基于单目视觉的五自由度机械臂控制系统的设计与实现

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随着社会的快速发展,科技的不断进步,机器人在工业自动化领域中扮演的角色越来越重要,机器人的研究和运用也越来越广泛。机器人学科作为目前智能化控制的热点,它涉及的领域十分宽广,诸如机械结构学、计算机视觉、控制工程学、图像处理、传感器技术、人工智能等多门学科。  在机器人技术领域中,机器人视觉正成为研究的关键核心所在。机器人视觉技术将视觉信息引入控制系统,提高了机器人运动的智能性和自动化水平。因此,本课题以工业的自动化生产需求为依据,对基于单目视觉的机械臂控制系统的设计与实现,不但具有实用的工程意义,而且具有长远的理论意义。  本文以五自由度机械臂为研究对象,针对机械臂自动抓取目标物的任务,完成了基于单目视觉的机械臂控制系统的总体设计方案、系统的硬件部分和软件部分。  首先,本文研究了空间坐标变换方法和关节型的五自由度机械臂,运用D-H方法建立起以关节角度为变量的机械臂运动学模型,采用矩阵变换的代数法,推导求出运动学的正解和逆解。然后,使用MATLAB机器人仿真工具箱进行仿真实验,分析和验证求解结果的正确性。  其次,对基于单目视觉定位的算法进行深入的研究。针对图像的预处理和目标的特征提取,将COMS彩色数字工业相机采集到的图像依次通过图像灰度化、中值滤波、图像二值化、边缘检测、随机Hough变换等算法处理。接着,根据张正友的平面模版摄像机标定方法,利用MATLAB视觉工具箱对摄像机的内外参数进行标定,推导出一种基于单目视觉获取目标物的三维坐标的方法,而且通过实验证明该方法的正确性。  最后,结合硬件设备和软件开发需求,以VS2010和HALCON为开发工具,设计了基于单目视觉的机械臂软件控制系统,并介绍了程序的流程图和软件的操作界面。同时,利用该软件进行了机械臂自动抓取实验,分析实验数据,发现实验结果满足了预期的要求,验证了机械臂运动学逆解求解方法的有效性和目标定位方法的准确性。
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