機(jī)器人傳送帶動(dòng)態(tài)跟蹤

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文（工學(xué)碩士）并聯(lián)Delta機(jī)器人的傳送帶動(dòng)態(tài)抓取系統(tǒng)設(shè)計(jì)鄧明星二一四 年 六月專心-專注-專業(yè)二一四 年 六分類號(hào)： 學(xué)校代號(hào)：11845UDC： 密級(jí)： 學(xué) 號(hào)：廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文（工學(xué)碩士）并聯(lián)Delta機(jī)器人的傳送帶動(dòng)態(tài)抓取系統(tǒng)設(shè)計(jì)鄧明星 指導(dǎo)教師姓名、職稱： 劉冠峰 教授 學(xué)科(專業(yè))或領(lǐng)域名稱： 智能工業(yè)機(jī)器人 學(xué) 生 所 屬 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 論 文 答 辯 日 期： 2014年6月1日 A Dissertation Submitted to Guangdong University of Technology for

2、the Degree of Master of Science（Master of Engineering Science）The dynamic conveyor tracking of Delta RobotCandidate: Deng MingxingSupervisor: Prof. Liu GuangfengJune 2014School of Electromechanical EngineeringGuangdong University of TechnologyGuangzhou, Guangdong, P. R. China, 5100摘要Delta機(jī)器人是最典型的空間三

3、自由度移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，具有運(yùn)動(dòng)速度快、定位精確、效率高、重量輕等特點(diǎn)。其在3C電子產(chǎn)品、食品包裝、生物制藥、3D打印行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。隨著人民生活水平的提高，促使產(chǎn)品質(zhì)量的提升和需求數(shù)量的增加，間接的促使機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。本文主要以并聯(lián)Delta機(jī)器人為研究對(duì)象。首先介紹國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r；接著分析了Delta機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解，傳送帶標(biāo)定、相機(jī)標(biāo)定；然后提出了PID跟蹤算法和改進(jìn)的跟蹤算法；再者給出了Conveyor Administor的軟件設(shè)計(jì)流程圖，并解決了其中幾個(gè)關(guān)鍵問題：目標(biāo)物體的篩選、排序、位置狀態(tài)更新、多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)。本文的核心內(nèi)容之一是機(jī)器人對(duì)運(yùn)動(dòng)在傳送帶上的物體

4、的動(dòng)態(tài)跟蹤，通過視覺檢測系統(tǒng)定位物體的位姿，再結(jié)合傳送帶編碼器反饋的位置數(shù)據(jù)，計(jì)算出物體在機(jī)器人坐標(biāo)系下面的實(shí)時(shí)位姿。機(jī)器人在位置模式下，通過改進(jìn)后的跟蹤算法，能預(yù)測傳送帶上物體的位姿，并實(shí)時(shí)調(diào)整自身移動(dòng)速度和末端位姿來跟蹤傳送帶上移動(dòng)的物體，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的動(dòng)態(tài)跟蹤抓取。本文的核心內(nèi)容之二是處理傳送帶上連續(xù)不斷的物體，在實(shí)際應(yīng)用中，要求物體盡量少被遺漏甚者不能漏，這就要求機(jī)器人的移動(dòng)速度要快，其次是抓取順序必須規(guī)劃好，本文的最后給出了解決方法和設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)管理軟件。通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析驗(yàn)證，該動(dòng)態(tài)跟蹤方法基本滿足了實(shí)際應(yīng)用要求，為后面的項(xiàng)目應(yīng)用現(xiàn)提供了技術(shù)支持，也為多機(jī)器人協(xié)調(diào)作業(yè)提供

5、了一種方法。關(guān)鍵詞：并聯(lián)Delta機(jī)器人、傳送帶跟蹤、PID算法、多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)、數(shù)據(jù)流AbstractThe 3 DOF delta robot is one of the most typical parallel Robot. It has many advantages, such as high movement speed, accurate location, high efficiency, light weight etc. It has been widely used in the electronic products industry, food packaging

6、 industry, biological pharmaceutical industry, 3D printing. With the development of robot technology and the improvement of people's living standard, It is improvement to improve the quality of product and the number of product.This article mainly took Delta robot as the research object. Firstly

7、, it introduced the development of industrial robots at home and abroad; then analyzed the forward kinematics and inverse kinematics of Delta robot，the calibration of conveyor belt and camera; then introduced a PID tracking algorithm and a improved tracking algorithm; moreover display the flow chart

8、 of software design of Conveyor Administor, and resolved the problem of several joint data filtering, sorting, update of data status, coordination work of multi-robot; One of the core content of this article is the dynamic tracing of robot to the moving objects on the conveyor belt, coupled with the

9、 position of the conveyor belt encoder feedback data. Visual system locates the object's positions then gives them to the delta robot. Conveyor Administor calculates the position of object in the robot coordinate system with the real-time system. Robot can predict the object's position on th

10、e conveyor belt, and adjust their movement speed and real-time posture to track objects on the conveyor belt in position mode and through the improved tracking algorithm, which finally realizes the dynamic tracing to moving target object. The another core content of this article is the operation for

11、 continuous object on a conveyor belt, in actual application, There should no missed object, so, that requires that the robot move faster, objects are followed by fetching order must plan well. In the end, the paper puts forward the solution and design data management software.Through the analysis o

12、f the results and the experimental verification, the basic dynamic tracing method satisfied the requirements of practical application. It provides the technical guidance for the back of the project application, and realize the coordination working of multi-robot.Keywords: Delta robot, Conveyor belt

13、tracking, PID algorithm, Multi-robot coordination work, Data stream.目錄CONTENTS第一章 緒論1.1 什么是工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人是一種面向工業(yè)領(lǐng)域的具有多個(gè)自由度或多個(gè)關(guān)節(jié)的特殊機(jī)器人1；一般以機(jī)械手的形式呈現(xiàn)，包括串聯(lián)的工業(yè)機(jī)器人和并聯(lián)的工業(yè)機(jī)器人，它一般由本體、三個(gè)基本部分。工業(yè)機(jī)器人是一種自動(dòng)完成工作的智能機(jī)器裝置，是依靠控制系統(tǒng)來控制、動(dòng)力系統(tǒng)來執(zhí)行任務(wù)的一種機(jī)器。它可以與使用者交互，通過示教的方式來學(xué)習(xí)新的功能，豐富自身的知識(shí)數(shù)據(jù)庫、工業(yè)機(jī)器人可以依靠視覺圖像處理技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、人工智能學(xué)、聽覺模糊識(shí)別技術(shù)

14、、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等來增加自身的功能。工業(yè)機(jī)器人可以替代人類來完成一些危險(xiǎn)、枯燥、重復(fù)、單調(diào)、環(huán)境惡劣的工作。它們通常應(yīng)用于焊接、搬運(yùn)、鍛造、熱處理、化學(xué)物品制造、高精度定位以及原子工業(yè)部門中。工業(yè)機(jī)器人具有一定的通用性和普遍性，因種類繁多、形態(tài)各異，所以它們多應(yīng)用在各種生產(chǎn)線上，是柔性制造單元系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。圖1-1 機(jī)器人工作流水線Figure1-1 The working line of robot工業(yè)機(jī)器人具有智能化、可編程化、通用性等特點(diǎn)。它涵蓋的科學(xué)技術(shù)相當(dāng)廣泛，總結(jié)下來，工業(yè)機(jī)器人就是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的結(jié)合，即機(jī)電一體化發(fā)展的高級(jí)產(chǎn)物。當(dāng)前的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)相當(dāng)

15、智能了，不僅具備了獲得外部環(huán)境數(shù)據(jù)的各種傳感器，還具有記憶存儲(chǔ)、示教學(xué)習(xí)、語音識(shí)別、圖像處理、邏輯推理判斷功能。所以，在很大程度上，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展勢必帶動(dòng)其他領(lǐng)域?qū)W科的發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用程度也是一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)發(fā)展水平的衡量標(biāo)準(zhǔn)。 圖1-2 常見的工業(yè)機(jī)器人Figure1-2 The common industrial robot如圖1-2，市場上常見的工業(yè)機(jī)器人：Delta robot,5、6軸串聯(lián)機(jī)械手, Dual-arm robot, SCARA robot, youbot。 1.2 工業(yè)機(jī)器人在國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和成熟，即將掀起新一輪的產(chǎn)業(yè)革命。大

16、多數(shù)發(fā)達(dá)國家：美國、德國、意大利、瑞士、日本、法國等早已普及工業(yè)機(jī)器人。電子產(chǎn)品、汽車制造、機(jī)械工程、食品包裝、生物制藥等行業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)線已經(jīng)大量投入工業(yè)機(jī)器人。這些機(jī)器人的普及提升了產(chǎn)品質(zhì)量、提高了勞動(dòng)生成率、節(jié)約了用人成本、解放了生產(chǎn)力、減少了工傷事故。自動(dòng)化設(shè)備的發(fā)展方向正逐漸轉(zhuǎn)向工業(yè)機(jī)器人成套設(shè)備的發(fā)展，正是此發(fā)展轉(zhuǎn)變，促使政府、企業(yè)、高校投入更多的精力和經(jīng)費(fèi)來研究工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，也推動(dòng)了生產(chǎn)力的發(fā)展。根據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(IFR)和聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(UNECE)對(duì)各國使用工業(yè)機(jī)器人情況的統(tǒng)計(jì)，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展一片光明。從上世紀(jì)中葉，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)值一直保持著穩(wěn)定增長的良好形勢。到

17、九十年代，工業(yè)機(jī)器人發(fā)展形勢瞬間變得猛烈，平均年增長率在10上下。而到了2004年，平均增長率更是達(dá)到了前所未有的21。其中，在亞洲機(jī)地區(qū)，機(jī)器人的增長率尤為明顯，高達(dá)44%。2004年全球地區(qū)至少使用了10萬臺(tái)新的工業(yè)機(jī)器人。其中：歐洲地區(qū)3.1萬臺(tái)，比上一年多增加15；北美地區(qū)大約1.6萬臺(tái)，該數(shù)目比上一年增加27；亞洲地區(qū)大約5.1萬臺(tái)，日本使用最多，但中國市場也不容小覷，增長異常迅速，比上一年多增長242。根據(jù)美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)對(duì)機(jī)器人使用情況的統(tǒng)計(jì)，至08年底，全球地區(qū)已經(jīng)布局了大約臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，而日本是世界上使用工業(yè)機(jī)器人最多、普及最廣的國家。圖1-3 每10000工人占有機(jī)

18、器人的個(gè)數(shù)Figure 1-3 The number of robot per 10000 workers圖1-3是依照每10000個(gè)工人使用工業(yè)機(jī)器人數(shù)量的比例繪制的，從圖中可以清晰的知道，日本工人的工業(yè)機(jī)器人分配密度達(dá)到了世界平均水平的9倍，幾乎是第二位新加坡的2倍。排在前5的國家分別是：日本每一萬工人擁有295臺(tái)工業(yè)機(jī)器人、新加坡169臺(tái)、韓國164臺(tái)、德國163臺(tái)、瑞典126臺(tái)。雖然在這前五位國家中，有三位屬于亞洲地區(qū)，但歐洲的工業(yè)機(jī)器人普及程度是全世界最廣的。歐洲國家工業(yè)機(jī)器人密度為每萬名工人50臺(tái)、北美洲為31臺(tái)、亞洲27臺(tái)。國外的工業(yè)機(jī)器人制造廠商：瑞典的ABB Rob

19、otics；瑞士的staubli; 日本的FANUC,Yaskawa,NACHI,OTC,MITSUBISHI;德國的KUKA Roboter;美國的Adept Technology,American Robot,Emerson Industrial Automation,S-T Robotics;意大利COMAU;英國的AutoTech Robotics;加拿大的Jcd International Robotics;以色列的Robogroup Tek。與國外相比，我國工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)研究啟動(dòng)比較

20、晚，從上世紀(jì)七十年代初期才開始發(fā)展。截止2010年底，國內(nèi)正在工作和使用的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量超過50000臺(tái)，普及程度仍不及歐美等發(fā)達(dá)國家，這個(gè)數(shù)量大致是德國的1/4、日本的1/10，由此可知，中國工業(yè)機(jī)器人行業(yè)發(fā)展空間巨大。到2014年底，中國購買機(jī)器人的數(shù)量將位居全球首位。預(yù)計(jì)到2015年底，我國機(jī)器人需要數(shù)量大約為35000臺(tái)，占全球總量的16.9%，而中國對(duì)機(jī)器人的需求量在全球仍將保存首位。分析表示，未來五年，中國工業(yè)機(jī)器人市場需求增長率可達(dá)35%，呈井噴式增長。到2016年或成為全球最大的機(jī)器人市場。目前“十二五”規(guī)劃中，中國開始實(shí)行經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。中國的制造業(yè)面臨著向智能化、高效率、低成本、

21、更綠色方向轉(zhuǎn)變。加速工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)研究即是中國的一個(gè)歷史機(jī)遇又是一種挑戰(zhàn)，因此，大力發(fā)展工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的工作要進(jìn)一步落實(shí)。因?yàn)椋旱谝?，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是十二五期間經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的主要手段和途徑，政府要對(duì)國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人有更多的政策與經(jīng)濟(jì)支持，高校和科研機(jī)構(gòu)要學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)，拓展更多的機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域；第二，在國家的發(fā)展規(guī)劃中，應(yīng)繼續(xù)對(duì)機(jī)器人基礎(chǔ)研究和應(yīng)用給予大力支持，力爭形成產(chǎn)品和自動(dòng)化制造裝備同步協(xié)調(diào)的新局面；第三，部分自主研發(fā)工業(yè)機(jī)器人已具備質(zhì)量高、功能全、高度智能化、低成本等特點(diǎn)，國內(nèi)企業(yè)購買工業(yè)機(jī)器人時(shí)不要盲目崇洋媚外，應(yīng)全面評(píng)估，支持國產(chǎn)。中國國內(nèi)也投入了相當(dāng)多的經(jīng)費(fèi)對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)做研究。國

22、內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人公司也雨后春筍般發(fā)展。沈陽新松、眾為興、埃斯頓、啟帆、李群科技、廣州數(shù)控、樂佰特，雖然起步晚，但是勁頭足。1.3 Delta機(jī)器人簡介Delta機(jī)器人是一種并聯(lián)的、高速的、輕載的、智能的機(jī)器人。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的牽扯和限制，它一般只有3到4個(gè)自由度，故只能在工作空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的平動(dòng)和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。它是由法國人Clavel博士于1985年發(fā)明的，隨后又提出三種機(jī)構(gòu)變異形式，以適應(yīng)不同空間需求。Delta機(jī)器人具有重量輕、體積小、運(yùn)動(dòng)速度快、定位精確、效率高等特點(diǎn)。Delta機(jī)器人在近幾年得到了飛速發(fā)展，無論國內(nèi)還是國外，各大機(jī)器人制造廠商分別制造出各自的機(jī)器人。表1-1是各機(jī)器

23、人制造商的Delta robot，圖1-4是形態(tài)各異的Delta robot.表1-1 各機(jī)器人制造商的Delta robotTable 1-1 The Delta robots of each manufacturerCompanyDelta RobotABBFlexPickerAdeptQuattroYaskawaHigh speed robotFANUCM-3iABOSCHPalomaQKMApollo 圖1-4 形態(tài)各異的Delta robotFigure 1-4 Different kinds of Delta robots在中國，隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，國民對(duì)食品、藥物

24、、電子產(chǎn)品的需求越來越大，對(duì)這些行業(yè)來說，既是一種機(jī)遇又是一種挑戰(zhàn)，而其中的產(chǎn)品包裝工序尤為值得一提。隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)，勞動(dòng)資本提高，越來越多的生產(chǎn)廠家不愿依靠雇傭更多的員工而投入大量的財(cái)力去提高生產(chǎn)率，而是希望尋求更高效、更安全的方法來提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。Delta robot完全可以滿足上述需要：高精度、高速、高質(zhì)量、高效率。因此對(duì)Delta機(jī)器人的研究變得尤為重要。Delta機(jī)器人的技術(shù)研究包括：前向運(yùn)動(dòng)學(xué)，后向運(yùn)動(dòng)學(xué)（forward kinematics、Inverse kinematics）、動(dòng)力學(xué)（Dynamics）、機(jī)器視覺技術(shù)（ ）、精確標(biāo)定技術(shù)、傳動(dòng)帶跟蹤、機(jī)

25、械設(shè)計(jì)、機(jī)械優(yōu)化、計(jì)算機(jī)科學(xué)、網(wǎng)絡(luò)通信。本論文中主要研究傳送帶跟蹤、運(yùn)動(dòng)學(xué)求解、機(jī)器人標(biāo)定。1.4本課題研究內(nèi)容和研究意義由于Delta機(jī)器人具有速度快、負(fù)載輕、定位準(zhǔn)特點(diǎn)，因此，它常常被運(yùn)用在包裝流水線上，待包裝物品在一條傳送帶上，包裝盒在另外一條傳送帶上。在實(shí)際應(yīng)用中，傳送帶是移動(dòng)的，物體的位置信息可以通過傳感器、視覺系統(tǒng)獲取，但是這些位置信息只是某一時(shí)刻的。因此，機(jī)器人不得不實(shí)時(shí)計(jì)算物體的位置，并且不斷調(diào)整自身末端的位置和移動(dòng)速度，讓它不斷的接近目標(biāo)物體，最終動(dòng)態(tài)抓取。抓取完目標(biāo)物體之后，機(jī)器人仍需要定位包裝盒，并且實(shí)時(shí)跟蹤它，然后把目標(biāo)物體放進(jìn)包裝盒里面。除了動(dòng)態(tài)跟蹤物體以外，實(shí)際項(xiàng)目

26、中還要求傳送帶上的物體不能被遺漏。如何解決這個(gè)問題呢？可以降低傳送帶的移動(dòng)速度，增加機(jī)器人的移動(dòng)速度，但是這樣會(huì)影響到機(jī)器人的生成效率。機(jī)器人的抓取順序也非常重要，如果機(jī)器人不先抓快走出工作空間的物體，而去抓剛進(jìn)工作空間的物體。那么肯定會(huì)造成物體被遺漏。如果傳送帶上的待撿物體確實(shí)太多，一個(gè)機(jī)器人根本解決不了遺漏問題，那么應(yīng)該考慮多個(gè)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)。上一個(gè)機(jī)器人遺漏的物體傳遞給下一個(gè)機(jī)器人，下一個(gè)機(jī)器人繼續(xù)作業(yè)，依次傳遞下去。這樣既可以提高生成效率、解決遺漏問題，又可以節(jié)約成本。如果采用視覺系統(tǒng)，只需要一個(gè)視覺系統(tǒng)即可，不再需要為每一個(gè)機(jī)器人都配一個(gè)視覺系統(tǒng)。也許實(shí)際應(yīng)用中是上一個(gè)機(jī)器人分揀，下

27、一個(gè)機(jī)器人貼標(biāo)簽，再下一個(gè)機(jī)器人抓取到包裝盒?？傊?，如果實(shí)現(xiàn)了多機(jī)器人的協(xié)調(diào)作業(yè)，這些問題便迎刃而解了。而且還可以通過它建立一個(gè)龐大的Workspace.本文的研究內(nèi)容大致有以下幾個(gè)方面：Delta機(jī)器人的前向運(yùn)動(dòng)學(xué)、逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)、傳動(dòng)帶標(biāo)定、相機(jī)的標(biāo)定、目標(biāo)物體動(dòng)態(tài)跟蹤、目標(biāo)物體重復(fù)篩選、目標(biāo)物體排序、多機(jī)器人標(biāo)定、多機(jī)器人協(xié)同。本文的研究意義不但要解決上述的實(shí)際應(yīng)用問題，而且還提出了一種新的跟蹤算法，編寫了一個(gè)數(shù)據(jù)管理軟件。第二章Delta機(jī)器人軟、硬件系統(tǒng)2.1 系統(tǒng)硬件介紹本論文的硬件平臺(tái)是基于QKM公司的Apollo機(jī)器人，如圖2-1。在這個(gè)硬件平臺(tái)上，研究Delta機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)。

28、圖2-1 Apollo 機(jī)器人 Figure 2-1 Apollo delta robot如圖2-1，機(jī)器人硬件系統(tǒng)由機(jī)械本體、伺服電機(jī)、傳送帶、工業(yè)攝像機(jī)、工控電腦、PA運(yùn)動(dòng)控制卡和示教盒組成3。工業(yè)相機(jī)通過USB數(shù)據(jù)線與工控電腦連接，攝像機(jī)把圖像傳遞給工控電腦，電腦對(duì)圖像進(jìn)行特征值提取，分析出物體的位姿，再將物體的位姿信息通過以太網(wǎng)傳遞給PA控制卡。用戶可以在示教盒上編寫簡單的控制程序，也可以通過示教盒移動(dòng)機(jī)器人，類似于一個(gè)遙控器，可以很方便地控制機(jī)器人。示教盒與控制卡是通過485串口來通訊。除此之外，圖2-2中有兩條傳送帶，一條傳送帶上是待分揀的物體，另外一條上是托盤。一般情況下，視覺系

29、統(tǒng)被安裝在機(jī)器人的工作空間之外，這樣的好處保證了機(jī)器人在工作空間內(nèi)正常作業(yè)時(shí)，視覺系統(tǒng)不會(huì)受干擾。圖2-2 Delta robot控制系統(tǒng)Figure 2-2 The Delta robots control system在圖2-2中，控制系統(tǒng)的核心為控制卡，本系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)控制卡為Presice Automation Controller，簡稱PA卡。PA運(yùn)動(dòng)控制卡是由美國Precise Automation公司所研發(fā)生產(chǎn)的，是一款新型的驅(qū)控一體、支持高級(jí)編程、嵌入多種運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的支持串口、以太網(wǎng)通信的控制卡。該控制卡不需要額外的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（driver），它可以直接和電機(jī)相連。 圖2-3

30、 PA控制卡Figure 2-3 PA controller2.2 系統(tǒng)軟件介紹如圖2-4，PV是圖像處理軟件，它會(huì)提取出目標(biāo)物體，分析出目標(biāo)物體的位置信息。而得到的坐標(biāo)是像素坐標(biāo)，通過轉(zhuǎn)換矩陣（內(nèi)參和外參），可以將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成機(jī)器人坐標(biāo)。最終通過以太網(wǎng)把物體的位姿數(shù)據(jù)傳遞給PA控制卡，PA控制卡控制機(jī)器人電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)反映在機(jī)械本體的末端，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的抓取。圖2-4 Precise Vision：機(jī)器視覺軟件Figure 2-4 Precise Vision：machine vision software圖2-4是機(jī)器人控制軟件GDE，用戶可以在該軟件上編寫復(fù)

31、雜的控制程序，機(jī)器人語言是高級(jí)語言C#，用戶可以很方便的進(jìn)行二次開發(fā)。除此之外，GDE還提供了大量關(guān)于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，以太網(wǎng)通訊，文件處理的API函數(shù)。圖2-5 GDE：程序開發(fā)軟件Figure 2-5 GDE：Develop software圖2-6是機(jī)器人數(shù)據(jù)分析軟件Datalogger。在對(duì)電機(jī)進(jìn)行PID參數(shù)設(shè)置時(shí)：該軟件可以很好的輔助用戶分析電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)數(shù)據(jù)。圖2-6 Datalogger：機(jī)器人數(shù)據(jù)分析軟件Figure 2-6 Datalogger：Data analysis software第三章Delta機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)求解和標(biāo)定3.1 空間點(diǎn)、向量、坐標(biāo)系的表示如圖3-1所

32、示，空間點(diǎn)P可以用它的相對(duì)于參考坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)來表示： (3.1.1)其中， 是參考坐標(biāo)系中表示該點(diǎn)的坐標(biāo)。圖3-1 空間點(diǎn)的表示Figure 3-1 The representation of a space point向量可以由一個(gè)起始點(diǎn)和終止點(diǎn)來表示4-5。如果一個(gè)向量起始于點(diǎn)A，終止于點(diǎn)B，那么它可以表示為。特殊情況下，如果一個(gè)向量起始于原點(diǎn)，如圖3-1所示，則有：(3.1.2)其中是該向量在參考坐標(biāo)系中的三個(gè)分量。實(shí)際上，點(diǎn)P就是用原點(diǎn)連接到該點(diǎn)的向量來表示的，具體地說，也就是用該向量的三個(gè)坐標(biāo)來表示。圖3-2 空間向量的表示Figure 3-2 The representatio

33、n of a space vector向量的三個(gè)分量也可以寫成矩陣的形式，如式（3.1.2）所示。 (3.1.3)這種表示法也可以稍做變化：加入一個(gè)比例因子w,如果x, y, z各除以w,則得到。于是，這時(shí)向量可以寫為：(3.1.4) 變量w可以為任意數(shù)，而且隨著它的變化，向量的大小也會(huì)發(fā)生變化，這與在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中縮放一張圖片十分類似。隨著w值的改變，向量的大小也相應(yīng)地變化。如果w大于1，向量的所有分量都變大；如果w小于1，向量的所有分量都變小。這種方法也用于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中改變圖形與畫片的大小。如果w是1，各分量的大小保持不變。但是，如果w=0，則為無窮大。在這種情況下，x，y和z（以及）表

34、示一個(gè)長度為無窮大的向量，它的方向即為該向量所表示的方向。這就意味著方向向量可以由比例因子w=0的向量來表示，這里向量的長度并不重要，而其方向由該向量的三個(gè)分量來表示。一個(gè)中心位于參考坐標(biāo)系原點(diǎn)的坐標(biāo)系由三個(gè)向量表示，通常這三個(gè)向量相互垂直，稱為單位向量，分別表示法線（normal）、指向（orientation）和接近（approach）向量，如圖3-3所示。正如公式3.1.2，每一個(gè)單位向量都由它們所在參考坐標(biāo)系著的三個(gè)分量表示。這樣，坐標(biāo)系F可以由三個(gè)向量以矩陣的形式表示為：圖3-3 移動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)在參考坐標(biāo)系下面的表示Figure 3-3 The representation of a

35、 moving coordinate system origin in the reference frame(3.1.5)如果一個(gè)坐標(biāo)系不在固定參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)，那么該坐標(biāo)系的原點(diǎn)相對(duì)于參考坐標(biāo)系的位置也必須表示出來。因此，在該坐標(biāo)系原點(diǎn)與參考坐標(biāo)系原點(diǎn)之間做一個(gè)向量來表示該坐標(biāo)系的位置，如圖3-4所示。這個(gè)向量由相對(duì)于參考坐標(biāo)系的三個(gè)向量來表示。這樣，這個(gè)坐標(biāo)系就可以由三個(gè)表示方向的單位向量以及第四個(gè)位置向量來表示6。圖3-4 一個(gè)坐標(biāo)系在另一個(gè)坐標(biāo)系中的表示Figure 3-4 The representation of a moving coordinate in the refere

36、nce frame(3.1.6)如式（3.1.5）所示，前三個(gè)向量是w=0的方向向量，表示該坐標(biāo)系的三個(gè)單位向量的方向，而第四個(gè)w=1的向量表示該坐標(biāo)系原點(diǎn)相對(duì)于參考坐標(biāo)系的位置。與單位向量不同，向量P的長度十分重要，因而使用比例因子為16。3.2 Delta機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解（幾何法）到目前為止，并聯(lián)Delta機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解的封閉解問題仍沒有得到全面解決。 常用通過代數(shù)方程組的數(shù)值解法來解決這個(gè)問題, 該方法缺點(diǎn)在于推導(dǎo)過程極其復(fù)雜, 最終有多組解，不得不尋找更多的約束來對(duì)這些解做取舍。因而，本論文中采用更直觀的解法，運(yùn)用矢量代數(shù)和空間幾何學(xué)來建立三自由度Delta機(jī)器人的簡化運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,

37、求解并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解。相比于基于代數(shù)方程組的求解方法，幾何法推導(dǎo)過程更簡單、直觀，并且回避了并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解多解取舍的問題, 可直接獲得工作空間內(nèi)滿足運(yùn)動(dòng)連續(xù)性的合理解7。圖3-5是Delta機(jī)器人的結(jié)構(gòu)圖。一個(gè)靜平臺(tái)、三個(gè)主動(dòng)臂、三個(gè)平行四邊形的從動(dòng)臂、一個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成了該機(jī)器人的框架?？梢钥闯鋈M平行四邊形結(jié)構(gòu)的應(yīng)用消除了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)繞的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，但向各個(gè)方向的平動(dòng)自由度沒有被消除。即運(yùn)動(dòng)平臺(tái)只能向X、Y、Z軸平動(dòng)，不能向X、Y、Z軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖3-5 Delta robot 結(jié)構(gòu)圖Figure 3-5 The structure of Delta robot 將上述結(jié)構(gòu)簡化一下，

38、如圖3-6。圖3-6 Delta robot 結(jié)構(gòu)簡化圖Figure 3-6 The structure of Delta robot 首先，將模型改造，分別構(gòu)造三個(gè)平行四邊形的中線：、，這三條中線的運(yùn)動(dòng)分別與平行四邊形兩邊的運(yùn)動(dòng)一樣。動(dòng)平臺(tái)的中心為，沿著平移，交于，向量、分別與、相等?？梢院苋菀浊蟮肂、C、D坐標(biāo)。如下公式：，=1，2，3(3.2.1)其中，、分別是三個(gè)輸入桿與X坐標(biāo)軸的夾角；R為靜平臺(tái)所在圓的半徑。，=1，2，3(3.2.2)，=1，2，3 (3.2.3)，=1，2，3 (3.2.4)其中L為輸入桿的長度，、分別為輸入桿的輸入角8-9。圖3-7 Delta robot 結(jié)構(gòu)

39、簡化圖Figure 3-7 The structure of Delta robot (3.2.5)，=1，2，3 (3.2.6)(3.2.7)圖3-8 三棱錐簡圖Figure 3-8 The structure of   由此，可以求得B、C、D在基坐標(biāo)系下面的坐標(biāo)。要求得靜平臺(tái)中心A的坐標(biāo)，可以通過三菱錐A-BCD求得，因B、C、D坐標(biāo)已求得，而AB、AC、AD的邊長也是已知的，且AB=AC=AD。設(shè)F為三角形的外心，E為BC的中點(diǎn)，那么；。根據(jù)立體幾何知識(shí)可知，；同理可以得到、。所以，F(xiàn)既是的外心，又是A在的投影。(3.2.8) (3.2.9)(3.2.10)通過上述

40、這些公式可以求得運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中心A在機(jī)器人坐標(biāo)系下面的坐標(biāo)，這便是Delta機(jī)器人的正解。3.3 Delta機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解將Delta的幾何結(jié)構(gòu)再次簡化，如圖3-9圖3-9 Delta robot 結(jié)構(gòu)簡化圖Figure 3-9 The structure of  Delta robot其中O為靜平臺(tái)的中心，也是機(jī)器人坐標(biāo)系的原點(diǎn)；為機(jī)器人的主動(dòng)桿；為平行四邊形從動(dòng)桿中線；為靜平臺(tái)；為動(dòng)平臺(tái)。固定平臺(tái)3個(gè)鉸鏈點(diǎn)的坐標(biāo)為10：，=1，2，3(3.3.1)其中R為靜平臺(tái)的平面的圓半徑；為三個(gè)輸入桿與與X軸的夾角。輸入桿末端點(diǎn)的坐標(biāo)可以通過向量表示：(3.3.2)向量可以求得：，=1，2，3

41、.(3.3.3)，=1，2，3(3.3.4)其中L為輸入桿的長度，分別為三個(gè)輸入桿的輸入角。假設(shè)動(dòng)平臺(tái)中心的坐標(biāo)為，那么動(dòng)平臺(tái)鉸鏈點(diǎn)的坐標(biāo)為10：，=1，2，3.(3.3.5)其中r為動(dòng)平臺(tái)的平面的圓半徑；為三個(gè)從動(dòng)桿與與x軸的夾角。通過上述公式，可以得到：(3.3.6)其中，為從動(dòng)桿的長度。聯(lián)立=1，2，3三個(gè)方程：(3.3.7)由公式3.3.7得：(3.3.8)其中：（=1，2，3）表達(dá)式為：(3.3.9)最終可以得到：(3.3.10)而公式3.3.9便是Delta機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的解，知道動(dòng)平臺(tái)的位置，反求機(jī)器人的輸入角。3.4傳送帶標(biāo)定3.4.1 轉(zhuǎn)換矩陣和比例因子傳動(dòng)帶標(biāo)定（conv

42、eyor calibration）就是確定傳動(dòng)帶坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人坐標(biāo)系的位姿。設(shè)機(jī)器人坐標(biāo)系為R，傳送帶坐標(biāo)系為C，那么傳動(dòng)帶坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人坐標(biāo)系的關(guān)系可通過轉(zhuǎn)換矩陣來表示。由平移向量和旋轉(zhuǎn)矩陣組成11。如果知道這個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣和物體在傳送帶坐標(biāo)系下面的位置，那么就能確定該物體在機(jī)器人坐標(biāo)系下面的位置。(3.4.1)傳動(dòng)帶的標(biāo)定實(shí)質(zhì)就是確定這個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣和傳送帶編碼器的比例因子（encoder factor）。所謂的傳送帶編碼器比例因子就是傳送帶移動(dòng)一段距離，這段距離分別在機(jī)器人坐標(biāo)系和編碼器上對(duì)應(yīng)了一個(gè)變化值，而這兩個(gè)變化值的比例關(guān)系即為比例因子。3.4.2 傳送帶的標(biāo)定方法1） 在傳送帶上

43、確定一點(diǎn)P，移動(dòng)Delta機(jī)器人，將其末端觸碰到該點(diǎn)P，記錄傳送帶的編碼器值為，機(jī)器人此時(shí)末端的位姿為（）。2） 移動(dòng)傳送帶，在保證機(jī)器人可以再次觸碰到P的條件下，讓這段移動(dòng)距離越大越好。再次移動(dòng)機(jī)器人，使末端觸碰到P點(diǎn)。記錄編碼器的值為，機(jī)器人末端的位姿為（）。3） 讓機(jī)器人沿著傳送帶垂直的方向移動(dòng)一段距離，記錄機(jī)器人末端的位姿（）12如圖3-10所示圖3-10 傳送帶標(biāo)定簡圖Figure 3-10 Conveyor belt calibration diagram通過以上步驟之后，可以得到編碼器比因子：(3.4.2)(3.4.3)(3.4.4)還可以求得變化矩陣。在這里，規(guī)定傳送帶移動(dòng)的方

44、向?yàn)閭魉蛶ё鴺?biāo)系的x軸方向，通過空間立體的幾何建立直線方程組，再用Matlab來計(jì)算，可以得到傳送帶坐標(biāo)系原點(diǎn)O在機(jī)器人坐標(biāo)系下面的坐標(biāo)。(3.4.5)機(jī)器人坐標(biāo)系到傳送帶坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣為：(3.4.6)(3.4.7)(3.4.8)(3.4.9)那么機(jī)器人坐標(biāo)系到傳送帶坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為：(3.4.10)有了轉(zhuǎn)換矩陣，那么傳送帶運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳送帶坐標(biāo)系下面的點(diǎn)在機(jī)器人坐標(biāo)系下面的位置為：(3.4.11)其中為傳送帶移動(dòng)的距離。3.5 視覺標(biāo)定3.5.1 視覺標(biāo)定原理攝像機(jī)是一種重建工具，它在計(jì)算機(jī)視覺中對(duì)物理三維世界進(jìn)行重建，即以二維的圖像來描述三維世界，通過該重建過程，可以計(jì)算處理得到的二維圖

45、像。對(duì)攝像機(jī)的標(biāo)定，是以二維圖像描述外部三維世界的第一步13，因?yàn)閿z像機(jī)的標(biāo)定就是建立三維空間坐標(biāo)系和二維圖像坐標(biāo)系的相對(duì)關(guān)系。標(biāo)定過程中，涉及到幾個(gè)坐標(biāo)系：世界坐標(biāo)系（機(jī)器人坐標(biāo)系）、相機(jī)坐標(biāo)系、像素坐標(biāo)系。世界坐標(biāo)系是由用戶定義的三維坐標(biāo)系，用來描述三維空間物體，相機(jī)坐標(biāo)位置，在這里世界坐標(biāo)系是機(jī)器人坐標(biāo)系；相機(jī)坐標(biāo)系是以相機(jī)光心為坐標(biāo)系原點(diǎn)，z軸與光軸平行，且滿足右手定則；像素坐標(biāo)系是物體成像平面，以像素為單位的直角坐標(biāo)系。如圖3-11，相機(jī)坐標(biāo)系是以U為坐標(biāo)系原點(diǎn)，z軸滿足右手法則，即xUy；像素平面坐標(biāo)系以為坐標(biāo)系原點(diǎn)，即。以相機(jī)原點(diǎn)在像平面坐標(biāo)系的投影為原點(diǎn)， 為坐標(biāo)軸建立一個(gè)物理

46、坐標(biāo)系，。圖3-11 世界坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系、像素坐標(biāo)系的關(guān)系（1）Figure 3-11 The relationship between camera coordinate, pixel coordinate system and world coordinate system圖3-11中，P在世界坐標(biāo)系的位置矢量為，是P在像素平面坐標(biāo)系的投影點(diǎn)，它在相機(jī)坐標(biāo)系下的位置矢量為。 是相機(jī)坐標(biāo)系z軸與像平面夾角，一般情況下z軸垂直于像平面，即=，因此，相機(jī)坐標(biāo)系平面與像素平面坐標(biāo)系平行，兩個(gè)平面的距離為，該距離稱之為相機(jī)的焦距。相機(jī)坐標(biāo)系是以毫米（mm）為單位來表示，而像平面坐標(biāo)系是以像素（p

47、ixel）為單位來表示的，根據(jù)小孔成像原理，可知兩個(gè)坐標(biāo)系單位之間呈線性關(guān)系。一個(gè)像平面的點(diǎn)如何轉(zhuǎn)換到相機(jī)坐標(biāo)系中表示，那么這里需要內(nèi)參轉(zhuǎn)換矩陣。在圖3-11中，相機(jī)光軸中心z軸方向上與像平面坐標(biāo)系的交點(diǎn)稱為投影中心，在像素坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為，單位為像素，每個(gè)像素在和的物理尺寸為和，單位是像素/毫米，則像素坐標(biāo)系的像素坐標(biāo)與坐標(biāo)系坐標(biāo)的線性關(guān)系如下：(3.5.1)通過公式3.5.1表示它，其中為像素坐標(biāo)系下面的坐標(biāo)，為坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。(3.5.2)由小孔模型下投影變換原理，可得到公式3.5.3。(3.5.3)用矩陣表示為：(3.5.4)結(jié)合公式3.5.1和公式3.5.4，得：(3.5.5)其中，

48、是相機(jī)的六個(gè)常見內(nèi)參數(shù)，其組成的矩陣即為相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣。而從世界坐標(biāo)系到相機(jī)坐標(biāo)系的變換，可以通過轉(zhuǎn)換矩陣來表示，此矩陣即為相機(jī)外參矩陣。它是由旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量所組成的，如圖3-12所示。圖3-12 世界坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系、像素坐標(biāo)系的關(guān)系Figure 3-12 The relationship between camera coordinate, pixel coordinate system and world coordinate system其中，平移矩陣T是三維列向量構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)矩陣R是坐標(biāo)軸依次繞軸旋轉(zhuǎn)角度所形成的三個(gè)矩陣的總乘積。(3.5.6)因此，旋轉(zhuǎn)矩陣R最終的計(jì)算公式如式

49、3.5.7：(3.5.7)因此，從相機(jī)坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的變換關(guān)系如公3.5.8，其中，表示，為旋轉(zhuǎn)矩陣，為平移向量。便是標(biāo)定所確定的變換矩陣，它也被稱為外s參數(shù)矩陣。 (3.5.8)相機(jī)的標(biāo)定其實(shí)就是為了確定內(nèi)參數(shù)矩陣和外參數(shù)矩陣。如果要把精度提上去，還需要把相機(jī)的畸變問題考慮進(jìn)來，在本論文中暫時(shí)沒有深入地探討畸變問題。最終，機(jī)器人坐標(biāo)到像素坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換矩陣可表示為內(nèi)參矩陣和外參矩陣的乘積，如公式3.5.9。為外參矩陣，為內(nèi)參數(shù)矩陣。(3.5.9)3.5.2 基于機(jī)器人的相機(jī)標(biāo)定本文中，相機(jī)的標(biāo)定主要有兩種方式：基于機(jī)器人的標(biāo)定和基于傳送帶的標(biāo)定。基于機(jī)器人的標(biāo)定主要是指依靠機(jī)器人坐標(biāo)系來標(biāo)定

50、相機(jī)，確定二者之間的轉(zhuǎn)化矩陣，一般情況下，相機(jī)被安裝在工作空間之內(nèi)；而基于傳送帶的標(biāo)定是指依靠傳送帶坐標(biāo)系，確定傳動(dòng)帶坐標(biāo)系與視覺坐標(biāo)系的關(guān)系，通過傳動(dòng)帶坐標(biāo)系這個(gè)媒介來確定視覺坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，這種情況下，相機(jī)一般安裝在機(jī)器人工作空間外。基于機(jī)器人的標(biāo)定步驟：確定相機(jī)的內(nèi)參：圖3-13是標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)定塊，圖中有16個(gè)大小和間距都相同的正方形色塊，色塊的尺寸和色塊的間隔均為已知的，該步驟之后，可根據(jù)公式3.5.13.5.5來確定相機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣14。圖3-13 內(nèi)參標(biāo)定目標(biāo)塊Figure 3.5.3 The calibration target block for interna

51、l parameters確定相機(jī)的外參：用相機(jī)分別定位圖3-14中四個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的位置，此位置為像素坐標(biāo)。根據(jù)相機(jī)內(nèi)參矩陣，可求得目標(biāo)物體在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置。示教移動(dòng)機(jī)器人，讓機(jī)器人末端去觸碰這四個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，分別記錄這四個(gè)點(diǎn)的世界坐標(biāo)。有了這四組數(shù)據(jù)后，即可根據(jù)公式3.5.63.5.8來確定外參矩陣。圖3-14 外參標(biāo)定目標(biāo)塊Figure 3-14 The calibration target block for external parameters上述兩個(gè)步驟之后，即完成了對(duì)相機(jī)的標(biāo)定。3.5.3 基于傳送帶的視覺標(biāo)定基于傳送帶來標(biāo)定相機(jī)其實(shí)和基于機(jī)器人來標(biāo)定原理幾乎一樣。只是這里需要引進(jìn)傳送

52、帶坐標(biāo)系來做橋梁，通過這個(gè)中介，最終確定相機(jī)的外參，即機(jī)器人坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系之間的關(guān)系。1) 與“基于機(jī)器人的相機(jī)標(biāo)定”步驟一相同，確定相機(jī)內(nèi)參。2) 由于相機(jī)在機(jī)器人工作空間之外，所以在標(biāo)定相機(jī)外參數(shù)的時(shí)候，需要借助傳送帶編碼器。相機(jī)定位之后，移動(dòng)傳送帶，讓標(biāo)定目標(biāo)移動(dòng)到機(jī)器人的工作空間之內(nèi)。讓機(jī)器人分別去觸碰這四個(gè)點(diǎn)?？梢杂霉?.5.10描述上述標(biāo)定過程。(3.5.10)第四章 動(dòng)態(tài)跟蹤算法4.1 物體位姿的相互轉(zhuǎn)換如圖4-1所示：本文的機(jī)器人是并聯(lián)Delta機(jī)器人；機(jī)器人下方有多條傳送帶，傳送帶的位置在機(jī)器人的工作空間內(nèi)；除此之外，還有一個(gè)視覺檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)負(fù)責(zé)定位傳送帶上物體的位

53、姿。圖4-1 Delta并聯(lián)機(jī)器人傳送帶跟蹤系統(tǒng)Figure 4-1 The tracking system of Delta robot如下圖4-2所示，把傳送帶看成一個(gè)可以移動(dòng)的坐標(biāo)系：conveyor transformation。該坐標(biāo)系x方向?yàn)閭魉蛶魉偷姆较?。沿著傳送帶方向，順流而下，稱之為Downstream，同理，逆流而上，稱之為Upstream。在圖4-1中，把視覺檢測系統(tǒng)也定義成一個(gè)坐標(biāo)系：vision transformation。通過第三章的視覺標(biāo)定（vision calibration），可以得到視覺坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系的關(guān)系；同理，通過傳送帶標(biāo)定（conveyor

54、calibration），可以得到傳送帶坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系的相對(duì)關(guān)系。根據(jù)這兩個(gè)關(guān)系，可以確定傳送帶坐標(biāo)系和視覺坐標(biāo)系的相對(duì)關(guān)。因此，可以通過數(shù)學(xué)表達(dá)式來表示以上關(guān)系。圖4-2 傳送帶的定義和區(qū)域Figure 4-2 The conveyor belt and area設(shè)機(jī)器人坐標(biāo)系為R，視覺坐標(biāo)系為V, 傳送帶坐標(biāo)系為C，視覺系統(tǒng)定位的物體位置為（物體在視覺坐標(biāo)系下的位置），那么通過視覺坐標(biāo)系來表示物體在機(jī)器人坐標(biāo)系下的位置：(4.1.1)其中是機(jī)器人坐標(biāo)系到視覺坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。通過傳送帶坐標(biāo)系來表示物體在機(jī)器人坐標(biāo)系下的位姿：(4.1.2)其中是機(jī)器人坐標(biāo)系到傳送帶坐標(biāo)系的變化矩陣。由

55、上述二式可以求得物體在傳送帶坐標(biāo)系的位置：。因?yàn)閭魉蛶ё鴺?biāo)系隨著傳送帶的移動(dòng)而變化，而這個(gè)變化只是坐標(biāo)系的平移，故：(4.1.3)最終，(4.1.4)此時(shí)物體的實(shí)際位置即為。4.2 PID算法的概念當(dāng)控制系統(tǒng)精度要求較高時(shí)，常采用反饋調(diào)節(jié)，有源校正。有源校正通常是由電阻、運(yùn)算放大器和電容組成的反饋網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)而成，被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)控制系統(tǒng)中，時(shí)常被稱為調(diào)節(jié)器。其中，按偏差的比例（Proportional）、積分（Integral）和微分（Derivative）進(jìn)行控制的PID調(diào)節(jié)器（PID校正器）是應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)節(jié)器。PID調(diào)節(jié)器已經(jīng)形成了典型結(jié)果，其參數(shù)整定方便，結(jié)果改變靈活（P、PI、P

56、D、PID等），在許多工業(yè)過程控制中獲得了良好的效果，對(duì)于那些數(shù)學(xué)模型不易精確求得、參數(shù)變化較大的被控對(duì)象，采用PID調(diào)節(jié)器也往往能得到滿意的控制效果。所謂的PID控制規(guī)律15-16，即為一種對(duì)偏差進(jìn)行比例、積分和微分變化的控制規(guī)律：(4.2.1)式4.2.1中，為比例控制項(xiàng)，為比例系數(shù)； 為積分控制項(xiàng)，為積分時(shí)間常數(shù)；為微分控制項(xiàng)，為微分時(shí)間常數(shù)。比例控制項(xiàng)與微分、積分控制項(xiàng)的不同組合可以分別構(gòu)成PD（比例微分）、PI（比例積分）和PID（比例積分微分）等三種調(diào)節(jié)器（或稱校正器），PID調(diào)節(jié)通常用作串聯(lián)校正環(huán)節(jié)。值得注意的是：1）比例系數(shù)直接決定控制作用的強(qiáng)弱，的加大雖然可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，但過大可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，甚至發(fā)散不穩(wěn)定，因此，應(yīng)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整比例系數(shù)來減小誤差。2）通過分析可知，光靠P