排爆機(jī)器人的研究與開發(fā)

前言

　　排爆機(jī)器人是指代替人到不能去或不適宜去的、有爆炸或有危險(xiǎn)的環(huán)境中，直接在事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行偵察、排除和處理爆炸物或其他危險(xiǎn)品，也可以對(duì)一些持槍的恐怖分子及犯罪分子實(shí)施有效攻擊的移動(dòng)機(jī)器人。排爆機(jī)器人的關(guān)鍵在于能自主獲取、處理和識(shí)別目標(biāo)物信息，具有一定的自主分析能力，能夠自主完成較為復(fù)雜的操作任務(wù)，比一般的工業(yè)機(jī)器人具有更大的靈活性。要求機(jī)器人具有對(duì)環(huán)境的感知能力，隨著機(jī)器視覺理論研究的發(fā)展以及雙目視覺系統(tǒng)本身的仿人優(yōu)勢(shì)，視覺傳感器成為最重要的選擇對(duì)象。機(jī)器人視覺系統(tǒng)最主要和最基本的功能就是三維空間的定位，即確定機(jī)器人觀察目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)。本書以智能排爆機(jī)器人的研制為背景，闡述了其雙目立體視覺和抓取控制的若干關(guān)鍵技術(shù)?！　”緯饕榻B了如下內(nèi)容：　　雙目立體視覺子系統(tǒng)——完成根據(jù)圖像坐標(biāo)計(jì)算三維坐標(biāo)的功能。作者詳細(xì)描述了雙目立體視覺的原理、雙目立體視覺的數(shù)學(xué)模型、利用“黑白方格模板”對(duì)雙目立體視覺進(jìn)行標(biāo)定（數(shù)學(xué)模型參數(shù)的識(shí)別）的原理和算法步驟，以及對(duì)該機(jī)器人雙目立體視覺子系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)。　　運(yùn)動(dòng)學(xué)控制遙操作子系統(tǒng)——?jiǎng)t完成按運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方法對(duì)機(jī)械臂實(shí)施“遙操作”的功能。經(jīng)過合理的簡(jiǎn)化處理，我們得到了該“3臂桿5自由度機(jī)械臂”的一種解析運(yùn)動(dòng)學(xué)描述方法。然后基于該解析的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了該機(jī)械臂的遙操作系統(tǒng)，包括后臺(tái)的遙操作系統(tǒng)軟件以及現(xiàn)場(chǎng)的位置伺服控制系統(tǒng)?！　♂槍?duì)目前排爆機(jī)器人手動(dòng)控制方式的不足，研究和開發(fā)了一種基于雙目視覺定位的半智能排爆機(jī)器人控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)排爆機(jī)器人的自動(dòng)抓取。提出了排爆機(jī)器人的兩種智能作業(yè)模式：基于視覺的目標(biāo)物自動(dòng)抓取模式和聯(lián)動(dòng)操作模式。在基于視覺的目標(biāo)物自動(dòng)抓取模式中，操作者只需在傳回的現(xiàn)場(chǎng)圖像中標(biāo)示出目標(biāo)物，機(jī)械手臂就能自動(dòng)實(shí)施抓?。辉诼?lián)動(dòng)操作模式中，操作者能對(duì)機(jī)械手臂進(jìn)行“整體”的聯(lián)動(dòng)控制，控制機(jī)械手臂手爪的各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，從而能很方便地抓取目標(biāo)物?！　”緯U述了半智能排爆機(jī)器人控制系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)的基本組成，重點(diǎn)介紹了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制模型的實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人車載PC／104計(jì)算機(jī)中的運(yùn)動(dòng)控制模型主要完成機(jī)器人軟硬件的初始化功能、主控制機(jī)與目標(biāo)機(jī)的通信功能及各機(jī)械臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制。采用Ziegler-Nichols方法，整定增益參數(shù)，并綜合利用多種PID控制技術(shù)，從而設(shè)計(jì)出一種具有專家特性的PID控制器，機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)且無(wú)靜態(tài)誤差，系統(tǒng)具有很好的魯棒性和實(shí)時(shí)性。另外，本書簡(jiǎn)要介紹了機(jī)器人的組成和機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹了用幾何解法實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解的方法，并提出了一種解析的運(yùn)動(dòng)學(xué)描述，基于該解析的運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)化模型實(shí)現(xiàn)了該機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)的遙操作系統(tǒng)。除此之外，還介紹了機(jī)器人車載PC／104與數(shù)據(jù)采集卡ADT7652等硬件的性能和配置，以及直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程。

內(nèi)容概要

　　 本書以作者所作博士后研究工作報(bào)告為背景,以排爆機(jī)器人機(jī)械臂單關(guān)節(jié)遙控操作、聯(lián)動(dòng)遙控操作、機(jī)械手一次自動(dòng)到位遙控操作3種工作模式為中心,進(jìn)行了深入的研究與開發(fā)。在特殊約束條件下，解決了5自由度機(jī)器手逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解困難的問題。應(yīng)用“雙目立體視覺”技術(shù)，解決了爆炸物目標(biāo)測(cè)距的問題。運(yùn)用觀測(cè)圖像，實(shí)現(xiàn)了排爆機(jī)器人手爪柔性控制策略，保障了抓取爆炸物的安全，研制出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的排爆機(jī)器人。

書籍目錄

第1章  排爆機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)　1.1  排爆機(jī)器人研究現(xiàn)狀　　1.1.1  國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀　　1.1.2  排爆機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)　　1.1.3  排爆機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)　1.2  計(jì)算機(jī)立體視覺的研究現(xiàn)狀　　1.2.1  雙目立體視覺的研究?jī)?nèi)容　　1.2.2  雙目立體視覺研究現(xiàn)狀　　1.2.3  應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的立體視覺系統(tǒng)　1.3  機(jī)器人的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)　1.4  選題背景及主要研究工作　　1.4.1  選題背景　　1.4.2  目前排爆機(jī)器人存在的問題第2章  智能排爆機(jī)器人的系統(tǒng)組成　2.1  智能排爆機(jī)器人總體設(shè)計(jì)原則　2.2  履帶式排爆機(jī)器人移動(dòng)車體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)　2.3  機(jī)械臂　　2.3.1  自由度　　2.3.2  機(jī)械臂結(jié)構(gòu)　2.4  智能排爆機(jī)器人的3種作業(yè)模式　　2.4.1  基于計(jì)算機(jī)視覺的目標(biāo)物遙控操作模式　　2.4.2  機(jī)械臂聯(lián)動(dòng)操作模式　　2.4.3  機(jī)械臂單關(guān)節(jié)操作模式　2.5  智能排爆機(jī)器人系統(tǒng)軟件的功能模塊　　2.5.1  雙目立體視覺子系統(tǒng)　　2.5.2  運(yùn)動(dòng)學(xué)控制遙操作子系統(tǒng)　2.6  智能排爆機(jī)器控制系統(tǒng)　　2.6.1  概述　　2.6.2  現(xiàn)場(chǎng)主控制計(jì)算機(jī)　　2.6.3  無(wú)線傳輸設(shè)備　　2.6.4  嵌入式PC/104計(jì)算機(jī)　　2.6.5  數(shù)據(jù)采集卡　　2.6.6  光電編碼器與直流電機(jī)　　2.6.7  H橋式直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路　2.7  本章小結(jié)第3章  視頻圖像捕獲及圖像預(yù)處理　3.1  視頻圖像處理方法　　3.1.1  圖像捕獲硬件系統(tǒng)的選型與設(shè)計(jì)　　3.1.2  視頻圖像捕獲的軟件實(shí)現(xiàn)　3.2  圖像預(yù)處理方法研究　　3.2.1  圖像噪聲的分類　　3.2.2  圖像濾波去噪聲算法的研究　3.3  基于特定選點(diǎn)的自適應(yīng)窗口的中值濾波算法　　3.3.1  去噪聲算法基本思想　　3.3.2  去噪聲算法的實(shí)現(xiàn)步驟　　3.3.3  實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析　3.4  本章小結(jié)第4章  雙目立體視覺系統(tǒng)的標(biāo)定　4.1  雙目立體視覺系統(tǒng)的透視變換與攝像機(jī)模型　　4.1.1  標(biāo)定中的各種坐標(biāo)系　　4.1.2  雙目立體視覺系統(tǒng)各坐標(biāo)系的變換　　4.1.3  攝像機(jī)的標(biāo)定參數(shù)　　4.1.4  攝像機(jī)鏡頭的畸變　4.2  攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定方法　　4.2.1  傳統(tǒng)的攝像機(jī)標(biāo)定方法　　4.2.2  攝像機(jī)自標(biāo)定方法　　4.2.3  基于主動(dòng)視覺的標(biāo)定方法　　4.2.4  其他的一些標(biāo)定方法　4.3  一種內(nèi)外參數(shù)分離的標(biāo)定方法　　4.3.1  攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定　　4.3.2  攝像機(jī)外參數(shù)標(biāo)定　　4.3.3  攝像機(jī)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果　4.4  本章小結(jié)第5章  雙目系統(tǒng)立體匹配與三維坐標(biāo)的計(jì)算　5.1  雙目立體系統(tǒng)匹配的基本問題　　5.1.1  匹配基元的選擇　　5.1.2  匹配準(zhǔn)則　　5.1.3  雙目系統(tǒng)立體匹配的算法結(jié)構(gòu)　5.2  雙目系統(tǒng)立體匹配算法　　5.2.1  常用立體匹配算法　　5.2.2  雙目系統(tǒng)立體匹配在理論和技術(shù)上存在的問題　　5.2.3  雙目立體系統(tǒng)區(qū)域相關(guān)匹配算法　5.3  視覺系統(tǒng)控制點(diǎn)修正的金字塔雙層動(dòng)態(tài)規(guī)劃立體匹配算法　　5.3.1  控制點(diǎn)修正的動(dòng)態(tài)規(guī)劃立體匹配算法　　5.3.2  控制點(diǎn)修正的金字塔雙層動(dòng)態(tài)規(guī)劃立體匹配算法　　5.3.3  實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析　5.4  雙目立體視覺三維坐標(biāo)的深度計(jì)算　　5.4.1  三維坐標(biāo)的數(shù)值計(jì)算　　5.4.2  雙目立體視覺系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果　5.5  本章小結(jié)第6章  排爆機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析第7章  排爆機(jī)器人的伺服控制系統(tǒng)第8章  排爆機(jī)器人遙操作控制流程及誤差分析第9章  搖桿控制第10章  供電與輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)附件一  排爆機(jī)器人開發(fā)軟件參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第2章 智能排爆機(jī)器人的系統(tǒng)組成　　目前國(guó)內(nèi)外比較流行的排爆機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)自由度的控制和操作大多由控制面板上的單個(gè)按鍵開關(guān)進(jìn)行操作，操作很不方便。機(jī)械手臂要到達(dá)爆炸物的確定位置，必須由經(jīng)過專門訓(xùn)練的操作人員根據(jù)排爆現(xiàn)場(chǎng)的狀況，判斷需要機(jī)械手臂執(zhí)行的動(dòng)作，手工操縱多個(gè)開關(guān)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)過程，運(yùn)動(dòng)速度的快慢和連續(xù)性靠操作人員的熟練程度決定，大大降低了工作效率?！　∪悄芸刂票仨毥⒃谀繕?biāo)位置、速度、力矩的實(shí)時(shí)反饋基礎(chǔ)之上。顯然對(duì)于排爆機(jī)器人必須工作在開放式結(jié)構(gòu)的條件下，是難以實(shí)現(xiàn)的。若硬性規(guī)定幾種作業(yè)模式，則排爆機(jī)器人必然操作技能有限?！　♂槍?duì)目前排爆機(jī)器人手動(dòng)遙控方式與全智能控制方式的不足和廣東省公安廳提出的排爆機(jī)器人技術(shù)指標(biāo)，研究開發(fā)了排爆機(jī)器人。MRC-5系列樣機(jī)，該樣機(jī)在抓取可疑爆炸物時(shí)除了人工遙控操作外，還增加了雙目視覺系統(tǒng)，利用雙目立體視覺原理，計(jì)算機(jī)器人的手爪與可疑爆炸物之間的相對(duì)位置坐標(biāo)，由機(jī)器人的控制系統(tǒng)自動(dòng)控制手臂靠近并抓取可疑爆炸物?！　?.1 智能排爆機(jī)器人總體設(shè)計(jì)原則　　依據(jù)廣東省公安廳對(duì)排爆機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)，在充分研究國(guó)外排爆機(jī)器人功能的基礎(chǔ)上，分析其結(jié)構(gòu)和技術(shù)上的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)國(guó)外產(chǎn)品基本功能的前提下，盡可能增加一些實(shí)用功能要點(diǎn)如下：　?。?）國(guó)外產(chǎn)品具備的基本功能有：行走、轉(zhuǎn)彎功能，現(xiàn)場(chǎng)攝像并傳輸至操縱臺(tái)，在監(jiān)視器上重現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)二維圖像，通過遙控實(shí)現(xiàn)機(jī)器人抓放，搬運(yùn)可疑爆炸物，利用遙控使激光瞄準(zhǔn)器對(duì)準(zhǔn)可疑物，機(jī)械臂上安裝有霰彈槍、水炮等?！　。?）新樣機(jī)在抓取可疑爆炸物時(shí)除了手工遙控操作外，將增加機(jī)器人的雙目立體視覺系統(tǒng)，通過圖像處理、模式識(shí)別等辦法，確定機(jī)器人基座與可疑爆炸物之間相對(duì)位置的三維坐標(biāo)，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)正、逆問題的求解，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)控制手臂靠近并抓取可疑物，完成遙控操作，一次到位的任務(wù)?！　。?）新樣機(jī)的控制系統(tǒng)不再采用原來(lái)機(jī)器人所采用的PLC控制方式，而是在基于嵌入式工控機(jī)的基礎(chǔ)上，采用Windows Embedded CE6.0軟件平臺(tái)，使系統(tǒng)的運(yùn)算速度加快，可達(dá)微秒級(jí)，為后續(xù)階段的全自動(dòng)控制研究打下基礎(chǔ)，即實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的智能化和網(wǎng)絡(luò)化功能?！　。?）新樣機(jī)將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更換排爆工具功能。國(guó)外產(chǎn)品更換工具時(shí)必須返回操作后方，通過人工方式更換，效率低。排爆耗時(shí)的長(zhǎng)短是決定任務(wù)成敗的關(guān)鍵，現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)更換工具功能是在操作員的指令下，機(jī)器人在排爆現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)更換排爆工具。　　……

編輯推薦

　　《排爆機(jī)器人的研究與開發(fā)》既可供從事機(jī)器人、圖像處理、兵器工業(yè)、自動(dòng)化等相關(guān)工作的技術(shù)人員閱讀，也可作為大專院校電氣工程、機(jī)電一體化、儀器儀表、計(jì)算機(jī)等專業(yè)人士的參考書。

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