基于ROS的四轴机械臂运动控制与视觉定位的研究

发布时间：2020-05-04 21:37

【摘要】：近三十年来,机器人技术得到了飞速的发展,广泛的应用于社会的各个领域,特别是在一些人工不好操作的特殊环境中,机器人更是发挥了巨大的作用。在核电领域,核电站的日常检修和定期大修的操作过程中一些工具和异物难免会落入特殊区域,这时候就需要机械臂去完成这些异物的打捞夹取工作。传统上采用的多是人工遥控夹取的方法,整个操作过程花费时间长、效率低、准确度低,在智能化程度上有所欠缺。随着人工智能、机器视觉的发展,对特殊环境中的异物打捞机器人的升级换代是必不可少的,因此针对于机械臂在准确度、智能化控制方面的研究是十分必要且具有重要意义的。对于一个实物机械臂来说,实现其智能化控制是一件不容易实现的事。针对这个问题,本文考虑先进行虚拟仿真,并提出要采用在同一仿真平台下进行机械臂仿真和视觉定位研究的方法,优势在于同一平台下的数据可以更高效快速的进行交换处理,不需要考虑跨平台间的兼容性问题,这是实现智能化控制的重要的基础。综合考虑适用性等各方面因素,最终本文在仿真平台的选择上选用当下比较流行的ROS(Robot Operation System)平台,并开展了以下的研究工作:对本实验室自主研发的四轴机械臂的运动学特性展开研究,通过对四轴机械臂进行结构分析及简化,采用D-H法对简化后的模型进行建模分析,建立坐标系并以D-H参数来表征机械臂,推导其正向运动学和逆运动学的求解并进行验证。在ROS中搭建仿真平台,将Solidworks中的模型转化为URDF(统一机器人描述格式)文件,通过Rviz可视化工具对文件进行处理并显示,通过MoveIt!工具包对处理后的文件进行运动学分析及相关配置文件的构建,将模型文件转换为可以调用并进行路径规划的文件包。在ROS中对四轴机械臂进行虚拟仿真实验,进行路径规划和控制的研究。在ROS平台对机械臂定位进行一些探索,在视觉定位方面选用微软的Kinect传感器,并提出一种在ROS中利用Kinect来实现目标定位的方法。建立Kinect和ROS的连接,对Kinect在ROS平台中的标定进行探索研究,来实现Kinect内外参数的标定,获取目标物体的定位信息。
【图文】：

战略上已经从“起步”、“适度发展”阶段，迈如图 1.1 所示。但是核电站在提供清洁、高效能源的同时后的隐患，核电站的安全问题也已经是全球关注的焦点[、美国的三里岛、日本的福岛等核电站爆发的事故已经给麻烦，甚至影响到全世界的安全，核电站里的应用机器人的一道全球性的难题[3]。备布局庞大、设备繁多，在运行过程中设备本身乃至运行并且大部分关键设备都处在水下高温高压的环境中。在这能长期作业，，就需要利用机器人来完成维修设备、转移等任务[4]。甚至在发生紧急事故时，机器人也可以做到作，从而维护核电站的稳定运营，减少了工作人员受到辐

图 1.2 反应堆水池Figure1.2 Reactor pool核电站内反应堆中带有放射性的水池的面积比较大并且也未曾设置十分有效的防异物掉落设计[6]（如图 1.2 所示），在核电站检修期间尤其是在大修期间参与维护的人员众多，多数操作为多工种交叉操作，因此异物不慎掉入辐射水池的事情难免会出现[7]。当出现异物掉落进反应堆最下面的情况时，常见的打捞工具基本上是不起作用的。这时候就通常需要从水池中装吊出堆芯组件以便对水池进行完全的检查和杂物捞取操作[6]。这种情况往往会影响到大修的进度，使得关键节点不能按时完成。造成的经济损失只是一小方面，更重要的是，整个操作过程都蕴含着极大的风险，稍有疏忽，就可能会对工作人员的健康产生极大的威胁
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM623;TP242

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本文编号：2649029