基于视觉的机械臂运动控制与目标抓取系统设计

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1、分类号:TP24210710-2015232019专业硕士学位论文基于视觉的机械臂运动控制与目标抓取系统设计徐雪洁导师姓名职称李登峰副教授专业学位类别申请学位类别专业硕士控制工程及领域名称论文提交日期2018年4月10号论文答辩日期2018年5月25日学位授予单位长安大学DesignoftheMotionControlandGraspingSystemforRobotArmBasedonVisionAThesisSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：XuXuejieSupervisor：Prof.LiDeng

2、FengChang’anUniversity,Xi’an,China摘要近几年来，随着人工智能技术的飞速发展，机械手臂的应用价值也越来越重要。然而，传统的机械手臂通常只能按照事先规划好的路径抓取目标物，无法获得外界信息，所以在周围环境未知或发生改变的情况下，就需要对机械臂重新调整，否则将难以完成抓取任务。为了加强机械手臂控制系统的灵活性，使其具有自主感知周围环境的能力，基于视觉的机械臂控制技术已逐渐成为推动机器人产业发展的主流，同时为解决机械臂在未知环境下的自主抓取问题奠定基础。本文针对未知环境下的机械臂控制问题，基于Kinect视觉传感器，采用机

3、器人操作系统ROS(RobotOperatingSystem)，设计了一种六自由度机械臂的视觉定位及目标物抓取系统，以下简称机械臂视觉抓取系统。首先，根据机械臂视觉抓取系统的实际需求提出了系统总体设计方案，并对视觉定位模块和运动控制模块进行了选型与分析；其次，采用颜色分割方法对目标物识别与定位的相关技术进行了细致的研究，其中包括Kinect相机标定、基于HSI空间的颜色分割、特征提取与抓取点定位等；再次，采用D-H参数法完成机械臂建模，并对机械臂正逆运动学进行求解与分析，再通过笛卡尔空间的直线插值和圆弧插值运动方法对机械臂运动轨迹进行规划，在ROS

4、环境下利用Rviz工具对笛卡尔空间的机械臂轨迹规划算法进行仿真，从而为实体机械臂的运动轨迹规划奠定基础；然后，对视觉定位、机械臂运动控制等软件模块进行设计；最终，实现了机械臂视觉抓取功能。本系统以圆柱形盒子为定位目标，在实验室环境下对其进行多次视觉定位和机械臂抓取实验，测试数据表明该机械臂视觉抓取系统的精度基本满足本课题所用六自由度机械臂对目标物体进行视觉抓取的要求，同时其抓取误差也在机械臂末端执行器实施抓取的可允许范围之内。关键词：ROS；机械臂；视觉定位；运动轨迹规划；目标抓取iAbstractInrecentyears,withtherapi

5、ddevelopmentofartificialintelligencetechnology,theapplicationvalueofroboticarmhasbecomemoreandmoreimportant.However,thetraditionalroboticarmcanonlygraspthetargetaccordingtotheplannedpathandcannotgettheoutsideinformation,sointhecaseofunknownorchangedsurroundings,itisnecessaryto

6、readjustthemanipulator,otherwiseitwillbedifficulttocompletethegraspingtask.Inordertostrengthentheflexibilityofthemanipulatorcontrolsystemandmakeithavetheabilitytoperceivethesurroundings,theroboticarmcontroltechnologybasedonvisionhasgraduallybecomethemainstreamofthedevelopmento

7、frobotindustry,anditlaysthefoundationforsolvingtheproblemofroboticarmgraspinginunknownenvironment.Aimingattheproblemofmanipulatorcontrolinunknownenvironment,basedontheKinectvisionsensorandusingtherobotoperatingsystem(ROS),avisualpositioningandtargetgrabbingsystemofsix-DOFmanip

8、ulatorisdesigned,whichisreferredtoastheroboticarmvisualgraspi