直角坐标码垛机器人实验平台的设计与实现

• 作 者: 许鸣吉
• 机 构: 南京理工大学
• 出 处: 南京理工大学
• 发表日期: 2018年期
• 关键词: 码垛机器人 实验平台 视觉定位 三轴直角坐标 交叉耦合控制器

在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。工业机器人具有工作效率高、重复定位精度高等特点。在工业生产中，采用工业机器人代替工人工作已经逐渐成为一种趋势。码垛机器人作为工业机器人的一种，可以代替人力完成某些重复系数高、劳动强度大、危险性强的搬运工作。本文围绕某码垛机器人研发项目，对码垛机器人的机械结构、路径规划、机器视觉、多电机控制等方面开展理论研究，并搭建直角坐标码垛机器人实验平台对上述方法进行实验验证。本文主要完成了以下工作:　　(1)从机器人的坐标形式、驱动方式和直线运动单元等方面选择机器人的实施方案，即直流电机驱动、采用同步带传动的三轴直角坐标码垛机器人实验平台。对零部件进行三维建模，并虚拟装配。进行静力学分析，校核关键部件的强度和刚度。进行模态分析，防止机器人工作时发生共振现象。　　(2)为优化码垛机器人工作路径，构建物料箱选择与堆垛位置分配的数学模型。通过染色体编码、自适应交叉算子和变异算子设计、紧前约束处理方法设计、模拟退火算法迭代和适值拉伸等过程，设计基于自适应模拟退火遗传算法的双层启发式算法。通过104个物料箱的算例仿真，求解得到一组最优的码垛次序。　　(3)为解决码垛机器人抓取工件时的定位与识别问题，提出基于深度学习的机器人快速视觉识别与定位算法。通过一系列图像预处理步骤和10层CNN模型对纹理复杂的刻字象棋进行定位与识别，识别准确率能保持在97.33％以上。　　(4)为克服机械惯性、负载扰动以及复杂的轮廓误差模型等因素对三轴直角坐标机器人实验平台末端执行器位姿精度的影响，设计了迭代滑模交叉耦合控制器。滑模速度控制器用以抑制非周期干扰;设计迭代学习位置控制器用以减小跟踪误差;轴间变增益交叉耦合控制器用以消除轮廓误差。　　(5)对直角坐标码垛机器人实验平台进行软硬件系统设计。然后进行了定位测试、工件辨识测试、控制器性能测试等三个实验，验证了基于深度学习的机器人快速视觉定位与识别算法和直角坐标机器人迭代滑模交叉耦合控制器的良好性能。