为应对特殊条件下不便于实地进行移动式操作的问题，设计了一套基于混合现实的可移动机械臂操作控制系统。该系统分为人机交互、机械驱动、虚拟现实等3个模块：人机交互模块通过摄像头识别操作者肢体手势动作并发布相应操作指令；机械驱动模块解析由人机交互模块发布的操作指令后完成相应动作并反馈设备工作状态；虚拟现实模块接收机械驱动模块反馈信息后将设备运行情况在构建好的虚拟场景中还原，实现对设备运行情况的实时监控。在可移动机械臂平台上的测试结果表明，操作者通过所提系统可以实现对可移动机械臂的远程精准控制与实时监控，系统响应速度能够达到60~100 ms/frame。
机器视觉 混合现实 Unity3D 机械臂 动作捕捉 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0415002
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072
针对传统装配方法面向平面弱几何轮廓结构的工件装配任务表现出的数据配准成功率低、位姿控制精度不足的问题，提出一种基于平面点云配准与相对位姿控制的工业件装配方法。首先通过双目结构光传感器重建出工件点云信息，应用RANSAC-ICP算法对重建结果进行配准，并结合平面法向量特征与最大距离关系进行纠正，从而实现精准点云配准。然后，提出基于相对位姿关系的机械臂控制方法，省略了对工具坐标系的标定，直接利用相对位姿控制机械臂运动，并将相对位姿误差结果作为控制系统误差的评价标准，从而实现可靠装配。最后，在真实测试场景下使用大型工业机械臂进行实验。结果表明，所提方法较传统装配方法装配成功率提升85个百分点，自动化装配精度优于0.5 mm，即该方法可以有效解决平面工件装配问题。
机器视觉 点云配准 机械臂 装配 工业场景 相对位姿估计 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0415001
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春130033
为了解决传统光电跟踪设备的跟踪性能测试系统参数调试繁琐、设备安装困难、靶标适用性差等问题，研究了基于机械臂路径规划的内场轨迹实现技术。通过规划六自由度机械臂的末端运动轨迹，设计了更加灵活、高效的跟踪性能测试系统。首先，对传统测试靶标系统进行分析，明确实现跟踪性能测试的数学模型；然后提出基于六自由度机械臂的新型技术方案，并分析了两种方案的差异性；接着通过靶标轨迹的坐标变换，根据传统动态靶标轨迹得到适用于六自由度机械臂的末端位姿参数，从而实现轨迹规划；最后，通过数值仿真验证了本文方法与传统方法的跟踪性能测试效果的一致性。仿真结果表明，两者具有相同的跟踪性能测试效果。相较于传统方法，采用机械臂的测试系统在参数调节、工具安装和靶标适用性上更具优势，完全能够满足光电跟踪设备内场跟踪性能测试的要求。
路径规划 机械臂 光电跟踪设备 跟踪测试 path planning mechanical arm photoelectric tracking equipment tracking test
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春30033
2 中国科学院大学，北京100049
本文将冗余机械臂的轨迹跟踪和避障规划统一为优化问题，提出了一种基于改进灰狼算法的避障跟踪优化器。首先，基于包围盒法对避障空间进行了建模，使用GJK算法计算机械臂与障碍物之间的最小距离。其次，设计了适应度函数，引入避障奖励项对优化器进行主动奖励，使机械臂在跟踪目标轨迹的同时避开障碍物。然后，使用随机分散策略对灰狼算法进行了改进，以增强算法的全局搜索能力，从而更好地求解优化问题。最后，使用九自由度冗余机械臂验证了所提出方法的有效性和优越性。实验结果表明：对于圆形目标轨迹，机械臂的末端跟踪误差为0.21 mm；跟踪过程中，机械臂与障碍物的距离不小于70 mm；相比于经典灰狼算法，改进灰狼算法使跟踪精度提高了13%。本文提出的避障跟踪优化器能以毫米级的精度同时满足冗余机械臂的轨迹跟踪和避障任务；改进的灰狼算法能有效提高经典灰狼算法的收敛精度。
冗余机械臂 灰狼算法 轨迹跟踪 避障规划 redundant robotic manipulator grey wolf optimizer trajectory tracking obstacle avoidance 光学 精密工程
2023, 31(24): 3595
1 五邑大学轨道交通学院，广东 江门 529020
2 广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510642
3 佛山市南海区广工大数控装备协同创新研究院，广东 佛山 528225
针对如何快速且准确地获取模具内部完整三维点云数据的问题，提出一种机械臂与三维视觉设备结合的三维点云拼接算法。在初拼接阶段，采用手眼标定方式获取手眼矩阵，并将各幅点云转换到机器人基坐标系，完成初步拼接，得到良好的配准初始位置。在此基础上，提出改进的迭代最近点（ICP）算法，通过结合内部形体描述子（ISS）特征获得关键点，并用随机一致性算法剔除错误匹配点，在点的匹配过程中采用点到面的方式进行匹配，最终得到完整的拼接点云。实验结果表明，所提算法在与ICP算法及其他改进的ICP算法的配准性能对比中具有良好的稳健性，算法耗时及配准误差明显下降，完整的拼接点云误差为0.12 mm，具有较高的工程实践价值。
机器视觉 点云拼接 三维点云 迭代最近点算法 机械臂 激光与光电子学进展
2023, 60(20): 2015001
光子学报
2022, 51(12): 1212002
1 广西大学电气工程学院广西电力装备智能控制与运维重点实验室，广西 南宁 530004
2 广西大学电气工程学院广西制造系统与先进制造技术重点实验室，广西 南宁 530004
机械臂可以替代人工进行抓取等工作来提高生产效率与产品质量。当前基于数据驱动的算法需要大量样本训练模型，迁移性较弱，并要求一定的计算资源作为支撑。为解决上述问题，建立了一个基于RGB-D图像的高效机械臂视觉抓取算法和系统。首先提出一种最小包围矩形（MinBRect）目标检测算法，用以快速估计目标的位置信息；然后利用MinBRect通过计算最小包围矩形的短轴倾角来估计抓取任务的位姿信息；最后操纵UR5机械臂进行实际抓取实验。在实验中，所提算法对10种目标物体的位姿估计的精度均在85.7%以上，平均时间达0.7677 s。与两种位姿估计算法进行对比，所提算法的抓取精度和时间均有明显改善，这表明所提算法具有较强的准确性和鲁棒性。此外，由于无需构建数据集，所提算法能够应用到计算资源有限、工业生产中的结构化场景，在电力工件实验中验证了所提算法具有较好的可移植性。通过实际抓取实验进一步验证了所提机械臂系统抓取算法的有效性。
图像处理 位姿估计 机械臂抓取 视觉定位 目标检测 激光与光电子学进展
2022, 59(14): 1415025
1 安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南23200
2 安徽理工大学 机械工程学院，安徽淮南3001
针对单目相机无法感知三维深度信息、双目立体视觉在被测物表面特征不明显时存在局限性以及PID控制器参数整定不理想等问题，将线结构光技术应用于柔性臂的振动检测，并利用细菌觅食算法优化的PID对其进行振动控制。首先搭建了线结构光视觉测振系统，建立了数学模型，完成了视觉标定，验证了该方法的可行性与准确性；然后利用细菌觅食算法对PID控制器进行了参数优化，与经验整定法进行了仿真效果对比；最后进行了柔性臂振动主动控制实验。实验结果表明，针对柔性臂的一阶模态振动，利用经验法整定的PID控制方法平均控制效果为25.65%，而利用细菌觅食算法优化的PID控制方法平均控制效果为39.32%，验证了细菌觅食算法优化PID控制器参数的优越性。
柔性机械臂 线结构光 PID控制 细菌觅食算法 双目立体视觉 flexible manipulator line structured light PID control bacterial foraging optimization algorithm binocular stereo vision 光学 精密工程
2021, 29(11): 2661
1 南京信息工程大学自动化学院, 南京 210044
2 化工过程先进控制和优化技术教育部重点实验室, 上海 200237
3 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 南京 210044
4 中国电子科技集团公司第二十八研究所, 南京 210044
针对刚性机械臂有限时间鲁棒控制问题, 提出了一种新的自适应非奇异快速终端滑模控制方法。该方法将非奇异快速终端滑模控制与自适应律相结合, 使用非奇异快速终端滑模面加快机械臂轨迹跟踪误差的收敛速度, 解决了终端滑模中的奇异问题; 通过双曲正切函数代替符号函数减小控制输入的抖振; 利用自适应律对未知的外部扰动和系统的不确定性进行估计, 实现了在集总扰动未知情况下的轨迹跟踪。构造Lyapunov函数, 证明机械臂系统能够在有限时间内稳定收敛。最后二自由度机械臂仿真实验结果验证了所设计控制器的有效性和鲁棒性。
终端滑模控制 机械臂 轨迹跟踪 自适应律 有限时间收敛 terminal sliding mode control robot manipulator trajectory tracking adaptive law finite-time convergence
