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高维环境约束的构形分析及其在机器人操作中的应用
其他题名Analysis of High-Dimensional Constraints in the Configuration Space and its Application in Robotic Manipulation Planning
刘传凯
学位类型工学博士
导师乔红
2011-05-30
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
关键词环境吸引域 机器人操作规划 零件姿态定位 基于视觉的抓取 高精度装配 Attractive Region Robotic Manipulation Planning Pose Localization Vision-based Grasping High-precision Assembly
摘要机器人高精度操作是工业生产中的一个重要环节,也是机器人研究领域中的一个难点。传统的方法是利用传感器精确感知机器人和被操作对象的状态信息,然后设计出高精度操作策略。然而,在复杂的工业环境中,传感器信号极易受到干扰,致使传感信息精度下降、出错率升高,进而导致操作任务失败,影响整个工业生产过程。 在机器人操作中,被操作对象之间存在高维环境约束,该约束可用于引导机器人实现高精度操作任务。基于课题组前期利用环境约束域实现轴孔装配和零件二维定位的工作,本文研究高维空间中环境约束域的构建与分析方法,并将其应用于新的机器人操作领域。针对特定三维零件的姿态定位、快速稳定抓取和轴孔的高精度装配问题,探索了高维环境约束域的构建及其向低维空间中分解的方法,并将高维环境约束域与传感信息融合,设计出机器人高精度操作策略。主要内容包括: 第一,研究高维环境约束域的构建和分析方法。针对两类三维零件的姿态定位、特定三维零件稳定抓取和轴孔的高精度装配等问题,给出了构形空间中可用以指导操作策略设计的高维环境约束域的构建方法;分析了构形空间中环境约束域内的点与物体的实际状态的对应关系,为高维环境约束域在机器人操作中的应用做出了有益的探索。 第二,研究利用高维环境约束进行三维物体无传感器定位的方法,并给出该方法适用的物体的范围。针对三维零件姿态定位中,存在状态不确定性和方位不确定性相互耦合且难以消除的问题,构建了一种新型坐标系,将两种不确定性有效地分离。然后,通过对物体各稳定状态对应的环境约束域之间最短路径转移关系的分析,提出了可用无传感器方法进行姿态定位的两类三维物体需要满足的条件,给出了相应的姿态定位策略;并且从理论上证明了无传感器姿态定位方法可行性以及定位策略的有效性。 第三,研究高维环境约束域分解为独立的低维环境约束域的方法,并通过环境约束域与视觉信息的融合,实现了对满足一定几何约束的三维物体的快速灵活抓取。针对简单手爪抓取三维物体时难以通过单幅图像确定抓取位置的问题,研究了抓取构形空间中高维环境约束域的构建,及其向低维空间中分解的方法:首先根据物体形状、姿态特性和观测信息的关系,构建高维约束域,然后将其分解成为两个独立的子空间约束域,其中一个子约束域能够保持原约束域的极值和单调连续特性,而另一个子约束域可与视觉信息有机融合。提出了一种基于环境约束域与视觉信息融合的机器人抓取策略,实现了单幅图像引导下简单手爪对满足一定几何约束的三维物体的快速灵活抓取。 第四,基于课题组利用环境约束域实现轴-固定孔装配方面的工作,研究在高维空间中轴孔相对位置和姿态变化条件下环境约束域的构建方法和轴孔对准策略。针对零件孔难以完全固定的轴-非固定孔高精度装配问题,通过构建由零件间的相对位移产生的环境约束域,研究消除零件接触状态不确定性的操作策略。进一步分析零件从三点接触状态到装配对准状态的位置和姿态变化关系,构建保持三点接触条件下,零件相对姿态变化形成的环境约束域。通过对该约束域内从初始状态向最低点转移路径的...
其他摘要Robotic high-precision manipulation is an important procedure for safe, reliable and high-quality manufacturing. Traditional methods in robotic manipulation utilize sensors to acquire state information of robot and manipulated objects, based on which corresponding manipulation strategies are designed. However, in complex industrial environment, the resolution of sensors will decrease and the error rate of sensory information will increase due to the sensitivity of sensor signals to environmental noise. Consequently, inappropriate control will occur, which leads to fault operations and even affects the whole process of automatic manufacturing. In robotic high-precision manipulation, high-dimensional constraints exist in the configuration space of manipulated objects and can be used to achieve high-precision manipulation tasks. In our previous works, attractive region in the configuration space was proposed and successfully applied to peg-hole assembly and polygon orientation. This thesis focuses on the construction and analysis of high-dimensional attractive regions as well as its application in new robotic high-precision manipulations. For the precise localization and stable grasping of 3D objects and high-precision peg-hole assembly, this thesis gives new methods of constructing attractive regions of high-dimensional environment constraints, proposes an algorithm to decompose the high-dimensional attractive region into low-dimensional ones, and designs a robotic high-precision manipulation strategy by merging sensor information into attractive regions. Firstly, the methods for constructing and analyzing high-dimensional attractive regions of environment constraints are exploited in the localization of two classes of 3D objects, the stable grasping of special parts and the high-precision assembly of peg and unfixed hole. A new construction method of high-dimensional attractive regions which lead to the design of a manipulation strategy is given for the object localization, stable grasping and high-precision assembly. The relationship between the points in the attractive regions and the states of the object being manipulated is analyzed, which forms a solid basis for the strategy design of robotic high-precision manipulations. Secondly, a method of orienting a 3D object without sensors is investigated and two appropriate classes of objects are defined for the application. A new coordinate frame is established to cope with the coupling of the uncertai...
馆藏号XWLW1601
其他标识符200818014628012
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/6376
专题毕业生_博士学位论文
推荐引用方式
GB/T 7714
刘传凯. 高维环境约束的构形分析及其在机器人操作中的应用[D]. 中国科学院自动化研究所. 中国科学院研究生院,2011.
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