板材安装室内装修机器人视觉定位技术分析与实现

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1、河北工业大学硕士学位论文第一章绪论§1-1引言建筑业是我国的四大支柱产业之一，它在“四化”建设和国民经济生活中占有举足轻重的地位。全社会50%以上固定资产投资要通过建筑业才能形成新的生产能力或使用价值，建筑业增加值约占国内生产总值的7%。我国的建筑业还容纳了大量的农村富余劳动力，在解决三农问题上发挥着重要的作用。近几年建筑业发展迅猛，建筑行业中的装修业也保持着强劲的增长势头。08年的奥运会和2010年即将召开的上海世博会和广州亚运会又为我国的建筑装修行业提供了一个向全世界展示的舞台，这在对我们的建筑质量提出了更高的要求的同时也带来了大量的商机。因此现在的装修业已成为非常大的行业，

2、大大小小的装修企业约有20到30万家。据统计，我国到2004年已有1500多万的装饰行业从业人员，有8800亿行业产值。而有关资料显示，到2010年，我国[1]建筑装修产值将达20000亿。室内板材安装是室内装修中一项非常重要的任务，这些材料为板形且重量大、尺寸大，目前主要依靠工人采用干挂工艺进行施工。这种干挂工艺的施工过程中需要搭建施工架，需用辅助设施，更需要数量众多的工人，工人的劳动强度很大，且经常发生人身伤亡事故，板材破损率高，施工进度缓慢，建筑质量一致性差等。这些都严重制约了建筑业的快速发展。为了促进室内板材安装的自动化，同时也为了填补国内在室内装修作业机械方面的空白，现

3、在迫切需要开发研制针对大尺寸、大重量石质板材或玻璃幕墙安装干挂式工艺特点的建筑机器人，以替代工人工作。§1-2问题的提出与研究意义本课题来源于国家863计划项目“板材安装室内装修机器人系统研究”（项目编号：2007AA04Z240），旨在为我国室内建筑装饰行业提供能够适应特殊行业需求、具有一定自主能力和多种施工能力的室内板材安装建筑机器人。板材安装室内装修机器人系统以大尺寸重板材的自动化安装为最终目标，板材的定位是其中很关键的一环。板材的定位包括板材位姿信息的获取和板材位姿的调整这两个方面的工作，其中板材位姿信息的获取方式是需要首先确定的问题。参考人手工安装板材的过程，在这个过程

4、中安装工人也需要通过获取板材的位姿信息，进而对板材的位姿进行调整，以完成板材的安装。人手工安装板材工程中通过两个途径获取板材的位姿信息：一个是视觉，靠人眼目测待安装板材与已安装板材的相对位姿信息；另一个是靠触觉，在待安装板材与已安装板材比较接近时，依靠手对板材间相互作用力的感知获取板材的相对位姿信息。人的安装板材的过程是将视、触觉信息相结合的过程，在这个过程当中通过视觉获取较多的信息。要实现板材的自动化柔顺安装，通过视觉和触觉相结合是比较理想的，如果单独使用视觉也可以实现板材的安装。对视觉导引下板材自动安装问题的研究可以为后续的视、触结合的板材自动化柔性安装的实现打下基础。室内装

5、修建筑机器人的工作环境相对于一般的工业现场有其特殊性，主要表现在以下几个方面：装修现场有较多粉尘、光线变化较复杂、板材安装过程中可能出现对摄像机的遮挡、板材较大、板材边缘较粗糙以及板材表面存在纹理，这些问题都给板材视觉导引的实现带来较大困难。线结构光视觉方法是一种近年来应用较广的视觉手段，结构光视觉方法相比较一般的二维视觉而言有以下几个方面的优越性：首先，在理论上借助于结构光可以从二维图像之中获取到三维信息，从而在不增加摄像机的情况下增加视觉信息的获取量；另外，由于线结构光的光线是激光光束经过圆柱透镜散射形成的直线光束，具1板材安装室内装修机器人视觉定位技术研究与实现有很高的亮度

6、，通过CCD摄像机成像后结构光光条与背景的对比较为明显，这样便于通过图像处理的方法提取结构光光条的图像信息，从而能有效地克服现场干扰因素及复杂背景条件对视觉测量的影响；此外线结构光视觉方法还具有量程大、非接触、速度快、系统柔性好、精度适中等优点，能够满足板材安装建筑机器人的定位要求。因此本课题将采用线结构光视觉的方法实现对板材安装的视觉定位。本课题的研究意义为：①以自动安装代替繁重的人工劳动，提高了施工速度和安全性，降低了工程成本；②解决上述板材安装过程中存在的问题，在自动安装的基础上规范室内板材安装的工艺流程，推进墙体板材安装标准化和自动化进程；③以板材安装操作机器人为载体，拓

7、展了机器人的应用范围，填补了国家在室内装修作业机械方面的空白。§1-3相关国内外研究现状1-3-1建筑机器人的国内外研究现状建筑机器人是机器人领域内一个重要的研究方向，建筑机器人的开发研究工作始于20世纪70年代，[2-6]日本和美国对建筑机器人进行了较早的研究。1982年，日本清水建设公司“钢骨架喷涂耐火覆盖材料的SSR-l型机器人”曾是世界上第一台实际应用于建筑施工的机器人。到目前为止建筑机器人已经在建筑结构安装、内外装修、核电厂拆除等诸多领域得到应用。[7]20世纪80年代