基于二维码视觉与激光雷达融合的高精度定位算法

为解决以蒙特卡罗定位算法为代表的激光室内定位算法存在的定位精度差和抗机器人绑架性能差的问题,以及传统二维码定位算法环境布置复杂且对机器人运行轨迹有严格要求的问题,提出了一种融合二维码视觉和激光雷达数据的移动机器人定位算法。机器人首先利用机器视觉技术搜索检测环境中的二维码,然后将检测出二维码的位姿分别转换至地图坐标系下,并融合生成先验位姿信息。而后以此作为初始位姿进行点云对准以得到优化后的位姿。同时引入里程计-视觉监督机制,从而有效解决了包括二维码信息缺失、二维码识别错误等由环境因素带来的问题,并保证了位姿的平滑性。基于移动机器人的实验结果表明,所提算法比经典的自适应蒙特卡罗定位（AMCL）算法的雷达采样点平均误差下降了92%,单次位姿计算时间减少了88%,可有效解决机器人绑架问题,并应用于以仓储机器人为代表的室内移动机器人。     

微操作机器人显微视觉系统的研究

本文深入研究了基于生物工程领域显微视觉系统的设计方法．给出了微操作物体平面坐标及微机器人手端位姿的求取方法；提出了基于载物台平动测量微操作物体的高度及微机器人做三维空间已知运动标定出微机器人手端在摄像机坐标系的坐标，进而确定微机器人手端与微操作物体之间位置关系的单目视觉方案．采用两步法对显微视觉系统进行了标定．实验证明该系统运行可靠，达到显微操作的要求．     

弧焊机器人工具标定与接触寻找焊缝实现

机器人工具标定就是确定工具坐标系相对于末端坐标系的转换矩阵,标定的准确度对机器人后续操作有很大影响。提出了一种工具坐标系标定方法,并在昆山一号机器人研发的过程中试验。在标定完成后实现了接触寻找焊缝,针对特定的焊接接头,使用焊枪末端或侧边触碰工件,记录触碰点的坐标,通过记录点的坐标值自动确定焊缝的始末端和焊缝的轨迹,减少了焊接每个工件均需示教始末端的过程,以及示教不准确带来的误差。     

移动机器人自主导航矩阵二维码辅助定位研究

移动机器人自主导航过程中,为机器人提供精确地位置信息十分重要,只有机器人有了精确地位置信息才能准确地导航到目标点。由于单纯的惯性和里程测量系统的相对定位方式都不能消除长时间的累计定位误差,因此需要一种绝对位置信息加以辅助修正累计误差。二维码是一种很好的可以存储绝对位置信息的方式,且信息获取简单易用,本文提出了一种将矩阵二维码作为绝对位置标签辅助修正里程和惯性测量系统导航过程中产生的累计误差的导航定位方法。通过实验对比验证了该方法的有效性。     

基于Kinect的机器人辅助超声扫描系统研究

提出一种采用Kinect传感器作为视觉伺服的机器人辅助超声扫描系统,来规划引导机器人的扫描路线,以实现机器人辅助的超声扫描操作。系统由Kinect传感器、机器人和超声探头组成。采用Kinect实时获取超声探头的RGB图像和深度图像,并计算探头当前位姿,结合坐标系配准结果,得到机器人的位姿信息,再根据术前的机器人轨迹规划,引导机器人的超声扫描路径。开展腿部模型实验验证本系统的可行性,通过对Kinect传感器的相机标定实验,计算得到了RGB相机和深度相机的内外参数,通过对探头上标识物的定位,进而计算出探头当前位姿,结合Kinect与机器人坐标系的配准结果,得到了两者的转换矩阵,并对机器人的位置给出指令,引导机械臂夹持探头到达指定扫描位置。在机器人夹持超声探头扫描过程中,实时计算探头与腿部之间的距离,以保证所采集超声图像的质量及扫描操作的安全性。实验结果表明,在Kinect视觉系统的导航引导下,机器人可以夹持超声探头实现自主超声扫描,以减少超声医师的扫描时间,降低医师的劳动强度。     

复杂环境下的多工件定位研究

为了获取工业流水线上工件精确的位姿信息,提出一种在复杂环境下同时定位多个工件的方法。首先在复杂环境下采用基于边缘梯度的匹配算法及图像金字塔搜索策略快速识别多个目标,得到目标在图像坐标系中的精确位置信息。然后通过张正友棋盘标定法对单目摄像机进行标定,获得摄像机的内参数及畸变参数。最后,通过优化最小二乘法建立了一种图像坐标系到世界坐标系间的转换关系,实现目标由图像坐标系到世界坐标系中的精确位姿定位。实验表明该方法能在杂乱背景、部分遮挡及非线性光照等环境下,准确地定位工件,鲁棒性较高;识别目标的平均时间在0.5 s以内,工件在x-o-y平面的定位误差小于1 mm、姿态角度定位误差小于1°,可以满足工业应用中复杂环境下的实时性和精度要求。     

工业机器人工件装夹优化算法研究

为解决工业机器人加工过程中出现的机器人末端不可达和奇异位形问题,结合现有避免奇异位形的方法,提出了一种优化工件装夹位姿算法。通过工业机器人的加工轨迹得到加工轨迹包围盒,并移动加工轨迹包围盒至工业机器人工作空间内中心位置,然后对加工轨迹包围盒的姿态进行搜索,找到合适的加工轨迹包围盒位置和姿态,进而找到合适的工件装夹位姿。该方法能够有效地定位工件装夹位置,并在该工件装夹位置的邻域内找到最优的工件装夹姿态。试验仿真结果表明,该算法具有良好的可行性和鲁棒性,能够提高工业机器人的加工效率和精度。     

具有虚拟力觉导引功能的机器人网络遥操作系统

为实现机器人网络遥操作系统中从端机器人和被抓取目标接触前的力觉感知效果,提出了具有虚拟力 觉导引功能的机器人网络遥操作系统控制方法．利用单目视觉技术获得末端执行器相对于被抓取目标的位姿信息, 并将此信息转换为操作者相对敏感的力反馈信息,引导操作者为远端机器人系统提供合适的控制命令,控制机器人 达到期望的位姿．利用手腕相机和人工目标搭建了演示实验系统,并分别进行了机器人位置和姿态遥操作控制实 验．实验结果表明,机器人遥操作系统的可操作性和操作效率有了明显提高．     

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°。     

基于PMPSD的工业机器人几何参数标定方法

针对由几何参数不精确引起工业机器人绝对定位精度低的问题,提出一种基于位姿修正位置敏感探测器的几何参数标定方法。通过建立误差运动学模型,使用位置敏感探测器(PSD)装置进行数据采样,利用位姿修正原理对末端激光器位姿和关节转角进行修正,构建模型约束目标函数,运用LM算法计算得到几何参数误差,修正几何参数名义值。实验结果表明,该方法避免了PSD反馈控制,能够快速实现工业机器人几何参数标定,定位平均误差和标准差分别为78.28%、76.38%,有效提高了机器人的定位精度。     

基于非线性最小二乘法的二维码视觉定位算法研究

针对AGV视觉定位算法中存在附加约束的问题，将附加约束的相机坐标系相对于全局坐标系位姿求解问题归纳为非线性最小二乘问题，并采用高斯-牛顿法进行求解。论文所研究的AGV定位算法采用二维码作为路标进行视觉定位，算法首先通过识别经过图像预处理后的二维码，得到该二维码所包含的相对于全局坐标系中的位姿信息；其次建立包含附加约束条件的非线性最优化问题模型，接着通过高斯-牛顿法求出满足包括附加约束条件在内的约束优化问题最优解；最后通过实验验证算法能够解决存在附加约束条件的视觉定位问题，验证了算法的可行性。     

一种多模块神经网络与遗传算法相结合的单目位姿估计方法

针对机器人抓取场景中存在的工件位姿不确定、堆叠遮挡等问题，提出一种多模块神经网络与遗传算法相结合的单目位姿估计方法，实现由目标工件检测到平面定位、再到位姿全方位立体匹配的逐级优化过程。首先，利用神经网络识别工件并分割工件区域，结合预测的中心位置构建L形边界，从而得到工件投影的局部有效模型。然后提取工件区域内的边缘信息来生成基于倾角分层的倒角距离函数，结合局部有效模型的形状构建匹配度函数，以适应遮挡情况。采用大范围搜索和小范围优化相结合的策略，利用遗传算法实现6D位姿的快速收敛。基于ArUco码对工件进行数据集构建和实验测试，结果表明该方法能在0.5 s左右实现对工件的位姿估计，在420 mm的观察距离下，横向平移误差能控制在1 mm左右，旋转角度平均误差控制在2°以内。通过实验对比分析可知，本方法能有效应对复杂环境下工件位姿的准确估计，提升机器人工作效率。     

基于人工智能的图书馆书籍定位机器人自动化控制系统设计

为提高图书馆书籍定位精度，提升图书馆智能化服务质量，设计基于人工智能的图书馆书籍定位机器人自动化控制系统。将该系统整体分为人机交互层、行为评估层、运动规划层以及机器人执行层，通过自主控制器控制机器人执行层的机器人在远程端、本地端两种控制模式下的运动状态，实现机器人的位姿控制。在执行层中，引用Roberts算子完成对彩色图像的灰度处理，在自主控制器中设有基于粒子滤波的重定位增强方法，实现机器人对书籍的精定位。测试结果显示，该系统控制下书籍定位误差均低于2.5 mm，可精准识别作业环境区域，同时位姿角控制精度高，可自主躲避突发闯入行人，避障精准度可达到98%。     

基于大数据聚类分析的爬壁机器人位姿定位控制系统设计

为提高爬壁机器人运动位姿精准度与稳定性,解决现有位姿定位控制系统存在的控制效果不佳的问题,利用大数据聚类分析技术,通过软、硬件结构的设计,实现爬壁机器人位姿定位控制系统的优化。改装爬壁机器人位姿传感器、爬壁机器人驱动元件、爬壁机器人位姿定位控制器的内部连接结构及工作方式,扩大系统存储器的存储空间,通过系统电路的连接完成硬件系统的设计。根据爬壁机器人的组成结构和工作机理,建立机械结构与运动模型。在构建模型下,采集爬壁机器人实时运行数据,利用大数据聚类分析技术处理初始采集数据,判定爬壁机器人的当前位姿。规划爬壁机器人位姿及关节轨迹,结合当前爬壁机器人的运行数据,计算爬壁机器人位姿定位控制量,在控制器的约束下,实现爬壁机器人位姿定位控制功能。通过系统测试实验得出结论：通过设计位姿定位控制系统的应用,爬壁机器人样机的足端轨迹控制误差、关节角度控制误差和占空比控制误差均低于预设值,即设计系统具有良好的位姿定位控制效果。     

基于虚拟维修系统的配件模型实时移动方法

给出Pro/E中的3种坐标系以及配件在Pro/E中的位姿矩阵。研究配件模型在各种坐标系下的位姿矩阵变换,分析基于鼠标控制的模型实时移动方法。以Pro/Toolkit为工具,对Pro/E进行二次开发,在Pro/E中实现配件的实时移动,为构建虚拟维修系统提供技术支持。     

多机器人协作无夹具焊接系统设计

与传统的单机器人系统相比,多机器人协作系统的设计存在诸如协作机器人之间的基坐标系标定、协作机器人末端位姿间的运动协调以及多机器人系统间的同步通讯控制等若干特殊性的关键问题.在初步论述多机器人协作系统设计中的若干问题的基础上,特别针对协作机器人间的基坐标系标定、工具手位姿约束分析和控制器通讯同步3个问题,进行了深入讨论,并介绍了实验室相关研究工作的结论.基于本文提供的解决方法,利用VA1400弧焊专用机器人和HP20通用型机器人基于主从式的分布控制结构组成了无夹具焊接实验系统,初步验证了提出的各问题解决方法的有效性.     

装配机器人高精度定位补偿系统

本文提出了一种机器人高精度定位补偿系统,介绍了一种位姿误差补偿方法.系统采用非接触式位姿精度测量仪测取机器人位姿误差,用 IBM 微机采集位姿误差数据并计算关节补偿脉冲数,通过专用通讯接口将计算机结果传到位移机器人控制系统以实现关节补偿.并采用微位移法确定测量坐标与手爪计算坐标系间的变换.此外还建立了一个供实验用的误差数据库,当机器人工作时,通过周围3关节误差值,用插值法求得该工作点的误差补偿值实现补偿.     

六自由度机器人焊接轨迹研究

焊接轨迹是机器人焊接时所行走的轨迹,焊接轨迹算法是控制机器人焊接轨迹的数学模型,本文提出一种通过测量机器人基坐标系、工件坐标系与测量系统坐标系的齐次变换矩阵方法,计算出工件坐标系与焊接机器人基坐标系间的间接标定方法,通过控制器系统控制机器人焊接,实验验证此方法正确可行并成功应用工程中。     

基于视觉的飞机操纵系统输入端位置测量技术

飞机操纵系统输入是飞行性能、安全监测的重要数据来源，针对传统飞行数据采集方式需对真机进行改装并加装传感器所带来的改造成本大且影响飞行员操纵感觉的弊端，提出一种基于视觉的飞机操纵系统输入端位置测量技术。为避免视觉输入中飞机驾驶舱复杂环境的影响，将随机生成的二维码固定在飞机操纵系统输入端，使用计算机视觉技术识别二维码并进行特征点提取，通过PnP(Perspective-n-Point)问题的求解将飞机操纵输入端的位移测量转换为相机位姿求解。实验结果证明了所提方法的有效性，并通过与红外测距仪的对比实验验证了本文算法在精度上的优势，其测量平均误差在2 mm内，能达到实时处理速度，丰富了飞行数据的采集方式。     

基于被动柔顺的机器人抛磨力/位混合控制方法

为了实现抛磨系统机器人末端的位置控制和接触力控制,提出一种基于被动柔顺装置的机器人抛磨系统力/位混合控制策略.在机器人末端安装一个柔顺装置实现对工具末端力控制和位置控制的解耦.柔顺装置一端安装于机器人末端,另一端连接抛磨工具.机器人控制器控制机器人末端位姿,间接对工具末端位姿进行控制和补偿,柔顺装置控制器直接控制工具与工件的接触力.经过建模分析,采用非线性PD(比例-微分)控制提高了柔顺装置的动态调节性能.仿真结果证明该方法可以对目标轨迹进行跟踪与补偿,并实现期望力的快速调节.非线性PD控制将柔顺装置受干扰后恢复稳定的调节时间由220 ms提高到60 ms.实验进一步验证了仿真结果,并通过对航空叶片进行打磨与抛光获得了良好的表面质量.结果表明提出的控制方法是切实可行的.