机器人智能抓取系统视觉模块的研究与开发

以ABB机器人、快换手爪、双目相机为硬件基础,搭建了基于双目立体视觉的工业机器人智能抓取系统,旨在实现随机放置物体的识别定位和自动抓取。基于视觉模块,研究了图像处理、立体匹配和深度计算以及坐标转换,以C++为开发平台,结合Open CV图像开发库和Triclops库,开发了视觉识别与定位算法,实现对圆柱体和长方体薄板对象的分类和位姿识别。最后,通过实验验证,表明该视觉算法有较高的识别定位精度,满足抓取系统的要求。     

基于固定位姿约束的双目相机标定研究

针对影响双目视觉系统精度的双目相机标定问题,提出一种基于数字图像相关法与固定位姿约束的双目相机标定方法。采用传统的相机标定方法对双目相机进行标定,得到双目相机参数初值;采用数字图像相关法提高图像点提取的坐标精度;通过添加固定约束关系,建立简化的优化目标函数,并对相机参数进行优化,得到高精度标定结果。实验结果表明：该方法可达到较高精度。     

基于工业机器人的图像引导圆孔定位方法

在图像引导的圆孔金属工件自动化装配中,由于圆孔金属工件的图像存在弱纹理甚至无纹理的情况,从而导致对圆孔位姿的定位精度低。针对此问题,通过工业机器人带着单目工业相机水平移动构建一个平行双目结构,获取双目图像;通过对双目图像中的圆孔轮廓提取的特征点粗匹配,得到图像的基础矩阵,再通过基于弧段的椭圆检测对双目图像中的圆孔轮廓进行提取,最后通过上述信息进行基于极线约束的双目精立体匹配并求得相关点三维坐标与位姿。实验结果表明：孔位与孔心距精度保持在1 mm内,孔姿态精度保持在0.3°内。     

基于机器视觉多目标工件分类识别和定位研究

为实现对随机摆放的多类型工件进行分类识别和定位,提出一种基于连通域Blob分析与神经网络分类器相结合的方法。该方法运用机器视觉技术,以Halcon软件为试验检测平台,通过Blob分析提取工件的特征信息实现定位,并且应用提前训练好的神经网络分类器对多类型工件进行分类识别。试验结果表明:相比传统模板匹配和定位算法,该多工件分类识别和定位方案识别准确率达到100%,定位精度提升0.7 mm,识别和定位时间减少8.735 ms,具有更好的多工件识别定位效果,有一定的应用前景和推广价值。     

基于双目视觉的机器人快速示教系统

针对工业机器人传统示教方式存在示教难、示教慢的问题,基于双目视觉提出构建机器人快速示教系统。该系统将双目视觉模块固接在机器人末端工具上,减小示教范围限制;设计出一种带有特征板和位姿测量杆件的手持示教装置,用于对设定点进行快速位姿示教;采用最小二乘法实现特征板到位姿测量杆件末端的平移参数标定。该系统通过双目视觉模块采集手持示教装置特征板图像,并进行图像处理获得末端点的位姿信息;将该位姿信息转换到机器人基坐标系下,实现机器人示教再现。搭建川崎RS010NA六自由度工业机器人的双目视觉快速示教系统,进行空间25点的示教复现测试,机器人示教复现位置平均误差为2.427 mm;采用移动示教后,平均位置误差下降25.3%;测试结果表明该系统具备可行性,且移动示教可以提高示教复现精度。     

基于机器视觉的机油泵智能装配系统研究

针对企业产能结构调整优化,提出基于机器视觉的JBZ-23-07型转子式机油泵智能装配系统。根据要求制定总体方案,以“由整体到局部”为设计方法,将智能装配系统分解为视觉系统、上位机软件系统等多个部分进行研究。采用Halcon软件完成对相机的标定和畸变校正;利用基于形状的多模板匹配方法提取零件图像的相关特征,得到位姿调整参数。经多次试验得出单个零件的图像处理时间为130 ms、位置角度误差为0.01°。以多方法多角度实验,验证算法的准确性、稳定性及灵敏性。结果表明:该算法平均识别成功率分别为97.60%、100.00%、98.04%,满足总体设计要求和生产实际需求。     

基于双结构光视觉的机器人运动学参数标定方法

为解决机器人因运动学参数误差而导致的绝对定位精度损失,提出一种基于双结构光视觉的关节机器人运动学标定方法,具体研究了双结构光光源配合双目视觉在求取光源发射装置空间位置中的应用、推导了出光源装置位置误差与连杆参数误差的误差方程。通过采集机器人若干末端的机器人坐标系位姿与世界坐标系位姿数据,再基于最小二乘理论求取机器人坐标系与世界坐标系的单应性矩阵,将之后采集的点通过单应性矩阵转换到机器人坐标系下的位姿。再通过误差方程来获取连杆参数误差,并对其真实参数进行修正,从而提高机器人定位精度。最后讨论了该方法在SK-10R关节机器人上进行标定的实验结果,结果表明该方法能实现机器人空间位姿的标定,在低成本的条件下大幅提高机器人的绝对定位精度。     

基于机器视觉的机器人作业目标定位

为了满足生产制造过程中物料无序分拣的需要,设计基于机器视觉的机器人作业目标定位系统。利用Qt开发人机交互界面,实现图像采集处理、通信和机器人运动控制功能。对图像进行阈值分割等处理,得到理想工作区域。通过机器人视觉系统标定实现相机像素坐标和机器人基坐标之间的转换,得到机器人坐标系下的工件位姿识别。在机器人目标抓取平台上随机摆放一定数量的工件进行数据采样,结果表明：系统准确度以及速度具有优势。     

基于单目视觉的工业机器人拆垛系统设计与实验

基于单目视觉提出了工业机器人拆垛系统构想。为实现工业机器人视觉拆垛系统中机器人精确运动控制与工件位姿识别,运用D-H位移矩阵法建立了机器人运动学模型,得到机器人末端相对机器人坐标系的位姿信息。基于形状模板匹配法提出目标图像识别算法,得到各个目标图像在相机坐标系下的位姿信息;将三维视觉模型与机器人运动学模型进行信息融合,建立机器人视觉拆垛控制系统数学模型。基于CCD工业相机、4-DOF工业机器人搭建视觉定位抓取实验系统。通过对空间目标进行抓取的实验,验证基于单目视觉的工业机器人拆垛系统的正确性、精确性、鲁棒性。     

基于稀疏匹配的机床零件瑕疵投影辅助视觉检测方法

机械臂在自动精准打磨机床零件前需要对机床零件进行特征识别,传统激光点阵扫描精度高,但设备成本高昂而难以规模应用。引入固定式投影产生扫描线图、棋盘格图和随机灰度图等特征作为测量辅助,并结合双目立体视觉测量对零件瑕疵进行检测,改善了传统双目视觉针对光滑平面零件难以识别特征进行立体匹配的情况。分析结果与激光点阵扫描结果进行精度校验。同时,通过5种经典局部立体匹配算法与所提方法进行精度比较,并对辅助图的关键参数进行精度关联分析。最后,引入自适应算法对所提方法进行优化以提高识别精度。结果表明：随机灰度图能够显著提高匹配精度,扫描线优化与子像素拟合能够进一步提高匹配精度,扫描线法与棋盘格法优化后精度提高较大,新方法可有效识别平面零件的瑕疵特征,检测精度达标区域占比大于98%。     

复杂纹理工件的位姿检测方法研究

针对工业检测中一类具有平面特征的复杂纹理金属工件的位姿检测问题,使用双目视觉和DLP投影仪,将工件的局部特征作为检测重点,提出一种投影差分多线结构光的方法,使差分结构光的中心线相互补偿,减少提取光条中心线出现异常点的概率。运用极线约束特征点行对齐的特性,设计无编码双目结构光系统特征点匹配方法,提高提取平面特征点的稳定性。利用Tukey权重函数改进拟合算法,进一步提升工件被测平面拟合精度和提取工件边缘和角点的准确度,解决了传统拟合模型算法权重分配不合理的问题。经三轴精密滑台实验,并与高精度三坐标仪对比检测结果,验证该方法可以满足高精度三维测量的需求。     

汽轮机缸体与管件的焊接变形控制

为控制超超临界汽轮机缸体管件焊接过程的变形,分析了汽轮机缸体铸件的特点及管件焊接的技术难点,按低匹配原则选择了异种钢焊接材料,提出了管件焊接过程防变形的工艺方案.经实际生产验证,管件在装配及焊接过程中的变形量大幅减小,留量符合尺寸公差要求,工艺方案可操作性强,防变形效果显著.     

基于安川机器人的工件位姿模拟系统设计

为便于在实验室中进行工件位姿检测模拟,设计基于安川机器人的工件位姿模拟系统,包含模拟执行、测量标定、自动运行。基于安川工业机器人的六轴机体与平行移动功能,实现末端搭载被测工件的姿态模拟。采用API激光跟踪仪设计标定流程,获得准确的工具参数,保障模拟精度。利用PLC与触摸屏设计系统控制部分与人机交互部分,实现系统根据设置参数进行自动模拟。结果表明：该系统能在实验室条件下实现工件位姿模拟的自动化作业。     

基于弹塑性变形的轴向压入式管道接头有限元分析

设计了2 inch轴向压入式管道接头,利用管接头件的弹塑性变形进行管道间的连接。运用有限元方法对管接头的压接及抗拉过程进行数值模拟,分析管接头在压接过程中的密封原理,并进行了相应的压接与抗拉试验,结果表明,压接力与拉拔力和计算值较为吻合。通过二次设计,加强了管接头承受轴向载荷的能力,能够完全满足实际工程应用要求。     

基于ACT匹配的GMA增材制造熔池形貌三维重建

基于双棱镜折射原理,设计了单摄像机虚拟双目视觉传感系统,系统达到亚像素精度. 标定了左右虚拟摄像机内外参数及其关系,完成了图像对的极线校正. 进一步优化了自适应权重Census变换立体匹配算法(ACT, adaptive Census transform),求取了校正图像对亚像素精度视差. 三角测量法重建了标准圆柱体部分表面形貌. 结果表明,标准件宽度误差优于3.17%,高度误差优于5.83%. 以熔化极气体保护电弧(GMA, gas mental arc)增材制造熔池图像对为例,采用优化的ACT匹配算法求取了熔池图像对亚像素精度视差,基于三角测量法获取了熔池表面三维形貌.     

管道开孔切割及对接焊缝焊接的工作站测量系统设计

管道焊接工作站系统在切割和焊接加工过程中,管件的椭圆度、加工精度、变位机对工件夹持的水平度和同心度、以及旋转中管件的扰动和跳动度等因素,均会对切割和焊接的质量和效果产生不利影响,设计的管件测量系统通过测量工件参数,实现工作站系统对管件的自动找水平、自动寻找管件中心位置的功能。大量的切割和焊接实践证明,带有测量系统的焊接工作站系统取得了良好的切割和焊接效果。     

多品种连接器附件的高柔性智能检测系统

为保证连接器附件的正确分类,开发一套多品种连接器附件的高柔性智能检测系统。该视觉系统硬件部分由CCD相机、远心镜头、平行背景光源构成。经过图像预处理、形态学处理以及图像自动二值化等技术处理后,运用模板匹配算法实现连接器不同类型附件的智能识别和分选。实验结果表明:该识别系统识别速度快、准确率高、自动化程度高、柔性强,能满足实际生产需求,具有良好的实用价值。