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基于主动信息与被动约束的工业机器人系统设计及自主操作策略研究
其他题名Design of Industrial Robot System and Research on the Autonomous Strategies Based on Active-Information & Passive-Constraints
苏建华
学位类型工学博士
导师乔红
2009-06-04
学位授予单位中国科学院研究生院
学位授予地点中国科学院自动化研究所
学位专业控制理论与控制工程
关键词高维空间吸引域 抓取稳定性 形封闭 被动约束 视觉信息 自主抓取策略 高精度装配策略 开放式工业机器人系统 通用机械手 Attractive Region Form-closure Grasp Passive Constraints Vision-guided Manipulation High-precision Assembly Open-architecture Industrial Robot System Four-finger Gripper
摘要国内应用的大部分工业机器人系统采用的是封闭结构的专用控制器,所能完成的作业任务比较单一,并且缺乏对外部环境和作业对象的自适应能力,不能满足制造业对机器人系统可靠性、可配置性和可扩展性的需求。而且,由于受到现场环境的变化、被操作工件的差异,以及传感器信息受干扰等不确定性因素的影响,机器人系统常常需要重新配置才能够完成既定的任务。因而,提高工业机器人系统的自主性和可靠性,减少由于不确定性带来的机器人操作误差,对满足柔性制造的要求,提高生产的效率和产品的质量具有重要的意义。 本文基于模块化、网络化结构的思想设计了开放式工业机器人系统,并在该系统上对主动信息(如视觉信息)的引导和环境的被动约束条件下的自主抓取和高精度装配策略进行了深入的研究,具体的工作包括以下四个方面: 第一,制造业要求工业机器人系统具有可配置性和可扩展性,能够根据任务需求进行系统升级和改造。本文基于模块化、网络化结构设计并实现了开放式工业机器人系统。分析了软件系统各个模块的功能以及相互之间的联系;研究了Windows RTX环境下实时运动规划的方法;给出了一种具有误差补偿功能的实时NURBS插补算法。本文搭建的工业机器人系统,为进一步研究汽车零部件高精度装配、水龙头柔性磨削提供了一个通用平台。 第二,在自动化生产线上,机器人系统需要一个简易、通用的机械手来抓取和操作不同类型、不同规格工件。针对这些需求,本文给出了一种结构简单、操作灵活的通用四指机械手的设计方案;讨论了利用四个电机驱动机械手九个关节的扭矩转换装置的设计方法。并且针对活塞-活塞销-连杆和轴承-曲柄轴的装配工序,讨论了夹具模块化设计方法;设计并实现了模块化、智能化的夹具系统。 第三,生产过程中,机械手需要将任意放置在传送带上的二维或三维工件快速、稳定地夹持到一个确定的状态。现有抓取规划方法是在物体的三维轮廓中搜索抓取点,算法相对复杂,并且机械手指位置误差和视觉重构的偏差会影响抓取的稳定性。本文首先基于 “高维空间吸引域”理论,对二维物体、三维物体的形封闭抓取进行了定性分析,给出实现二维、三维物体形封闭抓取的充分条件。接着,基于视觉信息对接触点布局进行规划,证明了抓取过程中形成的“高维空间吸引域”能够分解为二维和三维空间的吸引域。建立二维吸引域与二维视觉信息之间的对应关系;同时,提出了如何利用简单的二维视觉信息搜索三维形封闭抓取点的规划算法。利用“高维空间吸引域”,能够消除抓取过程中存在的不确定性。最后,通过视觉系统的引导下四指机械手形封闭抓取的连杆、活塞和多面体的实验验证了所给策略的有效性。 第四,在发动机和压缩机生产过程中,需要完成高精度的轴-孔装配任务。基于位置/力控制的装配方法通常会因为传感器信息受到干扰以及对零件的定位误差,不能可靠地完成装配任务。为此,结合传感器信息和被动约束成为实现高精度装配一种有效的方法。本文将首先推导出轴的高度函数与轴-孔接触状态之间的关系;接着分析轴-孔装配过程中被动约束形成的吸引域,研究能够使轴-孔到达稳定状态的输入力;然后给...
其他摘要In manufacturing, most of the industrial robots, which are built based on special controller with closure structure, are not the self-adaptive and autonoumous system; thus they can only perform some simple tasks. Moreover, the robotic system should be reconfigurable to meet the manipulation precesion of the robot because of the disturbance of uncertainties, such as the change of the environment, the differences of the objects and the error of the sensors. Thus, the robot system must be reliable, scalable and configurable to reduce the effect of the above uncertainties to meet the requirements of the established tasks. The research on the autonomous manipulations of the robot system under the active information and passive constraints improve the efficiency and production qualities. In this work, an open architecture industrial robot is built based on the method of modular and network control. Then the works on the grasping planning and assembly strategy with active information and passive constraints are discussed deeply. The works of this dissertation are the following. At first, an open-architecture industrial robot is built based on the methods of modular and network control for the requirements of reliable, scalable and configurable in manufacturing. The function of the software is described, and the relationship of each modular is also discussed. Then, the real-time motion planning method is developed on the Windows RTX; and an error-offset algorithm of NURBS interpolator is given to meet the precision of motion planning of the robot. The industrial robot system built in this work can be applied in the assembly or grinding processing. Secondly, a simple, flexible and universal four-finger gripper is developed for grasping various workpieces in the manufacturing. A novel design method that can achieve the properties of driving nine joints with four-actuators is proposed. And then, two intelligent fixture systems are built for the assembly of the piston-peg-rod and crank-rearing, respectively. Thirdly, in manufacturing, various objects, which may be placed on the worktable freely, are required to be grasped rapidly, firmly to a unique state. Most of 3D vision-based grasping planning, which is compute-complexity, will fail to grasp due to the uncertainties of sensors and the position of the fingers. Based on the conception of “attractive region”, the 2D and 3D form-closure grasping are analyzed in this work, and a sufficient condition for selectin...
馆藏号XWLW1343
其他标识符200618014628003
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/6218
专题毕业生_博士学位论文
推荐引用方式
GB/T 7714
苏建华. 基于主动信息与被动约束的工业机器人系统设计及自主操作策略研究[D]. 中国科学院自动化研究所. 中国科学院研究生院,2009.
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