基于视觉跟踪的机器人测量方法与实现

为了对自主研发的工业机器人进行校准从而提高其运动精度,提出一种采用双目视觉动态跟踪球面编号靶点的机器人标定方法,利用安装在机器人末端靶球上特征分布的编号标志点进行工作空间内任意位姿的测量,由最小二乘迭代准确辨识出机器人的几何结构参数对控制器进行补偿。利用MFC由开放式、模块化思想编制标定软件,设计视觉测量、数据处理、机器人控制等功能模块,最后通过测量实例和对比实验,验证其可靠性和准确性。实验表明,该软件测量得到的位姿数据具有较高的精度,扩大了传统视觉跟踪的视野范围;同时将识别得到的机器人模型实际几何参数进行反馈补偿,成功地将机器人绝对位置精度由3.785 mm提高到1.618 mm,姿态精度由0.235 提高到0.139。     

面向单向器星轮自动化装配的视觉检测定位

针对传统单向器星轮人工装配效率低下问题,分析了单向器星轮装配过程,构建了基于计算机视觉技术的工业机器人自动化装配方案。首先利用CCD摄像机捕捉星轮表面形貌图像,然后利用Open CV视觉库进行了摄像机标定,再结合图像噪声去除,Hough圆检测,轮廓提取等技术,实现了星轮位姿的非接触式视觉检测。最后以单向器为例验证了该检测方法的有效性,机器人通过视觉获取的星轮位姿信息完成自动化装配。     

Calibration of a multiple axes 3-D laser scanning system consisting of robot, portable laser scanner and turntable

A multiple axes 3-D laser scanning system consisting of a portable 3-D laser scanner, a industrial robot and a turntable is demonstrated. By using a criterion sphere, a robot tool center point (TCP) calibration approach is proposed to calibrate the relation between the laser 3-D scanner and the robot end-effector. In this approach, two different translational motions of robot are first made to determine the rotation part, and then at least three different rotational motions are made to determine the translation part. Meanwhile, by using the criterion sphere, a turntable approach is proposed to calibrate the pose of the turntable relative to the robot. In this approach, several rotational angles of turntable and two different heights of the sphere are made to determine the rotational axis of turntable. Experiment is performed on a portable laser scanner mounted on an industrial robot ABB IRB4400 with a turntable. The experiment results show that the two proposed calibration algorithms are stable and flexible. The application of 3-D measurement is also given to demonstrate the effectiveness and stability of the multiple axes 3-D laser scanning system.     

洁净机器人反应转矩观测与碰撞保护研究

提出一种基于反应转矩观测器的机器人碰撞保护方法。机器人的反应转矩由基于模型的干扰观测器估值得到,模型的建立包括电机系统转矩模型与机器人系统动力学模型两部分。由于洁净机器人特殊的构型及关节耦合关系,机器人的动力学建模被大大简化,同时对简化后的模型采用最小二乘法对惯性参数和摩擦参数进行辨识,提高了模型的精度。根据永磁同步电机的转矩模型与机器人动力学模型,可以得到基于电机电流的机器人关节转矩。机器人与外界环境接触时,关节转矩的增加量即为反应转矩。通过设计反应转矩观测器并采用力/位混合控制结构,实现基于电流的机器人主动柔顺控制功能,并在洁净机器人进行碰撞保护实验,实际运行结果验证了该方法的有效性。     

一种新的三维测量机器人手眼标定方法

为了提高三维测量机器人的手眼标定精度以更好地满足工业需求,提出了一种采用动态改变变异率的自适应差异进化算法进行手眼标定的新方法。首先构建了由线结构光测头和机器人组成的视觉测量系统,利用齐次坐标变换的方法建立了测量系统的数学模型;然后针对数学模型中的手眼关系,使用半径已知的球体,采用定点变位姿的方法,进行粗略的估计,并对手眼关系求解的精度进行分析;最后采用动态改变变异率的自适应差异进化算法对手眼关系做进一步寻优。实验结果表明,算法具有较高的求解精度。该方法用于手眼标定是可行的、有效的,整个标定过程简单,便于实际应用。     

自适应环境的机器人视觉伺服控制方法

机器人和机器视觉的迅速发展,使得基于视觉的智能机器人得到更加广泛的应用。机器视觉提高了机器人控制系统对环境的适应程度,但其适应程度也受到周围环境对机器视觉算法的影响。针对这一情况,本文对机器人视觉伺服控制系统中的机器视觉算法进行了改进,提出了一种基于帧间差分法的自适应环境的机器人视觉伺服控制方法,从而提高了控制系统对环境的自适应程度,提高了对机器人控制的精确度,实验和理论分析证明,该方法具有较大的应用前景和实用价值。     

三维形貌柔性测量系统标定方法及验证

为了避免机器人模型误差对三维形貌柔性测量系统手眼标定的影响,对手眼关系的标定方法进行了研究。提出了一种融合特征点拟合的手眼标定方法。将三维形貌扫描仪安装在工业机器人末端搭建三维形貌柔性测量系统。标定时,首先利用激光跟踪仪对工业机器人末端法兰盘坐标系进行测量,得到两者转换关系;然后,利用三维形貌扫描仪和激光跟踪仪对空间固定的特征点组进行测量,利用特征点约束和基于罗德里格矩阵的算法求解两者转换关系即可间接地求解出手眼关系。基于ATOS三维扫描仪、安川HP20D机器人和API公司生产的激光跟踪仪进行了手眼标定实验,并进行了精度验证。结果表明:标定后的三维形貌柔性测量系统,其重复性测量精度(3σ)不超过0.1 mm,长度测量精度的均方根误差在0.2 mm以内,点云拼接精度优于±0.7 mm。该方法有效避免了传统手眼标定过程中会引入机器人模型误差的问题,在求解手眼关系解时采用了线性的解法,并且适用于三维形貌柔性测量系统。     

基于三线结构光的相机平面标定方法研究

相机标定技术是结构光三维视觉测量的关键技术之一,结构光系统的相机标定的精度对三维测量的精度有很大影响。首先对三线结构光系统图的相机标定方法进行了分析,简单介绍了工业相机成像的几何模型及标定的原理;其次利用Harris角点检测方法提取特征点坐标,并选用了BP神经网络来校正工业相机的畸变模型,以提高标定算法的优化速度和标定精度;最后采用张正友的平面标定法对校正后的摄像机模型进行标定实验,由实验结果知,该方法具有一定的准确性和有效性,在一定误差范围内,基于神经网络畸变校正的张正友相机标定能够有效提高视觉检测的精度。     

基于机器视觉的移动工件抓取和装配的研究

针对工业生产线上某产品上下盖自动装配的问题,运用运动控制理论与机器视觉相结合,搭建了一套模拟工业生产线产品装配系统。首先利用工业相机对进入视场的工件进行单帧图像采集,获取图像数据;然后利用OpenCV对数字图像进行处理,包括中值滤波、阈值分割、孔洞填充、边缘提取来获取数字图像的特征;之后通过质心法结合矩形拟合计算出工件的质心坐标和偏转角度;最后引导六轴机械臂抓取产品的时候能根据图像处理结果进行纠偏和补偿。该系统采用平面棋盘格标定板对工业相机进行了标定,并且在线进行了验证,实验结果表明,工件抓取和装配成功率为100%,满足工业现场的装配精度要求。     

一种机器人手眼关系混合标定方法

针对机器人手眼关系的求解问题,在现有研究方法基础上,将传统方法高精度的优点和主动视觉方法的简单易实现性相结合,提出了一种新的混合求解方法;只需机器人进行两次正交平移运动及分别对标定板成像一次,即可标定手眼旋转矩阵R,再指导机器人移动到标定板原点,即可求解手眼平移矩阵T。以自主研发的平方六轴串联机器人为实验对象,应用所提出方法求解出手眼关系,并用传统方法对所求结果进行分析,证明该方法误差在1 mm以内,不需要求解复杂的传统方程,且准确度高、易实现。     

摄像机标定技术在活塞视觉检测与分选中的应用研究

在机器人视觉检测及自动化分捡中,准确地校正摄像机镜头畸变对获取物体精确图像及确定物体准确位置具有重要意义。采用了带有径向畸变的小孔摄像机模型及基于线段斜率的标定方法。在标定过程中,应用线性算法求解出了镜头的径向畸变系数。实验表明,采用的标定方法简捷有效,其标定结果能够满足研究需要。     

基于积分球反射计的红外光谱发射率测量系统校正方法

针对非理想参考反射标准对光谱发射率测量结果的影响,基于积分球反射计的红外发射率测量系统原理,提出了一种适用于反射法光谱发射率测量系统的校正方法。通过参考反射标准样光谱反射率的数据拟合,得到反射率的曲线方程,计算反射测量系统的校正系数,校正参考标准样的输出电压,推导出光谱反射率为1的参考标准样输出电压曲线,消除了非理想参考标准造成的系统误差。应用该修正方法对基于积分球反射计的太阳能选择吸收涂层光谱发射率测量系统进行了校正,将校正后的光谱发射率测量结果与能量比较法的测量结果进行对比,验证了校正方法的可行性,有效性,提高了光谱发射率测量的准确度。     

Computer modeling of a large-area integrating sphere uniform radiation source for calibration of satellite remote sensors

To meet the pre-launch radiometric calibration requirements of large field of view (FOV) imaging remote sensors, a large-area integrating sphere uniform radiation source (ISURS) based on a 1600 mm diameter internally illuminated integrating sphere with a 620 mm diameter exit port was designed. The software TracePro based on ray-tracing method was applied to computer modeling of the ISURS. It is shown that the angle of internal radiation source from the center of the sphere is an important factor affecting the spatial radiance uniformity at exit port. Taking this factor into account, the model established is able to obtain the important characteristics of the sphere source. With the characteristics obtained, the ISURS was manufactured and its optical parameters were measured. The measurement result of the spatial radiance uniformity of the large-area ISURS was 99.19%. There is a discrepancy of 0.12% between measured and simulated results. It is demonstrated that the method used and the model established can increase the efficiency of designing large-area sphere radiation source.     

电位法测定循环水中的氯离子

利用氯离子选择性电极法测定循环水中氯离子含量。该方法以氯离子选择性电极为指示电极,应用校准曲线直接测定循环水中氯离子浓度。实验考察了SO42-、HCO-3、PBTCA、HEDP、DCCNa等循环水中干扰因素及pH、温度等测定条件对测定的影响。该方法测量精度的相对标准偏差RSD为1.8%(n=8);加标回收率在95.0%—104%之间,平均回收率为99.1%,加标回收率相对标准偏差RSD为4.0%(n=5)。     

“网格式平行线法”在螺纹参数测量中的应用

在计算机视觉理论基础上发展起来的视觉检测(vision inspection)技术具有非接触、速度快、精度适中、可实现在线等优点，已广泛地应用于工业产品的在线检测。在计算机视觉检测技术中CCD摄像机是一个最关键的器件，其参数是否准确决定了检测的精度。所以，摄像机标定是视觉检测技术中最基本的也是最重要的一步。在比较其他标定方法的基础上，为了解决传统标定方法对螺纹图像测量系统所带来的一系列问题，采用了一种新的图像测量系统的标定方法——网格式平行线标定方法，该方法运用了CCD亚像素细分技术及调焦技术，可直接得到纵横2个方向的像素，经过理论分析及实验结果均表明，采用该方法具有标定简单、精度高、重复性好等优点，是一种较好的螺纹图像测量系统标定方法。     

最小二乘支持向量机和内标法的乐果农药含量LIBS检测

利用共线双脉冲激光诱导击穿光谱 (LIBS)对溶液中的乐果含量进行定量检测。采用圆柱形桐木木片对农药乐果进行富集,然后利用双通道高精度光谱仪获取样本在206.28~481.77 nm波段范围的LIBS光谱。选用4条磷元素谱线(P Ⅰ 213.618 nm,P Ⅰ 214.91 nm,P Ⅰ 253.56 nm,P Ⅰ 255.325 nm)为分析线,碳元素谱线(C Ⅰ 247.856 nm)为内标线,应用单变量线性拟合及最小二乘支持向量机(LSSVM)方法分别建立溶液中乐果含量的单变量定标模型、LSSVM定标模型及基于内标法的LSSVM定标模型,并进行比较。三个定标模型中,基于内标法的LSSVM定标模型性能最优,LSSVM定标模型性能次之,而单变量定标模型性能最差。结果表明,共线双脉冲LIBS技术结合LSSVM及内标法可以用于溶液中的乐果含量定量检测,所建立的定标模型的决定系数为0.999 7,训练集和验证集的平均相对误差分别为11.24%及12.01%。LSSVM方法及内标法均能在一定程度上改善定标模型的性能,提高预测精度。     

积分球光源分布温度对宽波段光学遥感器绝对辐射定标的影响及其校正

实测了积分球输出光谱辐亮度分布曲线,并得到积分球光源的分布温度。从理论上分析了积分球光源分布温度影响宽波段光学遥感器绝对辐射定标精度的原因和机理,并仿真计算了包括积分球和太阳在内的几种不同分布温度光源定标某宽波段光学遥感器时得到的定标系数。仿真结果表明,不同分布温度间的定标系数最大差别大于2%。在此基础上提出了积分球光源分布温度影响绝对辐射定标系数的校正方法,为提高宽波段遥感器的辐射定标精度和遥感图像辐射校正提供了思路和依据。     

溯源于低温绝对辐射计的太阳光谱辐照度仪定标方法研究

为了提高太阳直射光谱辐照度的观测精度,对使用棱镜分光的太阳光谱辐照度仪,在可见-近红外波段开展了基于标准探测器的辐射定标方法研究。建立了可调谐激光器-积分球的辐照度定标装置,以溯源于低温绝对辐射计的标准辐照度探测器作为传递基准,通过替代法得到照度仪在可见-近红外10个波段的绝对光谱辐照度响应度,分析得到的合成定标不确定度优于0.95%。与溯源于中国计量院金点黑体的标准灯定标法进行了比对实验,两者的偏差在4.67%的范围内,证明了此辐射标准传递方法的合理性。     

Accuracy evaluation of optical distortion calibration by digital image correlation

Due to its convenience of operation, the camera calibration algorithm, which is based on the plane template, is widely used in image measurement, computer vision and other fields. How to select a suitable distortion model is always a problem to be solved. Therefore, there is an urgent need for an experimental evaluation of the accuracy of camera distortion calibrations. This paper presents an experimental method for evaluating camera distortion calibration accuracy, which is easy to implement, has high precision, and is suitable for a variety of commonly used lens. First, we use the digital image correlation method to calculate the in-plane rigid body displacement field of an image displayed on a liquid crystal display before and after translation, as captured with a camera. Next, we use a calibration board to calibrate the camera to obtain calibration parameters which are used to correct calculation points of the image before and after deformation. The displacement field before and after correction is compared to analyze the distortion calibration results. Experiments were carried out to evaluate the performance of two commonly used industrial camera lenses for four commonly used distortion models.     

大口径积分球光源绝对辐射定标技术研究

为了实现大口径积分球光源高精度绝对辐射定标,研究了基于钨带灯比对的光谱辐射亮度定标方法,通过同心圆扫描分析了空间光谱辐射均匀性定标方法,研制了绝对辐射定标装置,校准了出光口径为Ф300 mm积分球光源的光谱辐射亮度、亮度、色温值,实验验证光谱辐射亮度绝对定标的不确定度优于4%。