计算机视觉的桌面型机械臂实验平台设计.pdf

第卷 第期 年月：计 算 机 视 觉 的 桌 面 型 机 械 臂 实 验 平 台 设 计金 慧 萍，兰 天 翔，刘腾，于 佳 琳，陈勇（南 京 林 业 大 学工 程 培 训 中 心；机 械 电 子 工 程 学 院，南 京；北 京 大 学 现 代 农 业 研 究 院，山 东 潍 坊）摘要：为 了 提 升 机 器 人 实 训 教 学 水 平，设 计 了 一 种 基 于 计 算 机 视 觉 的 桌 面 型 机 械 臂实 验 平 台。该 平 台 由 执 行 系 统、控 制 系 统 及 软 件 系 统 组 成。执 行 系 统（机 械 臂 本 体）包 括个 自 由 度 的 机 械 臂、吸 盘、机 械 夹 爪 及 画 笔，可 根 据 实 验 平 台 多 种 控 制 方 式 自由 搭 配 末 端 执 行 器；控 制 系 统 由控 制 器 及 其 驱 动 板 等 硬 件 组 成，采 用 串 口 通信 方 式，接 收 上 位 机 控 制 指 令，实 现 机 械 臂 各 关 节 的 运 动 控 制 功 能；软 件 系 统 是 基 于计 算 机 视 觉 技 术，利 用语 言 工 具，将 摄 像 头 采 集 到 的 目 标 物 体 位 置 信 息 转 换 成坐 标 控 制 指 令，从 而 实 现 机 械 臂 关 节 坐 标 控 制、捕 捉 手 势 移 动 控 制 以 及 依 据 鼠 标 的 移动 轨 迹 进 行 示 教 复 演 等 控 制 方 式。实 验 结 果 表 明，该 实 验 平 台 能 有 效 完 成 多 种 控 制功 能，且 有 结 构 简 单、搭 建 方 便、可 操 作 性 强、易 于 学 习 理 解 的 优 点。关 键 词：桌 面 型 机 械 臂；实 验 平 台；计 算 机 视 觉；多 功 能 控 制中 图 分 类 号：；文 献 标 志 码：文 章 编 号：（）收 稿 日 期：基 金 项 目：国 家 自 然 科 学 基 金 项 目（）；江 苏 省 重 点 研 发 计划 项 目（）；江 苏 省 农 业 科 技 自 主 创 新 资 金 项 目（）作 者 简 介：金 慧 萍（），女，湖 南 常 德 人，硕 士，实 验 师，现 主 要从 事 智 能 机 器 人 系 统 与 技 术 研 究。：；：，（；，；，）：，；，：；第期金 慧 萍，等：计 算 机 视 觉 的 桌 面 型 机 械 臂 实 验 平 台 设 计引言机 器 人 技 术 涉 及 运 动 控 制、计 算 机 视 觉、人 工 智 能等 领 域，是 当 下 热 门 且 前 沿 的 研 究 课 题 之 一，机 械臂 是 机 器 人 技 术 的 重 要 分 支，具 有 重 复 定 位 精 度 高、可靠 性 强 的 优 点，广 泛 应 用 于 工 业 制 造、高 精 密 零 部 件 制造、国 防 等 领 域。随 着 工 业 智 能 化 的 高 速 发 展，机械 臂 越 来 越 成 为 工 业 生 产 中 不 可 或 缺 的 工 具，且 对 机械 臂 的 功 能 有 了 更 高 的 要 求。近 年 来，许 多 高 校 开 展了 机 械 臂 控 制 的 相 关 实 验 研 究。王 倩 男 等以机 器 人 系 统 平 台 为 依 托，设 计 了 机 械 臂 在 线 实 验系 统，可 远 程 控 制 机 械 臂，并 结 合 视 频 监 控 和 实 验 数 据读 取 来 完 成 相 关 实 验。杨 杨 等运 用软 件，设计 图 形 用 户 界 面 实 现 机 械 臂 各 功 能 模 块 的 仿 真 运 行，形 象 地 演 示 机 械 臂 的 原 理。随 着 计 算 机 深 度 学 习 技 术 的 发 展，机 械 臂 的 运 动控 制 开 始 与 机 器 视 觉 相 结 合。杨 亮 等将 视 觉 伺 服添 加 进 机 械 臂 控 制 系 统，通 过 摄 像 头 采 集 图 像 信 息，控制 机 械 臂 完 成 目 标 物 体 的 抓 取。郝 丽 等以机 械 臂 为 主 体，设 计 了 视 觉 辅 助 的 机 械 臂 抓 取 实 验 台，可 以 完 成 目 标 物 的 抓 取 及 搬 运 任 务。当 前 机 械 臂 控 制实 验 多 是 基 于 现 有 的 机 械 臂 本 体 进 行，机 械 臂 系 统 集成 复 杂，且 造 价 相 对 较 高，软 件 开 发 是 在系 统 下进 行，难 于 直 接 上 手 学 习，不 利 于 在 实 训 教 学 中 推 广 及运 用，机 械 臂 功 能 相 对 单 一，通 常 只 能 完 成 某 一 种 实 验功 能，不 具 备 二 次 开 发 利 用 的 基 础。本 文 提 出 一 种 可 用 于 辅 助 实 训 教 学 的 多 功 能 机 械臂 实 验 平 台 设 计 方 案，实 验 平 台 采 用 自 主 设 计 的 机 械臂 本 体 结 构，搭 载 不 同 的 末 端 执 行 器，运 用 计 算 机 视 觉技 术，摄 像 头 采 集 到 目 标 物 体 的 图 形 信 息 并 进 行 图 像处 理，转 换 成 运 动 控 制 指 令 通 过 串 口 通 信 传 输 到 机 械本 体，来 实 现 多 功 能 控 制。总 体 方 案桌 面 型 机 械 臂 实 验 平 台 的 机 械 臂 本 体 是个 三 自由 度 的 机 械 臂 结 构，分 别 由个 舵 机 控 制；控 制 器 由单 片 机 最 小 系 统 板 和 驱 动 板 组 成，上、下 位 机通 过 串 口 通 信 发 送 指 令 实 现 舵 机 的 运 动 控 制；软 件 系统 基 于语 言 工 具 开 发，运 行 于环 境下，可 实 现 机 械 臂 的 坐 标 控 制、手 势 控 制、示 教 复 演 等功 能。实 验 平 台 原 理 框 图 如 图所 示。结 构 设 计实 验 平 台 的 机 械 本 体 为 关 节 坐 标 系 结 构，共 包 含个 关 节，分 别 为 腰 部 结 构 转 动、大 臂 移 动、小 臂 移 动和 开 放 型 末 端 执 行 器 动 作。机 械 臂 底 座 位 于 实 验 平 台下 方，用 于 固 定 整 个 平 台 系 统；腰 部 结 构 位 于 底 座 上方，可 进 行 周 向 旋 转，实 现 机 械 臂 整 体 左 转 和 右 转；大臂 与 腰 部 结 构 及 小 臂 相 连 接，构 成 一 个 连 杆 结 构，大 臂的 移 动 带 动 小 臂 在 水 平 方 向 上 的 位 移，小 臂 的 移 动 带动 机 械 臂 整 体 在 垂 直 方 向 上 的 位 移；机 械 臂 的 末 端 设计 了 滑 槽 及 销 孔 结 构，末 端 执 行 器 可 根 据 工 作 任 务 的需 求 进 行 设 计；机 械 臂 结 构 的 零 部 件 采 用打 印 快速 成 型 制 造 技 术 加 工 成 型。对 机 械 臂 整 体 而 言，以 底座 坐 标 系 为 系 统 的 坐 标 原 点，腰 部 结 构 实 现 左、右 旋转，大 臂 实 现 前、后 移 动，小 臂 实 现 上、下 移 动，搭 载 不同 结 构 类 型 的 末 端 执 行 器 在 腰 部 结 构、大 臂 及 小 臂 的组 合 运 动 驱 动 下 完 成 具 体 的 操 作 任 务，实 验 平 台 的 机械 臂 结 构 示 意 图 如 图所 示。图实 验 平 台 原 理 框 图 底 座 腰 部 转 台 大 臂 小 臂 末 端 执 行 器图机 械 臂 结 构 示 意 图运 动 学 原 理机 械 臂 的 运 动 分 析 采 用和提出 的（）参 数 法。在 机 械 臂的 每 个 连 杆 上 固 连 一 个 坐 标 系，以 此 来 描 述 连 杆 在 空间 中 的 位 置 状 态，通 过 齐 次 变 换 矩 阵 描 述 各 个 坐 标 系之 间 的 相 对 关 系，从 而 来 表 示 各 连 杆 之 间 的 相 对 位 姿，在 根 据 各 连 杆 之 间 的 位 姿 关 系 建 立 机 械 臂 的 运 动 学 方程，求 取 机 械 臂 的 正 逆 解。机 械 臂 结 构 参 数图所 示 为 机 械 臂 姿 态 分 析 图。由 图（）可 知，以 机 械 臂 底 座 为 基 坐 标 系，表 示 机 械 臂 的个 运 动 关 节，处 的 轴 线 相 互 平 行，的 关节 由 舵 机 驱 动，为 被 动 关 节，由和控 制，保 持 自身 姿 态 为。由 图（）可 知，为 在轴 基 坐 标 系 到第卷关 节 公 垂 线 之 间 的 距 离；，分 别 为和关 节连 杆 的 长 度，分 别 为和关 节 绕轴 的 旋 转角 度。根 据参 数 法 以 及 机 械 臂 连 杆 结 构 简 图 得到 如 图（）所 示 的坐 标 系，每 次 坐 标 系 的 变 换就 得 到 一 个 转 换 矩 阵，矩 阵 依 次 相 乘 则 得 到 最 后 的 变换 矩 阵。（）姿 态 示 意 图（）连 杆 结 构 简 图（）坐 标 系图机 械 臂 姿 态 分 析 图 根 据 机 械 臂 的 原 始 尺 寸 得 到模 型 参 数（见 表），其 中，为 机 械 臂 各 关 节 序 号；为 相 邻个轴 之间 的 角 度，即 关 节 扭 转；为 每 一 条 公 垂 线 的 长 度，即关 节 偏 移；为 在轴 上 相 邻条 公 垂 线 之 间 的 距 离；为 绕轴 的 旋 转 角。表 模 型 参 数 表 正 运 动 学 分 析机 械 臂 的 正 向 运 动 学 为 已 知 机 械 臂 各 个 关 节 参 数与 变 量，求 解 机 械 臂 末 端 执 行 器 的 位 置 与 姿 态 的 运 动分 析。机 械 臂 相 邻 连 杆 之 间 坐 标 系 的 齐 次 变 换 矩阵 用 表 示，其 变 换 通 式 为 （）式 中：；。令：，（），（），根 据 式（）可 得 各 坐 标 系 转 换 矩 阵：（）求 得 底 座 与 末 端 执 行 器 之 间 的 变 换 矩 阵：（）当 已 知 机 械 臂 各 关 节 的 角 度 和 参 数，即 可 得 到 机械 臂 末 端 执 行 器 的 位 姿。逆 运 动 学 分 析逆 向 运 动 学 是 已 知 机 械 臂 末 端 执 行 器 的 位 置 与 姿态，反 向 求 解 机 械 臂 各 关 节 的 空 间 坐 标 的 运 动 分析。逆 向 运 动 学 分 析 方 法 有 解 析 法、迭 代 法 和 几 何法 等，由 于 机 械 臂 关 节 数 量 较 少，本 研 究 采 用 几 何 学 方法 来 分 析，几 何 学 逆 运 动 学 分 析 如 图所 示。机 械 臂 的 几 何 投 影 三 维 示 意 图 如（）所 示，关 节末 端 位 置 为点，分 别 分 析 机 械 臂 关 节 在平 面 和机 械 臂 所 在 空 间平 面 的 投 影 计 算 出 关 节 的 角度 值。（）平 面 投 影。由 图（）可 知，由 反 正 切 函数 得 到：（，）（）（）平 面 投 影。由 图（）可 知，关 节和 点形 成 了个 三 角 形，、分 别 为 该 三 角 形 两 直 角 边，先 计 算 其 斜 边 长，找 出 获 得 其 他个 角 度 值 的 共 同 因素，得 到：第期金 慧 萍，等：计 算 机 视 觉 的 桌 面 型 机 械 臂 实 验 平 台 设 计（）几 何 投 影 三 维 示 意 图（）平 面 投 影（）平 面 投 影图几 何 学 逆 运 动 学 分 析 槡 （）（）（）（）结 合 上 述 几 何 条 件，求 解：（，）槡（）（）沿及 过 点做 辅 助 线 构 成 直 角 三 角 形，其 直 角 边 分别 为、，为 三 角 形 一 内 角，可 得：（，）（）进 而 求 得：（，槡）（，）（）至 此，得 到 机 械 臂 逆 向 运 动 学 方 程，由 目 标 位 置 逆向 计 算 出 各 关 节 旋 转 角 度、的 值。平 台 功 能 设 计本 文 应 用的模 块 进 行 界 面 开 发，选用选 项 卡 组 件 进 行 布 局，可 显 示 多 个 选 项，方 便 二 次 开 发。开 发 的 实 验 平 台 界 面 包 括 串 口 调 试、基 础 控 制、手 势 控 制、示 教 复 演 界 面，将 不 同 的 功 能 界面 分 别 放 入 不 同 子 组 件 中，通 过 类 的 继 承 方 式 进 行 模块 化 的 程 序 设 计，实 现 不 同 界 面 及 功 能 单 独 设 计 的 需求，并 可 以 方 便 地 调 用 已 有 的 功 能 模 块 和 添 加 新 的 功能 模 块，上 位 机 软 件 界 面 如 图所 示。图上 位 机 软 件 界 面（）坐 标 控 制。坐 标 控 制 是 对 机 械 臂 的 基 础 控制，是 实 现 其 他 控 制 功 能 的 前 提。上 位 机 向 下 位 机 发送 相 应 动 作 指 令，下 位 机 反 馈 实 时 状 态 信 息 至 上 位 机，打 印 上 位 机 接 收 区 相 应 位 置 供 操 作 者 监 控 机 械 臂 的 当前 状 态。操 作 面 板 包 括 直 角 坐 标 控 制、关 节 坐 标 控 制、速 度 控 制 功 能。直 角 坐 标 控 制 是 下 位 机 解 析 出 上 位 机发 送 指 令 中 相 应 的 直 角 坐 标 参 数，通 过 机 械 臂 逆 运 动学 方 程 计 算 出 关 节 角 度 值，最 后 控 制 舵 机 运 动 到 相 应角 度，从 而 实 现 直 角 坐 标 控 制；关 节 坐 标 控 制 是 系 统 通过 向 舵 机 发 送 相 应 脉 冲 宽 度 的信 号 实 现；速 度控 制 是 通 过 改 变 脉 冲 发 送 频 率 来 实 现。操 作 面 板 界 面主 要 包 括 直 角 坐 标 控 制 部 分、关 节 坐 标 控 制 部 分、速 度控 制 部 分。在 直 角 坐 标 控 制 中 加 入 画 布 组 件，可 更 加直 观 的 观 测 机 械 臂 将 要 运 动 到 的 位 置，坐 标 控 制 界 面如 图所 示。图坐 标 控 制 界 面（）手 势 控 制。手 势 控 制 通 过 捕 捉 手 势 图 像 进 行图 形 处 理，手 势 检 测 跟 踪 使 用模 块 中库 实 现。捕 捉 并 获 取 到 手 指 在 图像 中 的 坐 标 后，将 该 坐 标 值 映 射 至 机 械 臂 的 工 作 空 间，获 得 机 械 臂 运 动 的 目 标 位 置 坐 标，向 下 位 机 发 送 运 动控 制 指 令 即 可 实 现 手 势 控 制 机 械 臂，手 势 控 制 效 果 如图所 示。（）示 教 复 演。示 教 复 演 即 可 重 复 再 现 示 教 编 程存 储 的 作 业 程 序。在 设 计 中，以 鼠 标 在 指 定 的 区 域 运动 做 示 教，机 械 臂 按 鼠 标 的 轨 迹 运 动 做 复 演。示 教 复演 界 面 主 要 包 括 图 形 绘 制 部 分 和 操 作 部 分，图 形 绘 制部 分 由 画 布 组 件 组 成，在 鼠 标 按 下 并 拖 动 时 留 下 鼠 标运 动 的 轨 迹 并 记 录 数 据；操 作 部 分 由 按 钮、进 度 条 等 组第卷图手 势 控 制 效 果件 组 成，用 于 示 教 复 演 功 能 的 基 础 控 制。示 教 界 面 和演 示 实 验 分 别 如 图、所 示。图示 教 界 面图演 示 实 验 实 景结语本 文 提 出 并 设 计 了 基 于 计 算 机 视 觉 技 术 的 桌 面 型机 械 臂 实 验 平 台，并 通 过 演 示 实 验 进 行 了 测 试。结 果表 明，该 实 验 平 台 可 有 效 实 现 机 械 臂 的 坐 标 控 制、手 势控 制 及 示 教 复 演 功 能，充 分 验 证 了 正 逆 运 动 学 分 析 的正 确 性，并 可 在 现 有 功 能 上 进 行 二 次 开 发，实 现 多 功 能控 制 目 标。该 机 械 臂 实 验 平 台 采 用打 印 快 速 成 型技 术 加 工 制 造，具 有 体 积 小、加 工 成 本 低、联 调 方 便 等优 点，可 应 用 于“机 器 人 创 新 实 训”课 程 中，能 让 学 生掌 握 机 械 结 构 设 计、电 路 设 计、硬 件 控 制、软 件 开 发 等技 术 的 应 用，并 充 分 了 解 学 科 知 识 之 间 的 关 联 性 与 融合 性。参 考 文 献（）：周 佳 军，姚 锡 凡先 进 制 造 技 术 与 新 工 业 革 命 计 算 机 集 成制 造 系 统，（）：吴 爱 华，侯 永 峰，杨 秋 波，等加 快 发 展 和 建 设 新 工 科 主 动 适 应和 引 领 新 经 济 高 等 工 程 教 育 研 究，（）：王 田 苗，陶永我 国 工 业 机 器 人 技 术 现 状 与 产 业 化 发 展 战 略机 械 工 程 学 报，（）：林健面 向 未 来 的 中 国 新 工 科 建 设 清 华 大 学 教 育 研 究，（）：马睿，张 志 明，许 春 权基 于 语 音 控 制 的 机 械 臂虚 拟 操 作实 验 平 台 设 计 实 验 技 术 与 管 理，（）：温 剑 锋基 于 人 工 智 能 的 视 觉 目 标 定 位 系 统 设 计 现 代 计 算机，（）：王 倩 男，何 文 辉，赵颖基 于的 机 械 臂 在 线 实 验 系 统 设计 实 验 技 术 与 管 理，（）：杨杨，竹 晨 曦，魏 祥 森，等基 于的 柔 性 机 械 臂 控制 教 学 演 示 平 台 泰 州 职 业 技 术 学 院 学 报，（）：杨亮，郭 志 军，李 文 生，等基 于 视 觉 伺 服 的 桌 面 型 机 械 臂 创新 实 验 平 台 研 制 实 验 技 术 与 管 理，（）：郝丽，冷 春 涛，武 书 昆，等视 觉 辅 助 的 机 械 臂 智 能 抓 取 实 验教 学 平 台 开 发 实 验 室 研 究 与 探 索，（）：，（）：蔡 自 兴机 器 人 学 基 础 版北 京：机 械 工 业 出 版 社，：，（）：王勇，陈 荟 西基 于 机 器 视 觉 与 单 片 机 结 合 的 机 械 臂 抓 取 系统 自 动 化 技 术 与 应 用，（）：姚 启 才，汪地，廖 茂 生基 于 机 器 视 觉 的 机 械 臂 智 能 抓 取 系统 设 计 计 量 与 测 试 技 术，（）：，：，（）：金 翰 林基 于 视 觉 的 机 械 臂 目 标 抓 取 研 究 机 械 工 程 与 自 动化，（）：董 翠 敏，刘 永 强以 机 器 人 教 育 为 平 台 培 养 大 学 生 创 新 意 识 和能 力 实 验 室 研 究 与 探 索，（）：檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿（上 接 第页），（）：，：，（）：，（），：，：，（）：