基于机器视觉的关节机器人的研究.pdf

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1、2010年1月农机化研究第1期基于机器视觉的关节机器人的研究张凯良，杨丽，张铁中(中国农业大学工学院，北京100083)摘要:果蔬采摘机器人的研发在一些作业领域已十分迫切，而机器视觉技术和关节型机器人机构在果蔬采摘领域又有着很大的应用价值。为此，从机械结构、视觉系统和运动控制方法3个方面对基于机器视觉的关节机器人进行了研究。实验证明，当目标距离在5～20cm范围，该机器人末端定位误差小于1cm。关键词:采摘;关节机器人;机器视觉;PC控制中图分类号:TP241.2文献标识码:A文章编号:1003－188X(2010)01－0089－03内转动关节、大臂肩

2、关节竖直平面内转动关节、小臂0引言肘关节竖直平面内转动关节和手腕腕关节竖直平面鉴于当今世界机器人技术的发展和我国农业的内转动关节，如图1所示。现状，果蔬采摘机器人的研发在一些作业领域已十分迫切，而机器视觉技术和关节型机器人机构在果蔬采［1］摘领域又有着很大的应有价值，因此笔者从实际需要出发，对基于机器视觉的关节机器人进行了研究。以实现关节机器人的末端机构对目标物体的捕获为目的，把寻求并验证适宜的解决方案作为重点，将研究内容具体划分为3个部分:机械结构的设计、机器1.腕关节2.肘关节3.肩关节4.腰5.基座视觉的研究、运动控制方法的研究。6.腰关节7.大臂

3、8.小臂9.腕10.末端执行器固定位图1关节机器人机构示意图1方案及原理Fig.1MechanicalstructureoftheArticulatedRobot1.1机械结构的设计综合考虑机器人的工作空间、运动速度、运动精机器人操作机本体按照坐标形式大致可分为4度、负载能力等因素，将关节机器人关键机械参数设计类，即直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型和多关节如表1所示。其中，电机均为四通步进电机，蜗轮蜗杆型。本文采用多关节型机器人，其结构紧凑、工作范传动比为62，蜗杆材料均为45钢，蜗轮材料均为铸造围大、占用空间小、动作灵活以及具有很高的可达性。锡青铜。为

4、了改善关节型机器人操作机的总体工作性多关节型机器人常用的传动方式有:链传动、多能和动态特性，进行了杆臂平衡设计。级齿轮传动、蜗轮蜗杆传动。本文采用蜗轮蜗杆传动平衡机构的原理如图2所示。方式，具有结构紧凑、工作平稳、无噪声、冲击震动小、［2］能得到很大的单级传动比以及反行程自锁的特性。经多方面对比，确定了步进电机驱动的蜗轮蜗杆传动式多关节型机器人的机器人本体结构方案。考虑到果蔬采摘的实际需要，将关节机器人除末端执行器外的自由度设计为4，分别位于:腰部水平面收稿日期:2009－03－081.下级臂杆2.扭转弹簧3.上级臂杆基金项目:国家自然科学基金项目(60

5、375036)4.V型钩5.固连点6.平衡力矩增大方向作者简介:张凯良(1982－)，男，河北邢台人，博士研究生，(E－mail)zhangkailiang@gmail.com。图2杆臂平衡方法示意图通讯作者:张铁中(1956－)，男，河北邢台人，教授，博士生导师。Fig.2Balancemethodofrobot＇sarms·89·2010年1月农机化研究第1期在关节处安装扭转弹簧，弹簧一段固连于上级臂于负载最大的肩关节尤为如此，所以扭转弹簧设计使杆，另一端通过V型钩与下级臂杆连接，由于多数情况各杆臂转为水平方向时，弹簧输出平衡力矩最大。下关节机器人负

6、载最大发生在各关节水平伸展时，对表1关节机器人机械设计参数表Tab.1Designparametersoftherobot＇smechanicalstructure关节名称行程范围杆臂名称长度/mm蜗杆模数齿轮模数齿轮传动比电机型号腰关节θ1－180°～180°腰L13301.251.52.75057BYG250E肩关节θ2－30°～90°大臂L22501.251.52.68857BYG250E肘关节θ30°～135°小臂L32321.001.01.91742BYG250C腕关节θ40°～135°手腕L42150.600.82.14042BYG250B1

7、.2机器视觉系统的研究通过实验标定所确定的目标区域面积与目标距离关本文属于果蔬采摘机器人的准备性阶段，暂时以系，如图4所示。色彩明丽的小尺寸目标作为对象，在实验中选择橙红色圆柱体(高3cm，截面直径2.5cm)塑料模型为捕获目标，以实验室内自然环境为背景。通过“手—眼”视觉系统采集到的图像特征如下:①图像分辨率320×240，色深为24位;②目标与背景色彩差异较大;③背景环境存在色彩干扰;④机器人作业过程中，目标距离不断变化。视觉系统整体方案如下:以PC机作为图像处理、分析平台，采用USB接口的CMOS摄像头作为图像采图3分割阈值变化曲线集设备，将摄像头

8、安装在关节型机器人的末端，与机Fig.3Variationcurveofthet