（機械電子工程專業(yè)論文）氣動機械手視覺系統(tǒng)的研究.pdf

摘要機器視覺是智能機器人發(fā)展的一個重要方向，虛擬儀器是計算機應用技術(shù)領(lǐng)域里一個新興的、富有生命力的軟件平臺。本文基于虛擬儀器技術(shù)，在研究近年來機器人視覺技術(shù)的發(fā)展狀況基礎(chǔ)上，開發(fā)了氣動機器人的視覺定位系統(tǒng)，研究了基于b p 神經(jīng)網(wǎng)絡的攝像機標定及畸變校正技術(shù)，針對圖像的平滑濾波、閾值分割、特征提取和視覺跟蹤軌跡插補等問題進行了詳細的討論。在攝像機的標定和調(diào)整上，通過對攝像機成像的物理模型的分析，利用b p神經(jīng)網(wǎng)絡對鏡頭進行畸變校正，并根據(jù)機械手實驗臺的特點，設(shè)計了一種簡單易行的網(wǎng)格平行線平面模板標定方法，很好地實現(xiàn)了攝像機標定：在圖像預處理方面，本文以實際零件圖像為例，利用分段線性變換方法進行了對比度增強，分析了圖像檢測中c c d 攝像機的噪聲影響要素，利用差值濾波器對圖像進行平滑濾波：在圖像分割方面，設(shè)計了一種改進的自適應閾值分割算法，可以根據(jù)圖像特征自動分割圖像，提高了檢測的精度和快速性；在圖像特征提取方面，針對數(shù)字圖像的特征，討論了基本的特征提取方法，利用獲得的圖像形心坐標描述目標物體的位置信息：在視覺跟蹤和路徑規(guī)劃方面，研究并比較了常用的跟蹤理論，采用圖像分割求形心和直線軌跡插補的方法實現(xiàn)機械手快速跟蹤定位，并對跟蹤算法進行了仿真和試驗驗證；在視覺伺服系統(tǒng)的實現(xiàn)方面，將虛擬儀器技術(shù)和機器視覺技術(shù)的優(yōu)點結(jié)合起來，利用l a b v i e w 和n i i m a q 開發(fā)了一套完整的視覺伺服定位系統(tǒng)。實踐證明，將虛擬儀器與機器視覺結(jié)合起來開發(fā)機器人視覺系統(tǒng)，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，同時也使系統(tǒng)的靈活性、可靠性和性價比大為提高，為視覺系統(tǒng)的二次開發(fā)提供了很好的試驗平臺。關(guān)鍵詞；機器視黨；氣動機器人；虛擬儀器；路徑規(guī)劃a b s t r a c tm a c h i n ev i s i o ni sr e g a r d e da st h em o s ti m p o r t a n tb r a n c ho ft h er e s e a r c ho fi n t e l l i g e n tr o b o t s ，v i k u a li n s t r u m e n ti saf r e s hs o f t w a r ef l a ti nt h ef i e l do f t h ea p p l i c a t i o no f c o m p u t e r b a s e do i lt h et e c h n o l o g yo fv i r t u a li n s t r u m e n ta n dt h es t u d yo ft h es t a t u so fr o b o tv i s i o ni nr e c e n ty e a r s ，t h i st h e s i sd e s i g nt h ep n e u m a t i cr o b o tv i s i o no r i e n t a t i o ns y s t e m t h et h e s i sf i r s t l ya n a l y z e st h ec a m e r ac a l i b r m i o na n di t sa d j u s t m e n tf o rt h er o b o tv i s i o n f u r t h e rw ep a r t i c u l a r l yd i s c u s st h en o i s ef i l t e r i n ga n df e a t u r ee x t r a c t i o n t h et h e s i sa n a l y s e st h ep h y s i c a lm o d e lo fc a m e r aa n dt h eg e o m e t r i c a lm o d e lo fg r i l l ei m a g i n gi nc a m e r ap l a n e a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo f 2 dp l a n ei m a g e ，w ep r e s e n t e dam e t h o df o rt h ec a m e r aa d j u s t i n gt h a tc a nr e d u c et h ec a m e r ad i s t o r ta n di m p r o v et h ep r e c i s i o no fo r i e n t a t i o nb a s e do nb pn e u r a ln e t w o r k s f o rt h ei m a g ep r o c e s s ，t h es t u d yi si l l u s t r a t e dw i t hah e x a n g u l a rn u te x p e r i m e n t sr e l a t i n gt ot h em e t h o dd e v e l o p m e n ta n da n a l y s i s f o rt h ef e a t u r ee x t r a c t i o n ，b a s e do nt h eb a s i cs h a p ef e a t u r ei n s p e c t i o ni nt h ew o r kp i e c ei n s p e c t i o n ，t h et h e s i sp r e s e n t sam e t h o dt og e tt h ec e n t e rc o o r d i n a t eo f t h ei m a g ew i t ht h ea r e a o nt h ea s p e c to f t h er e a l i z a t i o no f r o b o tv i s i o ns e r v oc o n t r o ls y s t e m ，t h i st h e s i sb a s e dt h ea d v a n t a g eo ft h ev i s u a lp r o g r a m m i n g ，c o m b i n e dw i t ht h es o f t w a r ei m a qv i s i o n ，d e v e l o p e dac o m p l e t e dv i s i o ns e r v oc o n t r o ls y s t e m a n dt h er o u t eo fr o b o tl i n ei n t e r p o l a t i o na l s op r o g r a m m e d p r a c t i c eh a v ep r o v e dt h a tc o m b i n e dt h ev i r t u a li n s t r u m e n tw i 廿lt h em a c h i n ev i s i o nt od e s i g nt h er o b o tv i s i o ns y s t e ms h o r t e n e dt h ed e s i g n i n gp e r i o d ，a n da l s oi m p r o v e dt h er e l i a b i l i t ya n dt h er a t i ot oc a p a b i l i t ya n dc o s t m o r e o v e r ，c o m b i n e dt h ev i r t u a li n s t r u m e n tw i t ht h em a c h i n ev i s i o n ，i nt e r r ao ft h el o g i co ft h em a c h i n ev i s i o ns y s t e mt oa n a l y s et h ew h o l es y s t e m ，e x p l o r et h ew a yt od e v e l o pt h em a c h i n ev i s i o n t h e r e f o r e ，i th a sp r o f u n d i t ys i g n i f i c a n c ei nb o t hp r o j e c ta n dt h e o r e t i c s k e yw o r d s ：m a c h i n ev i s i o n ；p n e u m a t i cr o b o t ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；r o u t ep r o g r a m m i n gi i湖南大學學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均己在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名：髟日期：御中年r 月，f 日學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)湖南大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。本學位論文屬于1 、保密口，在年解密后適用本授權(quán)書。2 、不保密團。( 請在以上相應方框內(nèi)打“4 ”)作者簽名：導師簽名：的像主犸日期：瀘嘶年廠月f r 日日期：砷年廠月，廠日碩士學位論文1 1 氣動機器人第1 章緒論1 1 1 工業(yè)機器人技術(shù)概述工業(yè)機器人由操作機( 機械本體) 、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術(shù)，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設(shè)備，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。1 1 2 氣動技術(shù)發(fā)展狀況及優(yōu)缺點氣動技術(shù)是一門正在蓬勃發(fā)展的新技術(shù)，用氣動元件組成的傳動和控制系統(tǒng)已廣泛用于國民經(jīng)濟各部門的成套設(shè)備和自動化生產(chǎn)線上。氣動技術(shù)是以壓縮氣體為工作介質(zhì)進行能量和信號的傳遞，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的一門技術(shù)。它包含氣壓傳動和氣動控制兩方面的內(nèi)容。目前，氣動和液壓是兩種較為普遍應用的傳動和控制方式，兩者有許多相同點，也有許多不同點，氣動技術(shù)真正為全世界各個工業(yè)部門所接受并廣泛應用，是由于日益迫切的生產(chǎn)自動化和操作程序合理化的需要。氣動技術(shù)具有以下許多優(yōu)點：1 、氣動技術(shù)以空氣為工作介質(zhì)，空氣隨處可取，且粘性小，在管內(nèi)流動阻力小，便于集中供氣和遠距離輸送。大多數(shù)工廠有方便的壓縮空氣氣源。作為工作介質(zhì)的壓縮空氣的物理性質(zhì)，使氣動技術(shù)在廣泛的各種應用中具有安全、方便和費用低的優(yōu)點。壓縮空氣沒有產(chǎn)生電火花的危險。因此，適用于易燃、易爆炸等危險的工況。氣動機械手視覺系統(tǒng)的研究2 、氣動元件結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，并可直接向大氣排放，處理方便，不必使用回收管道。3 、氣動系統(tǒng)清潔，即使有泄漏，也不會像液壓系統(tǒng)那樣污染產(chǎn)品和環(huán)境，也不像電子系統(tǒng)受到電磁干擾。4 、氣動系統(tǒng)維護不復雜，也不需要特殊的培訓和試驗設(shè)備。5 、適應性強，現(xiàn)有的機器可方便地改為氣動傳動，氣缸可以直接安裝在要求出力的地方。6 、便于進行能量存儲，可以進行應急或系統(tǒng)需要用。7 、氣壓傳動本身有過載保護性能。氣動執(zhí)行元件能長期在滿負荷下工作，在過載時會自動停止。8 、氣動元件運動速度高。普通氣缸的運動速度一般為0 0 5 0 7 m s ，有的高達1 3 m s ，高速氣缸可達1 5 m s 。當然，氣動技術(shù)也有其缺點：1 、由于空氣的可壓縮性大，使得工作部件運動速度穩(wěn)定性差，要獲得精確的進給運動是困難的。2 、由于氣壓傳動的工作壓力遠低于液壓傳動的工作壓力，氣動執(zhí)行元件輸出的力小。3 、氣動工作介質(zhì)無潤滑性能。氣體排放時噪聲大，需加消聲器。4 、氣動信號的傳遞速度遠比電信號低，而且有較大的延遲和失真，因而氣動控制技術(shù)不宜用于高速傳遞和處理信息的復雜系統(tǒng)，而且氣動信號的傳送距離也受限制。1 1 3 氣動機器人( 機械手) 應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢盡管氣動技術(shù)上有一些缺點，但它的優(yōu)點還是主要的。所以氣動技術(shù)能在各個工業(yè)部門中得到日益廣泛的應用。而氣動元件更是一種經(jīng)濟實用的機械化、自動化的理想元件?，F(xiàn)在，氣動技術(shù)和電子電器、液壓技術(shù)一樣，都成為自動化生產(chǎn)過程的有效技術(shù)之一，在國民經(jīng)濟建設(shè)中起著越來越大的作用。氣動技術(shù)由風動技術(shù)及液壓技術(shù)演變，發(fā)展而成為獨立的技術(shù)門類不到5 0 年，卻已經(jīng)充分顯示出它在自動化領(lǐng)域中強大的生命力，成為二十世紀應用最廣，發(fā)展最快，也最容易接受及重視的技術(shù)之一。氣動技術(shù)已成為各個行業(yè)不可缺少的一部分。在國外，氣動被成為“廉價的自動化技術(shù)”。微電子加氣動技術(shù)的應用已成為現(xiàn)代化的一個重要標志。據(jù)統(tǒng)計，在工業(yè)發(fā)達國家中，全部自動化流程中約有3 0 裝有氣動系統(tǒng)【2 】。9 0 的包裝機、7 0 的鑄造和焊接設(shè)各、5 0 的自動操作機、4 0 的鍛壓設(shè)備和洗衣設(shè)備、3 0 的采煤機械、2 0 的紡織機械、制鞋業(yè)、木材加工、食品機械、碩士學位論文4 3 的工業(yè)機器人有氣壓系統(tǒng)。美、日、德等國的氣動元件銷售平均每年增長超過1 0 1 5 。許多工業(yè)發(fā)達國家的氣動元件產(chǎn)值已接近液壓元件的產(chǎn)值，且仍以較大的速度發(fā)展。為了適應這一形勢的發(fā)展，近年來在氣動控制技術(shù)上特別引人矚目的發(fā)展趨勢之一是通過氣動技術(shù)與電子技術(shù)以及機械技術(shù)的有機結(jié)合，以及周邊技術(shù)的成熟，在工業(yè)自動化領(lǐng)域里，氣動機械手、氣動機器人的實用性已經(jīng)充分體現(xiàn)出來。因為氣動伺服定位技術(shù)一出現(xiàn)，就受到工業(yè)界和學術(shù)界的高度重視，為氣動機器人、氣動機械手大規(guī)模進入工業(yè)自動化領(lǐng)域開辟了十分寬廣的前景【3 】。由于大量采用傳感器，使氣動元件智能化，國外發(fā)展的氣動定位系統(tǒng)，采用反饋控制，速度在l o m s ，行程為3 0 0 m m 時，定位精度可達0 o l m m ，國外還開發(fā)了新型智能型電磁閥，可直接接受傳感器信號，并自行完成動作，達到控制的目的，以應用于物件的傳輸，并能識別搬運物的大小。廣泛采用總線連接集成系統(tǒng)，提高氣動控制系統(tǒng)的可靠性，簡化安裝和維修。1 2 虛擬儀器技術(shù)在紛繁的測試產(chǎn)品中，虛擬儀器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，簡稱v i ) 已經(jīng)成為越來越多測試人員的最佳選擇，這是因為v i 系統(tǒng)能更迅捷、更經(jīng)濟、更靈活地解決測試問題。隨著v i 驅(qū)動程序標準化及軟件開發(fā)環(huán)境的發(fā)展，代碼復用成為儀器編程中的基礎(chǔ)，這意味著可以避免儀器編程過程中的大量重復性勞動，從而大大縮短復雜程序的開發(fā)時間，可以用不同的模塊構(gòu)造自己的v i 系統(tǒng)，這不僅會節(jié)省大量人力物力，而且已有的測試投資在未來仍能得到可靠保護。1 2 1 虛擬儀器的概念虛擬儀器通過應用程序?qū)⑼ㄓ糜嬎銠C與儀器硬件結(jié)合起來，用戶可以通過友好的圖形界面( 通常叫做虛擬前面板) 操作這臺計算機，就像在操作自己定義、自己設(shè)計的一臺單個傳統(tǒng)儀器一樣【4 】。v i 以透明的方式把計算機資源( 如微處理器、內(nèi)存、顯示器等) 和儀器硬件( 如a d 、d a 、數(shù)字i 0 、定時器、信號調(diào)理等) 的測量、控制能力結(jié)合在一起，通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析處理、表達以及圖形化用戶接口。應用程序?qū)⒖蛇x硬件( 如g p i b 、v x i 、r s 一2 3 2 、d a q 板) 和可重復用原碼庫函數(shù)等軟件結(jié)合在一起，實現(xiàn)了儀器模塊闋的通信、定時與觸發(fā)等。原碼庫函數(shù)為用戶構(gòu)造自己的v i 系統(tǒng)提供了基本的軟件模塊。由于v i 的模塊化、開放性和靈活性，以及軟件是關(guān)鍵的特點，當用戶的測試要求變化時，可以方便地由用戶自己來增減硬、軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測試要求。這樣，當用戶從一個項目轉(zhuǎn)向另一個項目時，就能簡單地構(gòu)造出新的v i 系統(tǒng)而不丟棄已氣動機械手視覺系統(tǒng)的研究有的硬件和軟件資源。1 2 2 虛擬儀器的特點v i 與傳統(tǒng)儀器的比較見表1 1 ，其最主要的區(qū)別是v i 的功能由用戶使用時自己定義，而傳統(tǒng)儀器的功能是由廠商事先定義好的。有人把功能確定的計算機插卡式儀器也籠統(tǒng)地叫做v i ，這有悖于v i 與傳統(tǒng)儀器本質(zhì)的區(qū)別。由此可見沒有面向科學家與工程師的圖形化編程平臺就很難談得上廣泛普及v i 。表1 1v i 與傳統(tǒng)儀器的比較v i傳統(tǒng)儀器軟件使得開發(fā)與維護費用降至最低開發(fā)維護開銷高技術(shù)更新周期短( 1 2 年)技術(shù)更新周期長( 5 1 0 年)關(guān)鍵是軟件關(guān)鍵是硬件價格低、可復用與可重配置性強價格昂貴用戶定義儀器功能廠商定義儀器功能開放、靈活，可與計算機技術(shù)保持同步封閉、固定與網(wǎng)絡及其它周邊設(shè)備方便互聯(lián)的面功能單一，互聯(lián)有限的獨立設(shè)備向應用的儀器系統(tǒng)1 3 機器人視覺系統(tǒng)與虛擬儀器技術(shù)1 3 1 智能機器人與機器視覺智能機器人的“智能”特征在于它具有通過各種傳感器( 視覺、觸覺、接近覺、測距傳感、力2 矩傳感、滑覺、聲覺等) 與外部世界( 包括工作對象、工作環(huán)境和人) 相協(xié)調(diào)工作的機能。“讓機器入學會感知它們所觸到的部件”已成為機器人發(fā)展的趨勢。因此，機器人視覺系統(tǒng)的研究一直是各類智能機器人研究的一個熱點【5 1 。如果想要賦予機器人較為高級的智能，那么離開視覺系統(tǒng)是無法做到的。第一代工業(yè)機器人只能按照預先規(guī)定的動作往返操作，一旦工作環(huán)境變化，機器人就不能勝任工作。這是因為第一代機器人沒有視覺系統(tǒng)，無法感知周圍環(huán)境和工作對象的情況，因此對于智能機器人來說，視覺系統(tǒng)是不可缺少的。從六十年代開始，人們著手研究機器視覺系統(tǒng)。一開始，視覺系統(tǒng)只能夠識別平面上的類似積木的物體。到了七十年代，已經(jīng)可以認識某些加工部件，也能認識室內(nèi)的桌子，電話等物品了。當時的研究工作雖然進展很快，但卻無法用于實際。這是因為視覺系統(tǒng)的信息量極大，處理這些信息的硬件系統(tǒng)十分龐大，花費的時間也很長。4碩士學位論文機器人視覺是一門新興的發(fā)展迅速的學科，八十年代以來，機器人視覺的研究已經(jīng)歷了從實驗室走向?qū)嶋H應用的發(fā)展階段。從簡單的二值圖象處理到高分辨率多灰度的圖象處理，從一般的二維信息處理到三維視覺機理以及模型和算法的研究都取得了很大的進展。而計算機工業(yè)水平的飛速提高以及人工智能、并行處理和神經(jīng)元網(wǎng)絡等學科的發(fā)展，更促進了機器人視覺系統(tǒng)的實用化和涉足許多復雜視覺過程的研究。目前，機器人視覺系統(tǒng)正在廣泛地應用于視覺檢測、機器人的視覺引導和自動化裝配領(lǐng)域中。1 3 2 機器視覺與虛擬儀器的結(jié)合機器視覺與虛擬儀器結(jié)合的必要性是顯而易見的。傳統(tǒng)的基于專用硬件來實現(xiàn)的機器視覺系統(tǒng)由于硬件的價格昂貴、開發(fā)方法難度大( 一般用匯編語言來編程) 因此開發(fā)周期和開發(fā)的成本非常高，這與市場競爭的日益加劇格格不入。而機器視覺和虛擬儀器強大的開發(fā)工具和低廉的成本使大多數(shù)傳統(tǒng)機器視覺系統(tǒng)必將為其所替代。機器視覺注重對圖像進行分析并作出控制外部控制機構(gòu)動作的決定，但是任何所做的決定，最終都用于指導外部的運動控制模塊工作。虛擬儀器除了具備較強的分析功能外還增強了控制功能，將二者結(jié)合就可以使機器視覺的分析功能和虛擬儀器的控制功能同時為系統(tǒng)所用，而機器視覺和虛擬儀器各自的靈活性、可靠性、低成本必將給予系統(tǒng)很強的靈活性和可靠性，同時也使系統(tǒng)有很高的性價比。機器視覺軟件與虛擬儀器開發(fā)平臺的結(jié)合使機器視覺傳統(tǒng)的實現(xiàn)模式( 如基于p l c 和專用硬件實現(xiàn)方式) 向基于p c ( p cb a s em a c h i n ev i s i o n ) 的實現(xiàn)模式逐步轉(zhuǎn)化。這種轉(zhuǎn)化的可能性和原因有以下幾個方面：1 、計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)使基于p c 實現(xiàn)機器視覺系統(tǒng)稱為可能性，也使得機器視覺系統(tǒng)的價格進入平民化時代。過去，由于機器視覺系統(tǒng)需要對大量的數(shù)據(jù)進行處理，而計算機的處理能力遠遠不能達到要求，因此大部分機器視覺表1 2p o i 總線與其它傳輸介質(zhì)的傳輸速率總線類型傳輸速率( m b s )i s a3 - 5e i s a3 3p c i9 5 1 3 2f u l lm o n t i o nv i d e o2 1 l w i n d o ws v g a3 0 4 0h a r dd i s k ( s c s l )4 2 01 0 - 1 0 0 m b p se t h e r n t e2 2 0系統(tǒng)都采用專用的硬件來實現(xiàn)，這些硬件往往由專用d s p 芯片構(gòu)成，價格非常氣動機械手視覺系統(tǒng)的研究昂貴。而到今天，計算機的處理能力已經(jīng)達到了很高的水平，如p e n t i u m 系列處理器的處理能力已經(jīng)達到1 g 以上。這使基于多媒體計算機來實現(xiàn)機器視覺系統(tǒng)成為可能，而計算機高的性價比也使得機器視覺系統(tǒng)的價格讓用戶很容易接受。2 、局部總線技術(shù)使基于p c 的視覺系統(tǒng)有更強的數(shù)據(jù)處理能力。表1 2 列出p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 總線與其他幾種傳輸介質(zhì)傳輸速率的比較。由表1 2 可知p c i 總線的帶寬最高，因此，p c i 總線日趨代替了i s a ( i n d u s t r ys t a n d a r d a r c h i t e c t u r e ) 總線。不僅如此，p c i 總線還允許設(shè)備以主模式( m a s t e r )和從模式( s l a v e ) 兩種方式與之連接，以主模式與之連接的設(shè)備可以不經(jīng)過c p u的干涉直接將大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入內(nèi)存，這樣系統(tǒng)就可以為c p u 留出足夠的時間來處理其他工作，機器視覺系統(tǒng)的速度也會因此得到提高。機器視覺中很多設(shè)備都可以主模式工作在p c i 總線上，如n i 的圖像采集卡p c i 1 4 0 7 和d a t at r a n s l a t i o n公司的d t 3 1 3 3 系列圖像采集卡。3 、3 2 位的w i n d o w sn t 2 0 0 0 操作系統(tǒng)和全方位的機器視覺軟件，使機器視覺系統(tǒng)的開發(fā)更快速可靠。過去，開發(fā)機器視覺系統(tǒng)時，往往要為某一處理過程編寫專用程序，使系統(tǒng)的開發(fā)要花費大量的人力和財力，從而系統(tǒng)的價格也很昂貴。近幾年，w i n d o w s 操作系統(tǒng)，以其穩(wěn)定性、可靠性和安全性贏得了用戶的歡迎，而基于w i n d o w s 平臺的機器視覺軟件近幾年日趨完善，這些軟件包括了幾乎所有機器視覺開發(fā)應用到的算法，使用時可以直接拿來使用，或者將自己的算法和這些已有的算法集成到一起。這樣開發(fā)者就可以將更多的時間集中到系統(tǒng)功能的研究上而不必拘泥于某一算法或過程，開發(fā)周期大大縮短，系統(tǒng)的價格也會因此降低。n ii m a qv i s i o n 6 0 包括圖像濾波、識別、幾何變換、形狀匹配、斑點分析和測量等近4 0 0 種完整的算法，同時還利用了多媒體技術(shù)對這些算法進行優(yōu)化，其性能要比不具有m m x 技術(shù)的奔騰處理器提高4 倍。綜上所述，將虛擬儀器和機器視覺結(jié)合起來不僅是必要的同時也是可行的。同時由于虛擬儀器技術(shù)得到眾多商家的支持，這兩種技術(shù)的結(jié)合不僅可以使技術(shù)各自的優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，同時也為縮短項目的開發(fā)周期、提高項目的可靠性和性價比作出了保證。因此將虛擬儀器與機器視覺結(jié)合起來開發(fā)機器人視覺系統(tǒng)，必將使系統(tǒng)的開發(fā)周期縮短，同時也可以使系統(tǒng)的靈活性、可靠性和性價比大為提高。1 4 本文主要研究內(nèi)容本文提出了一種基于虛擬儀器的機器人實時視覺伺服控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由氣動機械手，c c d 攝像機，以及控制目標運動系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)把機器人視覺和機器人控制緊密地結(jié)合起來，基于圖象實對生成機器人執(zhí)行機構(gòu)的運動軌跡，以達到實時控制機器人跟蹤目標的目的。6碩士學位論文本文將從以下幾個方面進行論述：1 、氣動機械手總體方案及其視覺平臺結(jié)合氣動機械手的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成原理，對其進行了運動學建模分析，研究電氣比例控制的性能和特點，利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建機械手視覺平臺，通過視覺技術(shù)識別不同形狀和尺寸的目標物體，反饋機械手與目標物體的位置偏差，引導機械手朝縮小偏差的方向前進，實現(xiàn)自動準確抓取物體。2 、攝像機標定與畸變校正通過建立攝像機成像和畸變模型，研究攝像機標定和畸變校正技術(shù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡進行畸變校正，采用網(wǎng)格式平行線模板標定了像素的水平當量和垂直當量。3 、物體識別理論與實驗主要研究待識別物體圖像的預處理技術(shù)、分割方法和識別特征等，包括對比度增強，噪聲濾波，圖像分割，并通過實驗比較圖像處理的效果，針對處理后的二值化圖像，設(shè)計了用于識別目標物體位置的特征參量，經(jīng)過坐標變換，將這些特征量轉(zhuǎn)化為空間坐標中的實際位置，以控制機器人完成相應的操作。4 、視覺跟蹤理論與路徑規(guī)劃，根據(jù)圖像處理反饋的物體位置信息，通過跟蹤算法規(guī)劃機械手的運動軌跡，通過逆運動學分析，轉(zhuǎn)化成運動氣缸的目標位移，實現(xiàn)機械手跟蹤控制。5 、機械手視覺系統(tǒng)軟件實現(xiàn)策略將虛擬儀器技術(shù)和機器視覺技術(shù)的優(yōu)點結(jié)合起來，利用l a b v i e w 和n ii m a q 開發(fā)機械手視覺系統(tǒng)軟件，由軟件實現(xiàn)圖像處理和跟蹤控制功能，建立起功能完善、操作簡單的機械手視覺平臺。氣動機械手視覺系統(tǒng)的研究第2 章氣動機械手總體方案及視覺平臺機械手是自動化生產(chǎn)線最常見的設(shè)備。本章介紹抓取氣動機械手的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制原理和運動學模型，在原有氣動機械手系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加攝像機和采集卡，配以識別與控制軟件，構(gòu)建機械手視覺系統(tǒng)，自動對準并抓取目標物體。2 1 氣動機械手系統(tǒng)原理2 1 1 氣動機械手基本結(jié)構(gòu)及其工作原理機械手是機電系統(tǒng)典型的設(shè)備之一，可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應用于柔性自動線。本文研究的自動抓取氣動機械手，它以壓縮氣體為動力源，通過編程控制，可以實現(xiàn)簡單形狀的目標物體抓取動作。氣動機械手系統(tǒng)原理如圖2 1 所示。電一氣比例控制氣動帆械手實驗臺圖2 1 氣動機械手總體方案氣動機械手機械系統(tǒng)由機架、大臂、小臂、手腕和手指等部分組成，圈2 2為氣動機械手的組成原理圖。大臂2 包含兩個運動：繞鉸接中心的擺動和沿大臂方向的伸縮，擺動由氣缸2 的伸縮實現(xiàn)，氣缸2 的缸體鉸接在機架上，活塞端與碩士學位論文大臂鉸接，氣缸伸縮帶動大臂擺動，實現(xiàn)機械手上下擺動；大臂伸縮運動由氣缸4 實現(xiàn)，氣缸4 的缸體固定在大臂上，活塞端與小臂連接，缸體伸縮帶動機械手左右移動：小臂是由一個伸縮旋轉(zhuǎn)組合缸驅(qū)動可以前后伸縮和旋轉(zhuǎn)，使機械手接近物體，保持正確的夾持姿態(tài)；手指在夾緊氣缸的驅(qū)動下，夾緊放開物體。圖2 3 為機械手的運動簡圖，抓取物體的工作原理為：首先大臂擺動氣缸2動作，帶動大臂3 繞鉸接點擺動，然后大臂伸縮氣缸4 動作，帶動機械手臂作直線移動，對準二維平面內(nèi)任意位置的物體，最后小臂5 氣缸動作，手腕轉(zhuǎn)動，手指6 夾緊，完成夾取目標物體的動作。圈2 2 氣動機械手機械原理圈圖2 3 氣動機械手運動簡圖2 。1 2 氣動機械手控制原理本文研究的機械手的驅(qū)動采用了氣動控制技術(shù)，氣動控制具有性能穩(wěn)定，可靠性高，具有本質(zhì)安全防爆功能，不受電磁場干擾，結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，清潔無污染等優(yōu)點，在工業(yè)機械手和物料輸送系統(tǒng)有較多應用。氣動控制系統(tǒng)一般由控制器、電一氣控制元件、氣動執(zhí)行元件、傳感器和接口電路等組成1 6 】。控制器是氣動系統(tǒng)的大腦，負責信號采集和控制指令的生成，通常采用計算機、單片機或可編程控制器等。電氣控制元件負責將控制器生成的指令信號轉(zhuǎn)換成氣動信號，對氣流的壓力、流量和方向進行調(diào)節(jié)，一般由電一氣伺服閥、電一氣比例閥和電一氣開關(guān)閥等組成。氣動執(zhí)行元件將氣動能轉(zhuǎn)換成機械能以驅(qū)動工作機構(gòu)的元件，包括氣缸、氣爪或者氣動馬達等。氣動控制系統(tǒng)傳感器負責將執(zhí)行元件的狀態(tài)反饋給控制器，常用的一般有位置傳感器、壓力傳感器或速度傳感器等。接口是指控制器與控制元件、控制器與傳感器之間的信號匹配電路，包括放大、濾波、調(diào)制解調(diào)和功率驅(qū)動等，可以實現(xiàn)不同電信號之間9氣動機械手視覺系統(tǒng)的研究的相互轉(zhuǎn)換。氣動控制系統(tǒng)的組成原理如圖2 4 所示。l 控制器卜廠磊卜一電一氣控制元件h 麗磊鬲塑il 一j】l -l廠=磊f一圖24氣動控制系統(tǒng)組成示意圖氣動控制系統(tǒng)可按控制元件來分類 _ “，分為伺服控制系統(tǒng)、比例控制系統(tǒng)和開關(guān)控制系統(tǒng)。電一氣伺服系統(tǒng)以氣動伺服閥為控制元件，工作頻寬較高，響應速度快，性能最好，但是成本昂貴，在一般的工業(yè)場合較少應用。電一氣比例控制系統(tǒng)是以電一氣比例閥為主要控制元件的氣動控制系統(tǒng)。電一氣比例閥采用了比例電磁鐵技術(shù)，相對于伺服閥要低廉很多，頻寬一般為1 0 h z 2 5 h z 左右。具有高精度電反饋的電氣比例控制系統(tǒng)，在控制精度上已經(jīng)很接近電氣伺服控制系統(tǒng)。同時電一氣比例控制系統(tǒng)控制簡單，系統(tǒng)成本低、有利于簡化機械結(jié)構(gòu)、提高控制品質(zhì)和智能化程度，可以達到精密控制、自動化和節(jié)能的目的，在氣動領(lǐng)域得到了廣泛的應用。開關(guān)閥系統(tǒng)以高速開關(guān)閥作為控制元件，與計算機接口方便，成本最低，但開關(guān)閥系統(tǒng)存在噪音大、開關(guān)閥壽命不足等問題，近年來發(fā)展較慢，一直處于實驗研究階段。圖2 5 電一氣比例閥系統(tǒng)示意圖本文研究的機械手采用了電一氣比例控制技術(shù)實現(xiàn)大臂的擺動和伸縮，其控制系統(tǒng)原理如圖2 5 所示。機械手動作時，計算機根據(jù)目標位移和傳感器反饋的氣缸當前位置，通過相應的算法生成位移控制量，經(jīng)d a 轉(zhuǎn)換和比例放大后，控制電一氣比例閥的閥口開度，高壓氣流驅(qū)動氣缸產(chǎn)生位移，光電編碼器時刻檢測氣缸位移并反饋給計算機，達到目標位移控制氣缸停止動作。機械手的電一氣比例控制回路如圖2 6 所示。氣缸2 完成大臂擺動運動，其型號為l c d g l b n 5 0 7 5 0 ，氣缸4 完成大臂伸縮運動，其型號為l m d b b 6 3 5 5 0 ，兩個氣缸的控制閥采用日本s m c 公司的比例流量型控制閥v e f 3 1 2 1 ，模數(shù)轉(zhuǎn)換卡選用n i 公司的p c i 一6 0 2 4 e ，位移傳感器使用光電編碼器，控制方法為連續(xù)無級控制。1 0碩士學位論文氣缸4圖2 6 機械手大臂氣動控制回路2 。1 3 電一氣比例控制系統(tǒng)建模分析機械手電一氣比例位置控制的模型如圖2 7 所示，系統(tǒng)由數(shù)模轉(zhuǎn)換卡、比例放大器、電一氣比例流量閥、氣缸、光電編碼器、d i o 卡等組成，構(gòu)成了閉環(huán)控制回路。圈2 7 機械手電一氣比例位置控制模型( 1 ) 數(shù)模轉(zhuǎn)換卡p c i 一6 0 2 4 ep c i 一6 0 2 4 e 的功能是將數(shù)字控制量信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，相當于一個比例環(huán)節(jié)，其模型為：k d 。= 5v 2 0 4 8( 2 ) 比例放大器氣動機械手視覺系統(tǒng)的研究比例放大器的作用是將計算機發(fā)出的電壓信號經(jīng)過比例放大，轉(zhuǎn)換成電流信號，用來控制比例流量閥的開度。比例系數(shù)為k a 。( 3 ) 電氣比例流量閥電氣比例流量閥采用電磁比例電磁鐵控制閥口開度，使通過閥的氣體質(zhì)量流量和閥的開度成定的關(guān)系。當線圈電流越大，閥的開度越大，通過閥的氣體質(zhì)量流量也越大。其數(shù)學模型為：進氣腔：砌j 2 e l ( r ) 鼻+ 足，2 ( ，)( 2 1 )排氣腔：砌：= 足，。( 一五。，) 足+ 髟：( 一，)其中，曉和r h ：為質(zhì)量流量，x 。為閥芯位移，e 。、系數(shù)，或者說是閥工作電流的函數(shù)，可以寫成k ，= f l ( i )k ，：= 厶( i )在實際應用中，足艫髟：由實驗測得。( 4 ) 氣缸氣缸的運動方程為a 黟= p , a 。一只爿2 一b 一吒式中，f 2 2 1e ：是與閥芯位移x 。的m 一一運動部分質(zhì)量；只一一負載力；f ，一一摩擦力：只，只一一分別為氣缸進、排氣腔絕對壓力；y 一一活塞位移；a 。，a ：一一分別為氣缸進、排氣腔有效面積。氣缸進氣腔丘2i ：j 三萬r t d h - 鼻4 夕)氣缸排氣腔恥面而幔a ：9 - r t r h 2 )嶼o + 彳2 ( 三一y ) 7式中，巧。，。一一分別為氣缸進、排氣腔余隙空間；一一絕熱指數(shù)：1 2( 23 )( 2 4 )( 2 5 )( 2 6 )碩士學位論文月一一氣體常數(shù)；r 一一氣體的熱力學溫度：上一一氣缸總有效長度：( 5 ) 光電編碼器和數(shù)顯表光電編碼器的功能是將角位移轉(zhuǎn)換為電脈沖，每轉(zhuǎn)產(chǎn)生1 0 2 4 個脈沖，這也相當于一個比例環(huán)節(jié)，模型參數(shù)為k f = 1 0 2 4 個脈沖滾輪周長( 6 ) 電一氣比例位鼉控制系統(tǒng)線性化數(shù)學模型機械手電一氣比例位置控制模型是上述環(huán)節(jié)的串聯(lián)，相關(guān)參數(shù)可以通過實驗或者計算得到，機械手電一氣比例位置控制模型的線性化數(shù)學模型為：g ( j ) = 再面麗1 0 再5 4 蕊2 7 )可見，本文研究的氣動機械手具有積分環(huán)節(jié)，對階躍輸入的理論穩(wěn)態(tài)誤差為零，但實際系統(tǒng)存在死區(qū)、延遲等非線性因素，因此機械手還需采用p i d 及其變形方式進行運動控制，才能達到預期的動態(tài)性能。2 1 4 氣動機械手運動分析氣動機械手的運動包括大臂擺動、大臂伸縮、小臂伸縮、手腕轉(zhuǎn)動和手指夾持等，其中大臂運動通過電氣比例控制實現(xiàn)，小臂、手腕和手指的運動比較簡單，只有兩個狀態(tài)，通過開關(guān)量控制，這里僅對機械手大臂的運動過程進行分析。機械手大臂的運動簡圖如圖2 8 所示。a o 段表示機架，a b 段表示機械手大臂，線段a o 、a b 的長度為安裝尺寸，是定值。a c 為大臂伸縮氣缸，o b 為大臂擺動氣缸。c圖2 ，8 氣動機械手大臂運動簡圖機械手的末端位置c 的運動是兩個氣缸運動的合成，要讓氣動機械手在其活動范圍內(nèi)快速定位，需要研究其運動合成。由于機械手立柱不是垂直安裝，建立兩個直角坐標系來研究c 點的運動：一是物件臺架坐標系x 一y ，另一個是氣動機械手視覺系統(tǒng)的研究機械手臂運動坐標系x y 。兩個坐標系的夾角為a = 1 0 。，如圖2 , 9 所示。設(shè)o a = ，。，o b = ，2 ，a b = ，a c = ，。，護、分別為氣缸a c 、o b 的水平傾角，端點c 在坐標系x 一y 中的坐標為( x ，y ) ，則c 在x y 坐標系中的坐標( x ，y ) 為lx llc o s 盯一s i n a0 x ll y jl s i n ac o s ( j l y7 j則yac礦7，甲，。x卜。? i 一。心。一。，一、a一圈29 氣動機械手的運動分析圖則有l(wèi) x = ，4c o s【y = ，4s i n 口+ ，l對三角形a o b ，由余弦定理得到c o s ( 9 0 。+ 們：生笠二絲72 f 。1 ，c o s i 艫鬻代入( 2 8 ) 得s i n p = 一笠蔓= 蔓c 。s 口=2 1 1 1 3 陌2 驪222( 2 8 1( 2 9 )( 2 1o )( 2 1 1 )卜擊廝i 瓣博嘉m 圳q 1 2 1 4碩士學位論文出上式口j 知- 看已知氣缸o b 和a b 的位移1 2 和1 4 ，就可求得機械手的垤動軌跡。反之，在知道了機械手的目標位置以后，需要進行逆運動學建模分析，計算出為了達到目標位置氣缸o b 和a b 的期望位移。由式( 2 8 ) ，得占= a r c t a i l ( 旦玉)( 2 13 )卜志( 2 1 4 )由式( 2 9 ) 得，：= 幅面了i 面( 2is )已知氣缸a c 的原始長度為7 0 0 r a m ，o b 的原始長度為1 2 0 0 m m ，將l - 1 3 7 0 r a m 1 3 2 3 2 0 r a m 代x ( 2 5 ) 和( 2 。6 ) ，得曰：a r c t a i l ( 芝嬰)( 2 1 6 )l 去一7 0 0( 2 1 7 )c o s 分一疋= 1 9 7 9 3 0 0 + 8 7 6 8 0 0 s i n 0 1 2 0 0( 2 1 8 )式中，i 、疋為氣缸所需要的行程，單位為毫米。將l i ，1 3 代入( 2 ，1 0 ，已知1 2 0 0 4 1 2 1 5 0 0 ，計算得7 6 ，5 ?？? 8 ，5 。在機械手運動過程中，可以簡化計算過程，對三角形a o b ，由余弦定理得高= 面互a 而bi2 _ 9 )s m ( 9 0 + 口)s i i i ( 9 0 。一盧)。7則有扣嗇c o s 口( 2 2 。)式( 2 1 8 ) 可以替換為扛罷c o sc o s 3 1 2 6 3c o s 護( 2 2 1 )上，氣動機械手視覺系統(tǒng)的研究2 2 機械手視覺平臺設(shè)計2 2 1 目標物體位置自動識別氣動機械手抓取目標物體過程中，機械手的末端坐標與姿態(tài)通常根據(jù)機械手運動學關(guān)系求出，由于機械手各關(guān)節(jié)存在制造時引入的加工誤差，傳動機構(gòu)存在間隙，各部件的變形以及計算誤差等，這樣計算的坐標與姿態(tài)難免含有誤差，機械手末端一般不能十分精確地對準目標物體，需要根據(jù)目標物體位置進行微調(diào)，因此f 確識別目標物體位置是準確抓取的關(guān)鍵。在開環(huán)控制中，目測起到反饋作用，觀察并估計目標物體的位置，從而確定每個氣缸的位移，在接近物體時調(diào)整機械手末端的姿態(tài)，實現(xiàn)準確抓取。在閉環(huán)控制中，為了實現(xiàn)自動抓取，需要采用目標物體位置自動識別技術(shù)，在機械手運動過程中，能夠根據(jù)目標物體位置信息調(diào)整運動方向，實現(xiàn)精確定位。目標物體位置自動識別系統(tǒng)可分為接觸式與非接觸式兩大類，非接觸式應用較多。非接觸式識別方法有電磁反射、激光、紅外線、超聲波、光學和視覺傳感器等。早期的目標物體位置自動識別系統(tǒng)多用電容式或電感式鄰近效應測距儀，這些傳感器精度高但測距短，主要用于位置固定、形狀確定的目標物體識別；超聲波設(shè)備也是一個選擇，但是精度不高，且易受環(huán)境噪音影響；光電、磁電接近開關(guān)能提供是否對準的信息，但不能反映位置偏差大小，一般需要在目標物體附近安裝傳感器或者利用目標物體的某些物理特性；另外還有將發(fā)光二極管裝在目標上以便于識別，或者利用激光掃描以確定目標的方位，還有些光學系統(tǒng)采用激光雷達或激光測距儀來測量目標的距離與方位【6 “】，這些方法又都過于昂貴。隨著工業(yè)攝像技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，計算機視覺識別技術(shù)得到了越來越多的應用。視覺識別技術(shù)模仿人的視覺原理，使用攝像機和圖像采集卡等設(shè)備，利用圖像識別技術(shù)進行測量定位【8 】，不但能夠識別不同形狀和尺寸的目標物體，而且可以反饋目標物體位置與機械手位置的偏差，引導機械手朝縮小偏差的方向前進，直至對準目標物體。因此本文的氣動機械手采用了視覺技術(shù)識別目標物體位置。2 2 2 氣動機械手視覺系統(tǒng)原理在原有氣動機械手控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了攝像機和采集卡，配以識別與控制軟件，就構(gòu)成了機械手視覺控制系統(tǒng)，其組成原理如圖2 1 0 所示。攝像機安裝在手指上方，攝取目標物體信息，采集卡采集目標物體圖像后送入計算機進行處理，計算機通過圖像處理獲得目標物體的空間位置和形狀信息，并通過機械手運動軌跡控制算法計算出機械手各個氣缸的運動量，送入p i d 位置控制器，計算出目標控制量，由d a 變換成模擬控制電壓送出，經(jīng)比例放大1 6碩士學位論文蘆計叵磊卜計- 區(qū) 臣互卜算眄而面卜_ 再磊葉丁麗i 卜機圈2 10 氣動機械手視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖器轉(zhuǎn)換為控制電流，在控制電流的作用下，電氣比例閥閥芯移動，控制流向氣缸的流量和方向，推動氣缸動作，使機械手接近目標位置，光電編碼器檢測氣缸的實際位移并反饋給計算機實現(xiàn)負反饋的位置閉環(huán)控制，當計算機判斷機械手對準目標物體后，抓取目標物體并且把目標物體移走。c c d 獲取圖像t數(shù)字化畸變校正t圖像預處理t圖像分割二值化t特征識別圈2 1 機械手視覺伺服系統(tǒng)流程囝2 1 2 目標物體圈像識別流程視覺處理和控制用一臺5 8 6 微型計算機實現(xiàn)，主頻1 6 6 m h z ，它從圖像輸入氣動機械手視覺系統(tǒng)的研究接口接收圖像采集卡傳來的數(shù)字信號，經(jīng)過二值化處理和分割后，判斷目標物體位置并將機械手的位置偏差轉(zhuǎn)換成實際位移，然后通過逆運動學分析，求出機械手兩個氣缸需要運動的距離并控制氣缸運動，機械手系統(tǒng)工作流程和物體識別流程如圖2 1 l 和圖2 1 2 。識別和控制軟件采用l a b v i e w 和i m a qv is i o n 開發(fā)，主要包括圖像預處理，目標物體分割、識別和視覺跟蹤等，后面章節(jié)將詳細介紹。2 2 3 氣動機械手視覺伺服工作流程帶有視覺功能的氣動機械手抓取物體的過程分為兩個階段：首先根據(jù)物體所在的方位接近物體( 人工根據(jù)物體柜判斷) ；接近物體后，視覺傳感器( c c d 攝像機) 獲得物體的精確位置，通過相應的控制算法，驅(qū)動氣缸運動，接近并抓取物體。氣動機械手視覺伺服系統(tǒng)的工作流程如圖2 1 1 所示。首先根據(jù)物體方位，估計每個氣缸的位移，系統(tǒng)控制氣缸運動；接近物體時，攝像機采集目標物體圖像，數(shù)字化后送入計算機進行處理，將目標物體和背景分離，計算目標物體的形心，得到機械手當前位置相對目標位置的偏差；然后利用逆運動學分析，換算成大臂的旋轉(zhuǎn)角度和平移距離，作為控制目標，送入p i d 控制器生成每個氣缸的控制量：經(jīng)d a 轉(zhuǎn)換和比例放大后驅(qū)動氣缸動作，引導機械手逐漸對準目標物體：目標物體對準后，根據(jù)目標物體形狀調(diào)整手腕姿態(tài)，手指張開，包含目標物體后合攏，夾緊并取出目標物體。2 2 4 系統(tǒng)主要硬件組成2 2 4 1 圖像采集卡圖像采集卡的基本任務是將c c d 攝像機輸出的模擬信號( r s l 7 0 c c i r 黑白電視信號，p a l n t s c 彩色電視信號，s - v i d e o 視頻信號等) 轉(zhuǎn)換成方便計算機處理的數(shù)字信號。圖像采集卡的工作過程可以描述為：實時采集c c d 輸出的視頻信號，通過內(nèi)部時序控制a d 轉(zhuǎn)換后，存放在采集卡的幀存儲器通道中，可以直接送監(jiān)視器顯示，計算機可以通過指令讀取幀存儲器的圖像進行各種變換和處理分析。圖像采集卡的種類很多，按照處理圖像顏色的不同，通?？梢苑譃楹诎紫到y(tǒng)、偽彩色系統(tǒng)和真彩色系統(tǒng)，他們分別基于不同的顏色模型。為了方便和圖像處理系統(tǒng)連接，采集卡一般做成標準接口形式，例如在通用計算機系統(tǒng)中常用i s a和p c i 接口，直接插在p c 擴展槽中。根據(jù)系統(tǒng)要求，圖像采集卡選用n i 公司的p c i 一1 4 0 7 ，它的主要指標如下：8 - b i t 的