基于ROS的移动服务机器人进门过程关键技术研究

发布时间：2017-10-26 06:20

  本文关键词：基于ROS的移动服务机器人进门过程关键技术研究

  更多相关文章： 移动服务机器人 进门 运动学分析 物体识别 ROS

【摘要】：在非结构化的家庭环境或者办公环境中提供服务的移动操作机器人,必须具有自主进门的功能。进门功能可以使机器人扩大工作区域,具有重要的研究意义。本文基于ROS(Robot Operating System),针对旋转门和侧拉门两种典型的门和门把手,对机器人开门和进门过程中的关键技术进行研究。本文首先在移动机器人样机上搭建了hydro版本的ROS,基于ROS功能包实现移动机器人样机的SLAM(Simultaneous Localization And Mapping)和自主导航功能。研究机器人差速移动平台的位移控制,对其进行运动学建模和位移控制分析,并且通过进门操作仿真验证控制的正确性。对7自由度冗余机械臂进行运动学分析,确定连杆坐标系布局和D-H参数表。根据各个连杆的齐次变换矩阵,获得机械臂正运动学。新定义一个elbow坐标系来求解机械臂逆运动学,并对求解方法进行验证。针对开旋转门,建立机械臂和移动平台同步控制方法,并且确定同步控制过程中各个坐标系之间的关系。在两种类型的门把手旁贴上不同的标签,利用双目立体视觉相机bumblebee2基于SURF(Speeded up robust features)算法检测该标签的类型和位置,确定机器人的开门策略以及门把手的大致位置。控制手爪探测门把手附近区域,结合视觉数据与腕部力/力矩传感器反馈数据,判断门把手精确位置及抓取着力点。基于直线分割、拟合等方法处理激光数据,获取门宽度和打开宽度等信息;基于A*算法规划进门路径。在Gazebo中创建了移动机器人和实验场景的仿真模型,创建并且配置控制相关的功能包,实现SLAM、导航功能和机械臂轨迹控制。设计HTN(Hierarchical Task Network)规划器,规划进门过程中原子任务序列。在综合仿真中,移动机器人运用本文所述识别与同步控制方法,成功完成了对旋转门和侧拉门的打开、通过控制。证明本文所述方法适用于移动服务机器人的进门任务。
【关键词】：移动服务机器人 进门 运动学分析 物体识别 ROS
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242.6
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 课题来源10
• 1.2 课题背景及研究的目的和意义10-12
• 1.3 国内外相关技术发展12-17
• 1.3.1 移动服务机器人研究现状12-13
• 1.3.2 机器人定位和导航研究现状13-14
• 1.3.3 机器人开门操作研究现状14-16
• 1.3.4 机器人仿真系统研究现状16-17
• 1.4 主要研究内容17-18
• 第二章 ROS平台搭建和移动平台运动学分析18-32
• 2.1 引言18
• 2.2 ROS的基本介绍18-20
• 2.2.1 ROS系统的架构19
• 2.2.2 ROS的计算图级19-20
• 2.3 ROS平台搭建20-26
• 2.3.1 机器人SLAM实现21-23
• 2.3.2 机器人导航实现23-26
• 2.4 差速移动平台运动学分析26-31
• 2.4.1 建立运动学模型26-27
• 2.4.2 求解位移正解27-28
• 2.4.3 求解位移逆解28-30
• 2.4.4 仿真验证30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第三章 机械臂运动学和同步运动控制方法32-42
• 3.1 引言32
• 3.2 机械臂正运动学32-35
• 3.3 机械臂逆运动学35-38
• 3.3.1 第四关节角求解36-37
• 3.3.2 前三关节角求解37-38
• 3.3.3 后三关节角求解38
• 3.3.4 机械臂运动学验证38
• 3.4 同步运动控制38-41
• 3.4.1 同步控制策略39-40
• 3.4.2 同步控制坐标系40-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第四章 SURF算法设计和进门相关规划综述42-54
• 4.1 引言42
• 4.2 SURF算法设计42-45
• 4.2.1 SURF算法原理42-43
• 4.2.2 SURF算法程序设计43-44
• 4.2.3 SURF算法功能实现44-45
• 4.3 传感器选用45-48
• 4.3.1 压力传感器选型45-46
• 4.3.2 压力传感器标定46-48
• 4.3.3 六维力/力矩传感器选型48
• 4.4 处理激光数据48-52
• 4.4.1 提取门尺寸信息49-51
• 4.4.2 规划进门路径51-52
• 4.5 进门综述52-53
• 4.6 本章小结53-54
• 第五章 Gazebo下模型构建和进门操作仿真54-68
• 5.1 引言54
• 5.2 Gazebo下模型构建54-59
• 5.2.1 URDF模型构建55-57
• 5.2.2 SDF模型构建57-59
• 5.3 Gazebo下控制实现59-64
• 5.3.2 Gazebo下SLAM和导航实现60-61
• 5.3.3 Gazebo下机械臂运动控制61-63
• 5.3.4 HTN规划器控制63-64
• 5.4 Gazebo下进门操作仿真64-66
• 5.4.1 侧拉门操作仿真64-65
• 5.4.2 旋转门进门操作仿真65-66
• 5.5 本章小结66-68
• 结论68-69
• 参考文献69-74
• 致谢74

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