基于单目的机械手无标定视觉伺服系统研究与应用

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1、工程硕士学位论文基于单目的机械手无标定视觉伺服系统研究与应用作者姓名梁智超工程领域控制工程校内指导教师黄道平教授校外指导教师黄博才高级工程师所在学院自动化科学与工程学院论文提交日期2018年1月ResearchandApplicationoftheUncalibratedVisualServoSysteminMonocularManipulatorADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：LiangZhichaoSupervisor：Prof.Hu

2、angDaopingSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TP241.2学校代号：10561学号：201521013245华南理工大学硕士学位论文基于单目的机械手无标定视觉伺服系统研究与应用作者姓名：梁智超指导教师姓名、职称：黄道平教授申请学位级别：工程硕士工程领域名称：控制工程论文形式：□产品研发□工程设计□√应用研究□工程/项目管理□调研报告研究方向：机器人视觉伺服论文提交日期：2018年1月3日论文答辩日期：2018年3月16日学位授予单位

3、：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：史步海委员：黄道平、孙宗海、李向阳、伍锦荣摘要近年来，随着机器视觉、计算机控制等技术的快速发展，机械手控制系统摆脱传统的示教方式，可以通过机器视觉技术引导机械手执行相关动作变化。机械手视觉伺服系统融合实时图像处理、机器人动力学运动学、计算机运动控制、系统在线辨识等相关技术，构建视觉信息反馈控制模型，使得传统的机械手系统更加智能化。在传统的机械手视觉伺服系统中，视觉传感器模型以及机械手模型的精确标定需要复杂的标定过程且容易受到环境变化等影响。因此，无标定视

4、觉伺服系统逐渐引起学者的广泛关注，所谓的“无标定”视觉伺服系统就是不需要预先对视觉传感器模型以及机械手模型进行标定，仅需通过一些试探性的运动即可获取初始的图像雅可比矩阵，并在此基础上结合图像特征信息、机械手运动控制律以及图像雅可比矩阵在线估计算法，引导机械手运动完成视觉伺服任务。论文的主要研究工作及创新包括以下几个部分：(1)首先讨论机器人视觉伺服系统的研究背景及意义，对视觉伺服系统进行分类，总结无标定视觉伺服系统的研究现状，并指出本文的主要研究工作。(2)介绍单目机械手视觉伺服系统总体框架，然后针对单目机械

5、手无标定视觉伺服系统，指出其中几个基本模块，包括构造目标函数、图像特征提取、在线估计图像雅可比矩阵以及视觉伺服系统控制律的设计。(3)针对无标定视觉伺服系统模型各个模块进行算法设计，目标函数构造针对传统特征表示方法存在的空间轨迹问题及投影单应性矩阵构造的目标函数系统迭代收敛较慢的现象引入一种最优化轨迹规划图像平面6参数特征表示方法；图像特征提取则从点特征、直线特征以及椭圆特征等基本几何特征提取算法展开讨论，引入一种快速的椭圆检测算法；视觉伺服控制律的设计以及在线估计图像雅可比矩阵的方法则直接介绍几种常用的方法

6、。最后，结合PeterCorke的机器人工具箱和视觉工具箱，在Matlab平台针对上述提出的方法进行仿真验证及讨论分析。然后，基于Ubuntu操作系统，结合Linux-CNC、OpenCV、ViSP等开源平台搭建单目Eye-in-hand机械手无标定视觉伺服系统。关键字：机械手；无标定视觉伺服系统；目标函数；在线估计图像雅可比矩阵；视觉伺服控制律IAbstractInrecentyears,withtherapiddevelopmentofmachinevisiontechnology,computercon

7、troltheoryandothertechnologies,visualfeaturesinformationcanbeappliedtotheguidanceofrobotmanipulator.Themanipulatorvisualservosystemintegratesreal-timeimageprocessingtechnology,robotdynamicsandkinematics,computercontroltheory,systemidentificationtheory,real-

8、timeOSandetc,.Throughusingvisualfeaturesinformationasafeedbackcontrolsignal,traditionalmanipulatorsystembecomemoreintelligent.Traditionalmanipulatorvisualservosystemneedsprecisecalibrationofvisualsenso