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视觉伺服抓取系统及其数字孪生系统研究

更新时间：2019-12-31 09:50:37 大小：2M 上传用户：songhuahua查看TA发布的资源 标签：视觉伺服抓取系统 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

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。


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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  

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