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家庭服务机器人物体识别与抓取的研究

作　者: 朱晓莉
导　师: 汪伟
学　校:
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 家庭服务机器人物体识别星空定位导航物体抓取
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着科技的进步，家庭服务机器人将拥有更加广阔的市场前景。本文对服务机器人在室内环境下识别与抓取物体进行了研究，让机器人收到指令后，在星空定位导航下自主移动到目标物体附近地点，由远距离颜色识别加近距离特征识别的方式对物体进行识别及定位，然后控制机械手进行物体抓取。本课题研究内容可以总结为以下几个方面：1、针对服务机器人物体识别与抓取任务的需求设计应用系统，利用VS2010及OpenCV软件平台构建了集物体识别、机器人运动控制、机械臂控制、信息采集显示等功能的系统控制平台。2、研究了物体识别算法中的SURF（Speeded Up Robust Features,具有鲁棒性的高速特征采集算法）算法。介于远距离时特征提取难度增加，本文提出了结合颜色算法的物体识别方案：远距离用颜色识别算法寻找物体，近距离用SURF特征识别算法确认物体。3、研究了StarGazer星空定位导航系统的工作原理，对设定的家庭环境进行了地图创建，从而解决了服务机器人在寻找物体过程中的定位导航问题。4、研究了机械臂抓取技术，基于单目视觉的小孔成像模型提出了不同视觉角度特征匹配获取末端执行器期望位置的方案，通过建立服务机器人机械臂运动学方程求解各关节转角量。在应用系统的支持下家庭服务机器人能够完成物体识别与抓取的任务。实验表明颜色识别与特征识别的结合提高了物体识别的效率和精度，星空定位导航让机器人能自主移动到目标位置，最后系统控制机械臂各关节舵机转动相应角度实现物体抓取功能。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-9
目次  9-12
图目录  12-14
表目录  14-15
1 绪论  15-25
  1.1 研究背景和意义  15-16
  1.2 服务机器人国内外研究现状及发展趋势  16-21
    1.2.1 服务机器人国外研究现状  16-18
    1.2.2 服务机器人国内研究现状  18-20
    1.2.3 服务机器人发展趋势  20-21
  1.3 服务机器人相关技术综述  21-23
    1.3.1 服务机器人物体识别技术  21
    1.3.2 服务机器人定位导航技术  21-22
    1.3.3 服务机器人物体抓取技术  22-23
  1.4 主要研究内容  23-24
  1.5 章节安排  24-25
2 服务机器人平台及应用系统设计  25-35
  2.1 引言  25
  2.2 316EW 服务机器人硬件平台  25-28
  2.3 316EW 服务机器人软件系统设计  28-34
    2.3.1 主要控制模块设计  30-31
    2.3.2 物体识别模块设计  31-32
    2.3.3 运动控制模块设计  32
    2.3.4 机械臂模块设计  32-33
    2.3.5 综合演示模块设计  33-34
  2.4 小结  34-35
3 服务机器人物体识别技术研究  35-54
  3.1 引言  35-36
  3.2 颜色识别算法  36-38
    3.2.1 RGB 颜色空间  36-37
    3.2.2 HSV 颜色空间  37-38
  3.3 具有鲁棒性的高速特征采集（SURF）图像配准算法  38-46
    3.3.1 尺度空间极值检测  39-44
    3.3.2 特征点方向估计  44-45
    3.3.3 描述符生成  45-46
  3.4 SURF 算法的测试与分析  46-53
    3.4.1 尺寸缩放不变性  46-47
    3.4.2 垂直移动不变性  47-49
    3.4.3 角度旋转不变性  49-50
    3.4.4 物体遮挡不变性  50-51
    3.4.5 噪声干扰不变性  51-52
    3.4.6 光照改变不变性  52-53
  3.5 实验结果与分析  53
  3.6 小结  53-54
4 服务机器人定位导航技术研究  54-62
  4.1 引言  54-55
  4.2 StarGazer 星空定位系统工作原理  55-56
  4.3 StarGazer 星空定位系统地图构建  56-57
  4.4 机器人运动控制  57-59
  4.5 实验结果与分析  59-61
  4.6 小结  61-62
5 服务机器人物体抓取技术研究  62-76
  5.1 引言  62-63
  5.2 机械臂机械结构  63-64
  5.3 机械臂末端位置获取  64-69
    5.3.1 坐标系的选取  64-66
    5.3.2 机械手末端位置坐标确定  66-69
  5.4 机械臂运动学分析  69-73
    5.4.1 D-H 法建立坐标系  69-71
    5.4.2 机械臂逆运动学求解  71-73
  5.5 机械臂运动控制  73-74
  5.6 实验结果与分析  74-75
  5.7 小结  75-76
6 总结与展望  76-78
  6.1 结果与结论  76-77
  6.2 展望  77-78
参考文献  78-82
作者简历  82

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