面向微操作的微小型機(jī)器人視覺(jué)伺服技術(shù)研究.pdf

1、面向微操作的微小型機(jī)器人作為典型的微機(jī)電系統(tǒng)，具有體積小、運(yùn)動(dòng)靈活、能夠進(jìn)入一般機(jī)械系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)入的狹窄作業(yè)空間進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)等特點(diǎn)而在微操作領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，已成為國(guó)內(nèi)外諸多公司、研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，其發(fā)展目標(biāo)是構(gòu)建以微小型機(jī)器人為基礎(chǔ)的自動(dòng)化微裝配作業(yè)桌面工廠。在國(guó)家“863”計(jì)劃MEMS重大專項(xiàng)資助和大量調(diào)研工作的基礎(chǔ)上，本文以為面向微操作的微小型機(jī)器人設(shè)計(jì)智能化的實(shí)時(shí)視覺(jué)伺服系統(tǒng)為主線、以利用視覺(jué)來(lái)指導(dǎo)微小型機(jī)

2、器人自主進(jìn)行微操作作業(yè)為目的，展開(kāi)課題研究。
　　在分析典型微操作系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上，建立了基于微小型機(jī)器人的微操作系統(tǒng)。首先分析了微操作系統(tǒng)的各個(gè)硬件組成部分，包括宏／微雙重驅(qū)動(dòng)微小機(jī)器人及外部全局—顯微形式的兩級(jí)視覺(jué)傳感器系統(tǒng)與一維微力覺(jué)傳感器系統(tǒng)。然后對(duì)微操作系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)要描述。
　　全局視覺(jué)系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間、實(shí)時(shí)提取機(jī)器人位姿參數(shù)并引導(dǎo)機(jī)器人在微操作系統(tǒng)工作平臺(tái)上進(jìn)行快速、大范圍運(yùn)動(dòng)。針對(duì)微小型機(jī)器人的

3、全局視覺(jué)伺服控制問(wèn)題，提出了基于標(biāo)記的機(jī)器人位姿參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量方法；設(shè)計(jì)了基于圖像的動(dòng)態(tài)Look-and-Move形式的全局視覺(jué)伺服控制器和基于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的微夾持器末端搜索策略來(lái)引導(dǎo)機(jī)器人快速地運(yùn)動(dòng)到微操作區(qū)域附近并使其微夾持器末端準(zhǔn)確地進(jìn)入光學(xué)顯微鏡的視場(chǎng)范圍，為進(jìn)一步利用更高測(cè)量分辨力的顯微視覺(jué)信息來(lái)指導(dǎo)機(jī)器人完成微操作任務(wù)做好準(zhǔn)備。
　　顯微視覺(jué)系統(tǒng)的主要作用是分析微操作場(chǎng)景圖像后測(cè)量微操作工具和微操作對(duì)象的相對(duì)位置關(guān)系，進(jìn)而控

4、制微操作工具向操作目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。自動(dòng)聚焦、顯微圖像分割、顯微圖像跟蹤和顯微圖像伺服是實(shí)現(xiàn)這一目的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聚焦，構(gòu)造了基于SUSAN算子的圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)，設(shè)計(jì)了爬山搜索—聚焦曲線拉格朗日擬合定位的新型圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)最大化搜索策略以實(shí)現(xiàn)快速聚焦的目的；在顯微圖像分割方面，設(shè)計(jì)了Canny邊緣檢測(cè)與Hough變換結(jié)合的提取顯微目標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)的處理方法，并對(duì)Hough變換存在計(jì)算量大、精度低的缺陷進(jìn)行了有效改進(jìn)；針對(duì)微操作工具

5、的實(shí)時(shí)顯微圖像跟蹤問(wèn)題，利用歸一化自相關(guān)匹配算法構(gòu)造圖像跟蹤器，并設(shè)計(jì)手眼協(xié)調(diào)和模板切分亞采樣策略來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤機(jī)器人夾持器末端、實(shí)時(shí)獲取其位置參數(shù)的目的；在微小型機(jī)器人的顯微視覺(jué)控制方面，從動(dòng)態(tài)的角度出發(fā)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人微運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的測(cè)量，設(shè)計(jì)了有限狀態(tài)機(jī)形式的2D顯微視覺(jué)控制器來(lái)引導(dǎo)微夾持器末端向操作目標(biāo)運(yùn)動(dòng)和基于Depth-From-Focus原理的機(jī)器人微夾持器末端深度方向控制策略。
　　最后，從實(shí)時(shí)視覺(jué)伺服系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)角度，設(shè)計(jì)