面向微操作的微小型机器人视觉伺服技术研究
面向微操作的微小型机器人作为典型的微机电系统，具有体积小、运动灵活、能够进入一般机械系统无法进入的狭窄作业空间进行检测和维护等特点而在微操作领域有着广泛的应用前景，已成为国内外诸多公司、研究机构、大学的一个新的研究热点，其发展目标是构建以微小型机器人为基础的自动化微装配作业桌面工厂。在国家“863”计划MEMS重大专项资助和大量调研工作的基础上，本文以为面向微操作的微小型机器人设计智能化的实时视觉伺服系统为主线、以利用视觉来指导微小型机器人自主进行微操作作业为目的，展开课题研究。 在分析典型微操作系统组成的基础上，建立了基于微小型机器人的微操作系统。首先分析了微操作系统的各个硬件组成部分，包括宏／微双重驱动微小机器人及外部全局—显微形式的两级视觉传感器系统与一维微力觉传感器系统。然后对微操作系统的控制结构进行了简要描述。 全局视觉系统监控机器人运动空间、实时提取机器人位姿参数并引导机器人在微操作系统工作平台上进行快速、大范围运动。针对微小型机器人的全局视觉伺服控制问题，提出了基于标记的机器人位姿参数实时测量方法；设计了基于图像的动态Look-and-Move形式的全局视觉伺服控制器和基于运动检测的微夹持器末端搜索策略来引导机器人快速地运动到微操作区域附近并使其微夹持器末端准确地进入光学显微镜的视场范围，为进一步利用更高测量分辨力的显微视觉信息来指导机器人完成微操作任务做好准备。 显微视觉系统的主要作用是分析微操作场景图像后测量微操作工具和微操作对象的相对位置关系，进而控制微操作工具向操作目标运动。自动聚焦、显微图像分割、显微图像跟踪和显微图像伺服是实现这一目的几个关键问题。为实现自动聚焦，构造了基于SUSAN算子的图像清晰度评价函数，设计了爬山搜索—聚焦曲线拉格朗日拟合定位的新型图像清晰度评价函数最大化搜索策略以实现快速聚焦的目的；在显微图像分割方面，设计了Canny边缘检测与Hough变换结合的提取显微目标结构参数的处理方法，并对Hough变换存在计算量大、精度低的缺陷进行了有效改进；针对微操作工具的实时显微图像跟踪问题，利用归一化自相关匹配算法构造图像跟踪器，并设计手眼协调和模板切分亚采样策略来实现实时跟踪机器人夹持器末端、实时获取其位置参数的目的；在微小型机器人的显微视觉控制方面，从动态的角度出发实现了机器人微运动姿态的测量，设计了有限状态机形式的2D显微视觉控制器来引导微夹持器末端向操作目标运动和基于Depth-From-Focus原理的机器人微夹持器末端深度方向控制策略。 最后，从实时视觉伺服系统的实现角度，设计了基于共享内存通讯的双进程并发视觉计算系统软件构架。然后以视觉引导微小型机器人完成微小零件的夹取、搬运和视觉、微力觉引导机器人完成微小零件的组装等典型微操作任务为背景展开实验研究。
机器人;微操作系统;实时视觉伺服技术;位姿参数;有限状态机
哈尔滨工业大学
博士
机械电子工程
孙立宁
2007
中文
TP242.62
131
2013-03-20（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）