基于灵巧手的柔性物体抓取及操作方法开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

在机器人技术迅速发展的今天,机器人在诸多行业,如汽车,航空航天,机械制造等,越来越多地代替人工,完成复杂的工作。随着机器人技术的普及,在越来越多地实际应用问题上,人们希望机器人能够处理柔性变形物体。

在工业自动化生产线上,存在着大量诸如电缆和汽车软管的安装、柔性电路板装配这样以柔性变形体为操作对象的工序。在服务机器人领域,人们需要机器人完成衣物整理、食物抓取这样的操作。在机器人手术中,机器人需要对人体内脏这样的软组织实施操作。

尽管柔性体操作的应用需求如此巨大,与之相关的机器人技术水平却远未达到实用要求。在自动化生产线上,几乎所有使用柔性工件的工序目前仍依赖人工。在服务机器人领域,叠被、整理衣物这样简单的操作仍然属于机器人尚难独立完成的任务之一。在手术机器人领域,仍以经验丰富的外科医生手动操控医疗机器人进行手术为主,完全由机器人自主操作的自动手术方式刚刚开始在学术领域得到重视。无论在学术或产业应用领域,近年来针对柔性变形体自动操作技术的研究已成为一大热点。

图 1 电源箱组装中所涉的配线操作

在小型逆变器、电机控制器等电气产品中,由于无法做到电子元器件组件的大规模集成,内部各个组件间需要使用如图 1 所示的大量的电缆相互连接。并且为了保证安全及防止干扰,这类产品对内部电缆布置的整齐程度往往有具体的要求。

在绝大多数电子产品的配线作业中,工人操作的最终目标可以归结为将线缆上一端或两端上的接头插入电路板上预先设置好的信号线插座。除此之外,在很多装置中为了实现布线的整齐美观,便于维护,在完成插头插接的同时,电缆部分要通过一组塑料夹具固定在装置的内壁(如图 2 所示)。为实现以上这些操作的自动化,需要机器人能够正确地识别插头的空间位置、电缆线的空间几何形状。通过机械手实现对插头的抓取、安装以及插头以外线缆部分的固定。

图 2 电气、通信设备整齐布置的线缆

除此之外,汽车内也存在着大量的如图 3 所示的线束。它们的主要功能是输送电能和信号,这些线缆结构复杂,功能各不相同,并且带有形式各不相同的插头。在汽车制造行业,配线安装是最为复杂且耗时的工序之一,目前还主要依赖人工。

图 3 汽车中的配线束

与刚性零件不同,机器人在实现以上所述各种柔性线缆的装配时,不仅需要考虑位置、姿态、抓取角度和抓取点,还必须确定识别柔性线缆的形状,而柔性线缆姿态是多变的,多数情况下还可能发生缠绕,这时机器人还面临着分拣线缆的难题。

电子产品中配线的自动安装过程包括机器人对插头的识别、抓取、插头的插入动作,以及作为装配动作辅助所需的电缆线整形动作。它包括对电缆线的几何、拓扑形态的控制。这其中,插头插入动作等同于刚体的插孔动作,目前其技术相对成熟。在论文[1]中,对于已知几何形状的插头,通过对图像与已知三维模型的匹配可以对空间中的插头实现识别与跟踪。

对于电缆插头的插接问题,论文[2]中提出了基于力信息的搜索方法,可以实现电缆插接的失败回复。因此,在大多数情况下决定电缆安装成功与否的主要因素是如何保证机器人能够成功地实现对插头的抓取。机器人实现插头抓取的主要难点在于电缆柔性带来的各种复杂情况。例如图 4(A)所示情形,在这里,末端带有插头的一段电缆线悬在空中,这时机器人使用夹具对其抓取时就要考虑电缆段弹性扰动引起的定位及抓取困难。并且,实际场景下电缆在使用中可能会发生与环境的接触,甚至电缆之间出现交叉等拓扑学状态。这些状态使得机器人无法实现既定对插头的抓取。在这种情况下,机器人需要能够自动分析出电缆的接触及交叉、缠绕等拓扑学状态,并据此制定出使装配任务得以继续的操作规划。

如图 4(B)中所示情形为将一根具有一定刚性的电缆通过周围复杂的环境插入插座的应用。在这里,电缆的一部分已经在前面的装配过程中实现固定。在接下来的装配中,机器人需要弯曲电缆将其末端的插头插入 T 型口中的插座。在这个过程中,机器人需要规划好执行器末端的动作,以保证电缆不会与周围环境发生接触。

线缆的交叉等拓扑学形态对电缆自动装配的影响可以用图 4(C)来说明,

在这里,由于多根电缆之间发生了耦合,因此需要首先识别出电缆线之间的耦合形态,在此基础上实现电缆之间的去耦合。

在实际应用中,电缆安装的难点即在于即使是相同类型的电缆线,每个个体的物理性质也不尽相同,因此可能出现上述各种无法预料的情况。正是这些情况的出现使得电缆线的装配远比想象的困难。

目前诸如纽结生成、拆解之类的拓扑形态操作已可以实现自动规划,但却没有方法保证规划出来的拓扑形态变化步骤可以在实际的机器人上实现。一方面,目前线状柔性体拓扑状态的识别方法不具备实际应用到复杂背景下的鲁棒性。

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