装配线的调度问题,提出一种基于门控循环神经网络(GRU)的适应性调度方法.该调度方法包含扰动识别和调度规则调整两个部分:扰动识别模块以滑动时间窗口为周期,利用GRU神经网络进行渐近型扰动的识别;调度规则调整模块以扰动识别的结果为触发,通过构建基于GRU神经网络的调度规则决策模型,输出适配当前生产状态的新的调度规则,用以指导生成更新的调度方案.最后,以某航空发动机装配线为研究案例,对所提出适应性调度方法进行验证分析.对比实验结果表明,所提出方法能够有效提升装配线的设备利用率、日均生产率等性能.