面向微操作的微小型機(jī)器人視覺伺服技術(shù)研究.pdf

1、面向微操作的微小型機(jī)器人作為典型的微機(jī)電系統(tǒng)，具有體積小、運(yùn)動靈活、能夠進(jìn)入一般機(jī)械系統(tǒng)無法進(jìn)入的狹窄作業(yè)空間進(jìn)行檢測和維護(hù)等特點(diǎn)而在微操作領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，已成為國內(nèi)外諸多公司、研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)的一個新的研究熱點(diǎn)，其發(fā)展目標(biāo)是構(gòu)建以微小型機(jī)器人為基礎(chǔ)的自動化微裝配作業(yè)桌面工廠。在國家“863”計(jì)劃MEMS重大專項(xiàng)資助和大量調(diào)研工作的基礎(chǔ)上，本文以為面向微操作的微小型機(jī)器人設(shè)計(jì)智能化的實(shí)時(shí)視覺伺服系統(tǒng)為主線、以利用視覺來指導(dǎo)微小型機(jī)

2、器人自主進(jìn)行微操作作業(yè)為目的，展開課題研究。
　　在分析典型微操作系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上，建立了基于微小型機(jī)器人的微操作系統(tǒng)。首先分析了微操作系統(tǒng)的各個硬件組成部分，包括宏／微雙重驅(qū)動微小機(jī)器人及外部全局—顯微形式的兩級視覺傳感器系統(tǒng)與一維微力覺傳感器系統(tǒng)。然后對微操作系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡要描述。
　　全局視覺系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)器人運(yùn)動空間、實(shí)時(shí)提取機(jī)器人位姿參數(shù)并引導(dǎo)機(jī)器人在微操作系統(tǒng)工作平臺上進(jìn)行快速、大范圍運(yùn)動。針對微小型機(jī)器人的

3、全局視覺伺服控制問題，提出了基于標(biāo)記的機(jī)器人位姿參數(shù)實(shí)時(shí)測量方法；設(shè)計(jì)了基于圖像的動態(tài)Look-and-Move形式的全局視覺伺服控制器和基于運(yùn)動檢測的微夾持器末端搜索策略來引導(dǎo)機(jī)器人快速地運(yùn)動到微操作區(qū)域附近并使其微夾持器末端準(zhǔn)確地進(jìn)入光學(xué)顯微鏡的視場范圍，為進(jìn)一步利用更高測量分辨力的顯微視覺信息來指導(dǎo)機(jī)器人完成微操作任務(wù)做好準(zhǔn)備。
　　顯微視覺系統(tǒng)的主要作用是分析微操作場景圖像后測量微操作工具和微操作對象的相對位置關(guān)系，進(jìn)而控

4、制微操作工具向操作目標(biāo)運(yùn)動。自動聚焦、顯微圖像分割、顯微圖像跟蹤和顯微圖像伺服是實(shí)現(xiàn)這一目的幾個關(guān)鍵問題。為實(shí)現(xiàn)自動聚焦，構(gòu)造了基于SUSAN算子的圖像清晰度評價(jià)函數(shù)，設(shè)計(jì)了爬山搜索—聚焦曲線拉格朗日擬合定位的新型圖像清晰度評價(jià)函數(shù)最大化搜索策略以實(shí)現(xiàn)快速聚焦的目的；在顯微圖像分割方面，設(shè)計(jì)了Canny邊緣檢測與Hough變換結(jié)合的提取顯微目標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)的處理方法，并對Hough變換存在計(jì)算量大、精度低的缺陷進(jìn)行了有效改進(jìn)；針對微操作工具

5、的實(shí)時(shí)顯微圖像跟蹤問題，利用歸一化自相關(guān)匹配算法構(gòu)造圖像跟蹤器，并設(shè)計(jì)手眼協(xié)調(diào)和模板切分亞采樣策略來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤機(jī)器人夾持器末端、實(shí)時(shí)獲取其位置參數(shù)的目的；在微小型機(jī)器人的顯微視覺控制方面，從動態(tài)的角度出發(fā)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人微運(yùn)動姿態(tài)的測量，設(shè)計(jì)了有限狀態(tài)機(jī)形式的2D顯微視覺控制器來引導(dǎo)微夾持器末端向操作目標(biāo)運(yùn)動和基于Depth-From-Focus原理的機(jī)器人微夾持器末端深度方向控制策略。
　　最后，從實(shí)時(shí)視覺伺服系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)角度，設(shè)計(jì)