推荐星级：
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
视觉伺服抓取系统及其数字孪生系统研究
资料介绍
针对智能制造生产线中的机器人抓取需求,设计了视觉伺服抓取系统;以视觉伺服控制系统为基础,设计并构建了视觉伺服数字孪生系统,实现了数字模型与物理模型的信息同步、互操作以及数字模型对物理模型状态的预测。对于目标物体的不同运动情况制定了3种目标运动状态预测方案,通过数字孪生系统对抓取实验的模拟结果确定使用不同方案的条件,为物理实体的抓取提供最优方案。以NAO机器人为实验平台实现了系统的抓取任务,通过实验验证了方案的有效性。
部分文件列表
| 文件名 | 大小 |
| 视觉伺服抓取系统及其数字孪生系统研究.pdf | 2M |
部分页面预览
（完整内容请下载后查看）计算机集成制造系统
第
卷
２５
计算机集成制造系统
第
卷第
期
６
２５
Ｖｏｌ．２５Ｎｏ．６
Ｊｕｎｅ２０１９
ꢀꢀꢀꢀ
年
月
２０１９
ꢀꢀꢀ
６
Ｃｏｍ ｕｔｅｒＩｎｔｅｒａｔｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎ Ｓｓｔｅｍｓ
ꢀ ꢀ
ｐ ｇ ｇ ｙ
ꢀ
ꢀ
：
／
ＤＯＩ１０．１３１９６ ．ｃｉｍｓ．２０１９．０６．０２０
ｊ
视觉伺服抓取系统及其数字孪生系统研究
，
吴迎年 杨
弃
ꢀ
（ ，
北京信息科技大学 自动化学院 北京
）
１００１９２
ꢀ
： ， ；
要 针对智能制造生产线中的机器人抓取需求 设计了视觉伺服抓取系统 以视觉伺服控制系统为基础
，
摘
ꢀ
， 、
设计并构建了视觉伺服数字孪生系统 实现了数字模型与物理模型的信息同步 互操作以及数字模型对物理模型
。 ，
状态的预测 对于目标物体的不同运动情况制定了 种目标运动状态预测方案 通过数字孪生系统对抓取实验的
３
，
模拟结果确定使用不同方案的条件 为物理实体的抓取提供最优方案
。
以
机器人为实验平台实现了系统的
ＮＡＯ
，
抓取任务 通过实验验证了方案的有效性
。
：
；
；
；
关键词 视觉伺服抓取系统 数字孪生 信息物理系统
ＮＡＯ
机器人
：
：
Ａ
中图分类号
文献标识码
ＴＰ２４２．６
ꢀꢀꢀ
Ｖｉｓｕａｌｓｅｒｖｏ ｒａｂｓｓｔｅｍａｎｄｉｔｓｄｉｉｔａｌｔｗｉｎｓｓｔｅｍ
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ
ｙ
ꢀ
ꢀ
ｇ
ｙ
ｇ
，
ＷＵＹｉｎ ｎｉａｎ ＹＡＮＧＱｉ
ꢀ
ꢀ
ｇ
（
，
，
ｊ ｇ
ꢀ
，
）
ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｂｅｉｉｎ ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ Ｂｅｉｉｎ １００１９２ Ｃｈｉｎａ
ꢀ ꢀ
ｊ ｇ
ꢀ
ꢀ
ｇｙ
ｙ
ꢀ
ꢀ
：
，
ＡｂｓｔｒａｃｔＡｉｍｉｎ ａｔｔｈｅ ｒａｓｉｎ ｄｅｍａｎｄｏｆｉｎｔｅｌｌｉｅｎｔｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎ ｌｉｎｅ ｔｈｅｖｉｓｕａｌｓｅｒｖｏ ｒａｂｂｉｎ ｓｓｔｅｍ ｗａｓｄｅ
ꢀꢀ ꢀｇ ꢀ ꢀ －
ｇ ꢀ ꢀｇ ｐ ｇ ｇ ｙ
ｇ
ꢀ
ｇ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
，
（
）
ｓｉｎｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｖｉｓｕａｌｓｅｒｖｏｃｏｎｔｒｏｌｓｓｔｅｍ ａｖｉｓｕａｌｓｅｒｖｏＤｉｉｔａｌＴｗｉｎ ＤＴ ｓｓｔｅｍｗａｓｄｅｓｉｎｅｄ．Ｔｈｅｉｎｆｏｒ
ꢀ ꢀ ꢀｙ ꢀ ｇ －
ｙ
ｇ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｇ
ꢀ
ｍａｔｉｏｎｓｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎａｎｄｉｎｔｅｒｏｅｒａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｄｉｉｔａｌｍｏｄｅｌａｎｄ ｈｓｉｃａｌｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅ ｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅ ｈｓｉ
ꢀｙ ꢀ ꢀ ｇ ꢀ ꢀ ꢀｐｙ ꢀ ꢀ ꢀｐ ꢀ ꢀ ꢀｐｙ －
ꢀ
ꢀ
ｐ
ꢀ
ｃａｌｍｏｄｅｌｓｔａｔｅｂ ｄｉｉｔａｌｍｏｄｅｌｗｅｒｅｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｒｅｅｔａｒｅｔｍｏｔｉｏｎｓｔａｔｅ ｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｓｗｅｒｅｄｅｖｅｌｏｅｄｆｏｒｄｉｆ
ꢀｙ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ｇ ꢀ ꢀ ꢀｐ ꢀ ꢀ －
ｐ ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｇ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｆｅｒｅｎｔｍｏｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｔａｒｅｔｏｂｅｃｔ．Ｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｕｓｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｃｈｅｍｅｓｗｅｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂ ｔｈｅｓｉｍ
ꢀ ꢀ ꢀ ｇ ꢀ ｊ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀｙ ꢀ －
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｇ
ꢀ
ｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆ ｒａｓｉｎ ｅｘｅｒｉｍｅｎｔｓｗｉｔｈＤＴｓｓｔｅｍ．ＴｈｅＮＡＯｒｏｂｏｔｗａｓｕｓｅｄａｓｔｈｅｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｌａｔｆｏｒｍｔｏ
ꢀ ꢀｇ ｐ ｇ ꢀ ꢀｙ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ｐ ꢀｐ
ꢀ
ｐ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
，
ｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｓｓｔｅｍｓ ｒａｓｉｎ ｔａｓｋ ａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｔｈｅｓｃｈｅｍｅｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂ ｅｘｅｒｉｍｅｎｔｓ．
ꢀｙ ꢀｇ ｐ ｇ ꢀ ꢀ ꢀｙ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｐ
ꢀ
ꢀ
： ； ； ；
Ｋｅｗｏｒｄｓｖｉｓｕａｌｓｅｒｖｏ ｒａｂｓｓｔｅｍ ｄｉｉｔａｌｔｗｉｎ ｃｂｅｒ ｈｓｉｃａｌｓｓｔｅｍ ＮＡＯｒｏｂｏｔ
ꢀｙ
ꢀ
ꢀｇ ꢀｙ
ｇ
ꢀ
ｙ
－
ｐｙ
ꢀ
ｙ
，
外观的反映 还可以模仿和预测给定物理
一个
３Ｄ
引言
０
ꢀ
、
系统的行 为 及 其 与 其 他 组 件 环 境 和 操 作 人 员 的
。
（
，
）
Ｃ ｂｅｒＰｈｓｉｃａｌＳｓｔｅｍｓ ＣＰＳ
ꢀｙ
关系
信息物理系统
ｙ
－
ｙ
［］
２
，
陶飞等 提出了数字孪生的五维结构模型 并
，
是美国科学家针对复杂的航空系统提出的概念 通
、 、 ，
过集成先进的感知 计算 控制等信息 以及控制技
，
进一步提出数字孪生驱动的 条应用准则 探索了
６
［］
３
。
等
Ｇｕｏ
， ，
术 实现物理空间与虚拟空间的映射和交互 实现系
数字孪生驱动的
类应用设想
提出一
１４
［］
１
。
统内资源的合理分配和对需求的快速相应
数字
种模块化的方法构建数字双胞胎 模型 用 于工 厂 设
［］
４
；
的关键技术 其目的是
。
，
提出一种基于仿真的方法 将数学
孪生技术被认为是实现
计
等
Ｚｈａｎ
ｇ
ＣＰＳ
，
构建与物理实体相对应的虚拟模型 且模型不仅是
，
算法和启发式方法相结合 平衡运营性能和规划成
：
；
：
修订日期
２０１９０４２２ Ｒｅｃｅｉｖｅｄ２１Ｊａｎ．２０１９ａｃｃｅｔｅｄ２２Ａ ｒ．２０１９．
。
；
收稿日期
２０１９０１２１
－ －
－
－
ꢀ
ｐ
ꢀ
ｐ
： “
基金项目 促进高校内涵发展 信息
”
（
）；
（ ）；
北京信息科技大学重点研究培育资助项目 北京信息科技大学
５２２１８２３３０７
资助项目
＋
５１１１８２３３１１
）。 ：
２０１９ＪＧＺＤ０２ ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｉｔｅｍｓＰｒｏｅｃｔｓｕ ｏｒｔｅｄｂ ｔｈｅＰｒｏｍｏｔｉｎ ｔｈｅＣｏｎｎｏｔａｔｉｏｎＤｅｖｅｌｏ ｍｅｎｔｏｆ
ꢀ ｊ ꢀ ｐｐ ꢀｙ ꢀ ｇ ꢀ ꢀ ｐ ꢀ
ꢀ ꢀ
（
年教改重点资助项目
２０１９
“
”
，
（
），
，
ＣｏｌｌｅｅｓａｎｄＵｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ＋ Ｐｒｏｒａｍ Ｃｈｉｎａ Ｎｏ ．５１１１８２３３１１ ｔｈｅＢＩＳＴＵ Ｋｅ ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＣｕｌｔｉｖａｔｉｏｎＰｒｏｒａｍ
ｇ ꢀ ꢀ ｇ ꢀ ꢀ ｙ ꢀ ꢀ ꢀ ｇ
ꢀ
（
），
，
Ｃｈｉｎａ Ｎｏ ．５２２１８２３３０７ ａｎｄｔｈｅＢｅｉｉｎ ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ Ｔｅａｃｈｉｎ Ｒｅｆｏｒｍ Ｋｅ Ｆｕｎｄｉｎ Ｐｒｏｅｃｔ
ｊ
ꢀ
ꢀ
ｊ ｇ ｇｙ ꢀ ｙ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｙ
ｇ
ｇ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
（ ）
Ｃｈｉｎａ Ｎｏ．２０１９ＪＧＺＤ０２ ．
：
吴迎年 等 视觉伺服抓取系统及其数字孪生系统研究
１５２９
第
期
６
［］
５
。
Ｚｈａｏ
，
膊 为 例 分 别 为
，
ＬＳｈｏｕｌｄｅｒＲｏｌｌ ＬＳｈｏｕｌｄｅｒＰｉｔｃｈ
，
本
提出了 面向车 间多 级 体系 的工业机 器
，
人制造能力评估方法 并构建了人机协作的拆卸系
，
，
。
根 据
ＬＥｌｂｏｗＹａｗ ＬＥｌｂｏｗＲｏｌｌ ＬｗｒｉｓｔＹａｗ
Ｄ Ｈ
－
［］
６
。
，
（
）、（
方法 每个连杆由 个参数 关节扭转角度 连
ａ
统及其数字孪生系统验证了该方法
等
提
Ａｌａｍ
４
α
）、 （
杆长度 关 节平 移量
ｄ
）、（ ，
关节转角 描述
Ｄ Ｈ
）
出一种基于云计算的
数字双体系结构参考模
ＣＰＳ
θ
－
［］
７
［ ］
１７
。
。
型
等
提出了在大规模个性化范式下并行
参数和各关节范围列于表
中
１
Ｌｅｎ
ｇ
。
控制制造系统的数字孪生模型
表
机器人手臂
参数
ＤＨ
１
ꢀ
，
在智能制造生产线中 机器执行了大部分简单
／（）
°
／
ａ ｍｍ
ꢀ
ｉ
／
ｄ ｍｍ
ｉ
／（）
关节范围
°
关节
θ
ｉ
α
ｉ
， ，
的操作 但是仍需人工进行一些复杂的操作 于是为
，
－１２０１２０
１
０
ꢀ
０
ꢀ
０
θ
１
， ，
了提高智能性 需要机器与人协作 如机械手帮人传
，
０９５
２
－９０
２０
ꢀ
０
ꢀ
θ
２
ꢀ
。
递工件 其中工件的抓取就需要视觉伺服控制系统
，
－９００
３
－９０
０
ꢀ
１０５
５５．９５
０
θ
３
ꢀ
。
帮助机械臂完成抓取
视觉伺服控制是融合了机器视觉与机器人运动
，
－１２０１２０
４
９０
ꢀ
０
ꢀ
θ
４
，
－１０５１０５
５
－９０
０
ꢀ
θ
５
ꢀ
。 ，
学的一项技术 本文以视觉伺服控制系统为基础 结
，
００
６
０
０
０
θ
６
，
合数字孪生的定义和特性 构建了视觉伺服抓取系统
。
的数字孪生系统 通过
传感器与机器人上的
Ｋｉｎｅｃｔ
本文在
中对机器人手臂进行了建模
ＭＡＴＬＡＢ
，
舵机转角传感器获取数据 并传输给数字孪生系统
，
，
与仿真 如图 所示
１
。
，
实现数字模型与物理世界的同步与互操作 定义了机
、 ，
器人数字模型的质量 材质等物理特性 使其可以对
。 ，
现实环境下的操作有更真实的反映 同时 使用
Ｃ
＃
，
语言编写了数字孪生系统的人机交互界面 通过该界
面可实时查看传感器获得的数据和机器人的数字模
； ；
型 通过输入参数控制机器人实体运动 通过设定目
；
标物体参数对机器人抓取过程进行模拟 通过对比不
，
同抓取策略的抓取结果 确定使用何种抓取策略
。
下
面从视觉伺服控制系统和其数字孪生系统两方面进
［
］
８１５
。
－
，
行介绍 并对实验结果进行分析
视觉伺服控制系统设计
１
ꢀ
、
机器人视觉伺服控制在工业 娱乐等领域都有
，
在视觉伺服控制系统中 需要通过机器人末端
。
良好的应用前景 本文以
，
机器人为平台 设
ＮＡＯ
，
执行器位姿获得各关节角度 进而控制机械臂完成
；
计了视觉伺服控制系统 本章从机器人运动学模型
、
［
］
１８
。
，
抓取 因此需要对机械臂求得运动学逆解
。
视觉伺服控制系统结构和相关方法进行介绍
，
给定手爪的位姿 一组广义坐标
（ ， ， ）
与欧
ｚ
ｘ
ｙ
机器人运动学模型
１．１
ꢀ
（，，），
ｎｏａ
，
，
。
根据表
ｚ＝ｚ
ｙ ｐ
拉角
令
可
１
ｘ＝ｘ
ｐ
＝
ｐ
ｙ
机器人运动学模型就是要把机器人的空间位移
：
得到各关节间的齐次变换矩阵
，
解析表达为与时间相关的函数 特别是通过解析函
数得到机器人末端执行器的空间位姿与各关节角度
ｃ
１
熿
ｓ
－
１
０ ０
燄
ｓ
１
ｃ
１
０ ０
０
。
间的关系
和
Ｄｅｎａｖｉｔ Ｈａｒｔｅｎｂｅｒ
在
年提出
１９５５
，
ｇ
Ｔ
＝
１
０
ꢀ
０
１ ０
ꢀ ꢀ
（
一种通用的方法 称为
），
方法 这种方法在机器
Ｄ Ｈ
－
０
０
０ １
燀
燅
，
人的每个连杆上都固定一个坐标系 然后用
的
４×４
ｃ
２
ｓ
－
２
０ ０．０１５
ꢀ
熿
燄
。
齐次变换矩阵来描述相邻两连杆的空间关系 通过
０
０
１
ꢀ
０
０
１
ꢀ
ꢀ
１
ꢀ
Ｔ
依次变换可最终推导出末端执行器相对于基坐标系
，
＝
２
ｓ
－
２
ｃ
－
２
０
，
的位姿 从而建立机器人的运动学方程
。
０
ꢀ
０ ０
ꢀ ꢀ
燀
燅
，
由于 机器人胳膊只有 个关节 以左胳
５
ＮＡＯ
全部评论(0)