| 排爆機器人的研究與開發 |
圖書信息
作 者：藤本(RichardM.Fujimoto)
出版社：電子工業出版社
出版時間 2010年3月1日
ISBN： 9787121100482
開 本：16開
定 價： 42.00元
內容簡介
本書以作者所作博士後研究工作報告為背景,以排爆機器人機械臂單關節遙控操作、聯動遙控操作、機械手一次自動到位遙控操作3種工作模式為中心,進行了深入的研究與開發。在特殊約束條件下，解決了5自由度機器手逆運動學求解困難的問題。套用“雙目立體視覺”技術，解決了爆炸物目標測距的問題。運用觀測圖像，實現了排爆機器人手爪柔性控制策略，保障了抓取爆炸物的安全，研製出了具有自主智慧財產權的排爆機器人。
圖書目錄
目 錄
第1章 排爆機器人發展現狀及關鍵技術 （1）
1.1 排爆機器人研究現狀 （1）
1.1.1 國內外的研究現狀 （1）
1.1.2 排爆機器人的關鍵技術 （6）
1.1.3 排爆機器人的發展趨勢 （7）
1.2 計算機立體視覺的研究現狀 （8）
1.2.1 雙目立體視覺的研究內容 （9）
1.2.2 雙目立體視覺研究現狀 （10）
1.2.3 套用於移動機器人的立體視覺系統 （11）
1.3 機器人的計算機控制技術 （12）
1.4 選題背景及主要研究工作 （13）
1.4.1 選題背景 （13）
1.4.2 目前排爆機器人存在的問題 （14）
第2章 智慧型排爆機器人的系統組成 （15）
2.1 智慧型排爆機器人總體設計原則 （15）
2.2 履帶式排爆機器人移動車體機構設計 （16）
2.3 機械臂 （22）
2.3.1 自由度 （22）
2.3.2 機械臂結構 （23）
2.4 智慧型排爆機器人的3種作業模式 （23）
2.4.1 基於計算機視覺的目標物遙控操作模式 （23）
2.4.2 機械臂聯動操作模式 （24）
2.4.3 機械臂單關節操作模式 （25）
2.5 智慧型排爆機器人系統軟體的功能模組 （25）
2.5.1 雙目立體視覺子系統 （25）
2.5.2 運動學控制遙操作子系統 （25）
2.6 智慧型排爆機器控制系統 （26）
2.6.1 概述 （26）
2.6.2 現場主控制計算機 （27）
2.6.3 無線傳輸設備 （28）
2.6.4 嵌入式PC/104計算機 （29）
2.6.5 數據採集卡 （30）
2.6.6 光電編碼器與直流電機 （31）
2.6.7 H橋式直流電機驅動電路 （32）
2.7 本章小結 （33）
第3章 視頻圖像捕獲及圖像預處理 （34）
3.1 視頻圖像處理方法 （34）
3.1.1 圖像捕獲硬體系統的選型與設計 （34）
3.1.2 視頻圖像捕獲的軟體實現 （36）
3.2 圖像預處理方法研究 （40）
3.2.1 圖像噪聲的分類 （40）
3.2.2 圖像濾波去噪聲算法的研究 （41）
3.3 基於特定選點的自適應視窗的中值濾波算法 （44）
3.3.1 去噪聲算法基本思想 （44）
3.3.2 去噪聲算法的實現步驟 （45）
3.3.3 實驗結果及分析 （47）
3.4 本章小結 （49）
第4章 雙目立體視覺系統的標定 （50）
4.1 雙目立體視覺系統的透視變換與攝像機模型 （50）
4.1.1 標定中的各種坐標系 （50）
4.1.2 雙目立體視覺系統各坐標系的變換 （52）
4.1.3 攝像機的標定參數 （54）
4.1.4 攝像機鏡頭的畸變 （55）
4.2 攝像機內外參數的標定方法 （56）
4.2.1 傳統的攝像機標定方法 （57）
4.2.2 攝像機自標定方法 （59）
4.2.3 基於主動視覺的標定方法 （59）
4.2.4 其他的一些標定方法 （60）
4.3 一種內外參數分離的標定方法 （60）
4.3.1 攝像機內參數標定 （60）
4.3.2 攝像機外參數標定 （64）
4.3.3 攝像機標定實驗步驟及結果 （64）
4.4 本章小結 （67）
第5章 雙目系統立體匹配與三維坐標的計算 （68）
5.1 雙目立體系統匹配的基本問題 （68）
5.1.1 匹配基元的選擇 （69）
5.1.2 匹配準則 （69）
5.1.3 雙目系統立體匹配的算法結構 （72）
5.2 雙目系統立體匹配算法 （72）
5.2.1 常用立體匹配算法 （73）
5.2.2 雙目系統立體匹配在理論和技術上存在的問題 （74）
5.2.3 雙目立體系統區域相關匹配算法 （75）
5.3 視覺系統控制點修正的金字塔雙層動態規劃立體匹配算法 （77）
5.3.1 控制點修正的動態規劃立體匹配算法 （78）
5.3.2 控制點修正的金字塔雙層動態規劃立體匹配算法 （80）
5.3.3 實驗與結果分析 （82）
5.4 雙目立體視覺三維坐標的深度計算 （83）
5.4.1 三維坐標的數值計算 （84）
5.4.2 雙目立體視覺系統實驗結果 （85）
5.5 本章小結 （88）
第6章 排爆機器人機械臂運動學分析 （89）
6.1 3臂桿5自由度機械臂 （89）
6.1.1 機械臂工作平面分析 （90）
6.1.2 手腕擺動關節設計（第四關節） （92）
6.1.3 前臂結構設計 （94）
6.1.4 前臂剛度校核 （95）
6.1.5 肘關節設計（第三關節） （97）
6.1.6 上臂結構設計 （98）
6.1.7 驅動系統設計 （100）
6.1.8 第一關節設計 （101）
6.2 3臂桿5自由度機械臂的運動學特性分析 （102）
6.2.1 3臂桿5自由度機械臂運動學方程 （103）
6.2.2 3臂桿5自由度機械臂運動學方程求解 （104）
6.3 3臂桿5自由度機械臂運動學求解過程簡化 （105）
6.3.1 機械臂平面內的運動 （106）
6.3.2 腰部迴轉關節的運動 （108）
6.3.3 解析的正逆運動學方程 （108）
6.4 本章小結 （109）
第7章 排爆機器人的伺服控制系統 （110）
7.1 介紹MATLABRTW、xPC的概念 （110）
7.1.1 MATLABRTW的基本介紹 （110）
7.1.2 xPC目標套用環境 （113）
7.1.3 排爆機器人控制系統控制模型的開發 （115）
7.2 運動控制模型 （116）
7.2.1 模型總體框架 （116）
7.2.2 系統初始化 （116）
7.2.3 主控制模組 （118）
7.2.4 機械臂運動關節的位置伺服控制模型 （119）
7.3 控制指令 （124）
7.4 排爆機器人手爪的柔性控制 （126）
7.4.1 手爪夾持機構的受力分析 （126）
7.4.2 可疑爆炸物的質量估計與夾持寬度估計 （128）
7.4.3 可疑爆炸物的夾持表面粗糙度估計 （128）
7.4.4 排爆機器人電流伺服控制系統的實現 （129）
7.5 本章小結 （130）
第8章 排爆機器人遙操作控制流程及誤差分析 （131）
8.1 遙操作子系統軟體 （132）
8.2 DirectInput簡介 （133）
8.3 DirectInput組件 （133）
8.4 遙操作過程及控制指令 （133）
8.5 智慧型排爆機器人的排爆操作過程 （134）
8.6 實驗研究 （140）
8.6.1 實驗設備和儀器 （140）
8.6.2 機器人自動抓取目標物實驗 （140）
8.6.3 誤差分析 （143）
8.7 本章小結 （144）
第9章 搖桿控制 （145）
9.1 主要程式代碼 （145）
9.2 控制指令 （153）
9.2.1 串口通信 （153）
9.2.2 手柄控制指令 （155）
第10章 供電與輔助系統設計 （162）
10.1 供電系統設計 （162）
10.2 輔助系統設計 （162）
結論 （163）
附屬檔案一 排爆機器人開發軟體 （165）
參考文獻 （225）
圖書前言
前 言
排爆機器人是指代替人到不能去或不適宜去的、有爆炸或有危險的環境中，直接在事發現場進行偵察、排除和處理爆炸物或其他危險品，也可以對一些持槍的恐怖分子及犯罪分子實施有效攻擊的移動機器人。排爆機器人的關鍵在於能自主獲取、處理和識別目標物信息，具有一定的自主分析能力，能夠自主完成較為複雜的操作任務，比一般的工業機器人具有更大的靈活性。要求機器人具有對環境的感知能力，隨著機器視覺理論研究的發展以及雙目視覺系統本身的仿人優勢，視覺感測器成為最重要的選擇對象。機器人視覺系統最主要和最基本的功能就是三維空間的定位，即確定機器人觀察目標的空間三維坐標。本書以智慧型排爆機器人的研製為背景，闡述了其雙目立體視覺和抓取控制的若干關鍵技術。
本書主要介紹了如下內容：
雙目立體視覺子系統——完成根據圖像坐標計算三維坐標的功能。作者詳細描述了雙目立體視覺的原理、雙目立體視覺的數學模型、利用“黑白方格模板”對雙目立體視覺進行標定（數學模型參數的識別）的原理和算法步驟，以及對該機器人雙目立體視覺子系統的軟硬體實現。
運動學控制遙操作子系統——則完成按運動學控制方法對機械臂實施“遙操作”的功能。經過合理的簡化處理，我們得到了該“3臂桿5自由度機械臂”的一種解析運動學描述方法。然後基於該解析的運動學模型，實現了該機械臂的遙作業系統，包括後台的遙作業系統軟體以及現場的位置伺服控制系統。
針對目前排爆機器人手動控制方式的不足，研究和開發了一種基於雙目視覺定位的半智慧型排爆機器人控制系統，用於實現排爆機器人的自動抓取。提出了排爆機器人的兩種智慧型作業模式：基於視覺的目標物自動抓取模式和聯動操作模式。在基於視覺的目標物自動抓取模式中，操作者只需在傳回的現場圖像中標示出目標物，機械手臂就能自動實施抓取；在聯動操作模式中，操作者能對機械手臂進行“整體”的聯動控制，控制機械手臂手爪的各個方向運動，從而能很方便地抓取目標物。
本書闡述了半智慧型排爆機器人控制系統軟硬體結構的基本組成，重點介紹了機器人運動控制模型的實現。機器人車載PC/104計算機中的運動控制模型主要完成機器人軟硬體的初始化功能、主控制機與目標機的通信功能及各機械臂關節的運動控制。採用Ziegler-Nichols方法，整定增益參數，並綜合利用多種PID控制技術，從而設計出一種具有專家特性的PID控制器，機器人關節運動平穩且無靜態誤差，系統具有很好的魯棒性和實時性。另外，本書簡要介紹了機器人的組成和機械手臂的結構，詳細介紹了用幾何解法實現機械手的運動學反解的方法，並提出了一種解析的運動學描述，基於該解析的運動學簡化模型實現了該機械臂運動學的遙作業系統。除此之外，還介紹了機器人車載PC/104與數據採集卡ADT652等硬體的性能和配置，以及直流電機伺服控制系統的實現過程。
採用雙目立體視覺識別系統，給出了圖像中可疑爆炸物的質量估計與夾持寬度估計；根據爆炸物預抓取部位圖像矩陣的列單色灰度差分，給出了爆炸物表面粗糙度的估計方法。同時構建了完成排爆機器人手爪柔性控制策略所需的電流伺服控制系統。
最後本書介紹了排爆機器人自動控制系統以及遙作業系統的使用，並進行了排爆機器人自動抓取目標物的試驗。通過該試驗驗證機器人控制系統的性能，試驗中在X、Y、Z方向上選取多個測試點，測量機器人手臂定位到目標點的誤差，獲得在X、Y、Z方向的誤差趨勢，同時得出機械手的最佳抓取空間。
本書得到了合作導師華南理工大學姚錫凡教授，日本早稻田大學蔣梁中教授的指導，對此表示由衷的感謝。同時感謝同實驗室的汪偉、范陸橋、楊進、曹傑等同事給予我的諸多幫助。
本書的出版得到了福建省教育廳JK類科研課題和廈門理工學院專著出版基金的資助。
著者
2009年12月
