标题：排爆机器人的研究与开发
图书信息
  　　  书 名: 排爆机器人的研究与开发 
作　者：藤本(RichardM.Fujimoto) 　　
出版社：电子工业出版社　　
出版时间 2010年3月1日 　　
ISBN： 9787121100482 　　
开 本：16开 　　
定 价： 42.00元
内容简介
本书以作者所作博士后研究工作报告为背景,以排爆机器人机械臂单关节遥控操作、联动遥控操作、机械手一次自动到位遥控操作3种工作模式为中心,进行了深入的研究与开发。在特殊约束条件下，解决了5自由度机器手逆运动学求解困难的问题。应用“双目立体视觉”技术，解决了爆炸物目标测距的问题。运用观测图像，实现了排爆机器人手爪柔性控制策略，保障了抓取爆炸物的安全，研制出了具有自主知识产权的排爆机器人。
图书目录
目    录
第1章  排爆机器人发展现状及关键技术 （1）
1.1  排爆机器人研究现状 （1）
1.1.1  国内外的研究现状 （1）
1.1.2  排爆机器人的关键技术 （6）
1.1.3  排爆机器人的发展趋势 （7）
1.2  计算机立体视觉的研究现状 （8）
1.2.1  双目立体视觉的研究内容 （9）
1.2.2  双目立体视觉研究现状 （10）
1.2.3  应用于移动机器人的立体视觉系统 （11）
1.3  机器人的计算机控制技术 （12）
1.4  选题背景及主要研究工作 （13）
1.4.1  选题背景 （13）
1.4.2  目前排爆机器人存在的问题 （14）
第2章  智能排爆机器人的系统组成 （15）
2.1  智能排爆机器人总体设计原则 （15）
2.2  履带式排爆机器人移动车体机构设计 （16）
2.3  机械臂 （22）
2.3.1  自由度 （22）
2.3.2  机械臂结构 （23）
2.4  智能排爆机器人的3种作业模式 （23）
2.4.1  基于计算机视觉的目标物遥控操作模式 （23）
2.4.2  机械臂联动操作模式 （24）
2.4.3  机械臂单关节操作模式 （25）
2.5  智能排爆机器人系统软件的功能模块 （25）
2.5.1  双目立体视觉子系统 （25）
2.5.2  运动学控制遥操作子系统 （25）
2.6  智能排爆机器控制系统 （26）
2.6.1  概述 （26）
2.6.2  现场主控制计算机 （27）
2.6.3  无线传输设备 （28）
2.6.4  嵌入式PC/104计算机 （29）
2.6.5  数据采集卡 （30）
2.6.6  光电编码器与直流电机 （31）
2.6.7  H桥式直流电机驱动电路 （32）
2.7  本章小结 （33）
第3章  视频图像捕获及图像预处理 （34）
3.1  视频图像处理方法 （34）
3.1.1  图像捕获硬件系统的选型与设计 （34）
3.1.2  视频图像捕获的软件实现 （36）
3.2  图像预处理方法研究 （40）
3.2.1  图像噪声的分类 （40）
3.2.2  图像滤波去噪声算法的研究 （41）
3.3  基于特定选点的自适应窗口的中值滤波算法 （44）
3.3.1  去噪声算法基本思想 （44）
3.3.2  去噪声算法的实现步骤 （45）
3.3.3  实验结果及分析 （47）
3.4  本章小结 （49）
第4章  双目立体视觉系统的标定 （50）
4.1  双目立体视觉系统的透视变换与摄像机模型 （50）
4.1.1  标定中的各种坐标系 （50）
4.1.2  双目立体视觉系统各坐标系的变换 （52）
4.1.3  摄像机的标定参数 （54）
4.1.4  摄像机镜头的畸变 （55）
4.2  摄像机内外参数的标定方法 （56）
4.2.1  传统的摄像机标定方法 （57）
4.2.2  摄像机自标定方法 （59）
4.2.3  基于主动视觉的标定方法 （59）
4.2.4  其他的一些标定方法 （60）
4.3  一种内外参数分离的标定方法 （60）
4.3.1  摄像机内参数标定 （60）
4.3.2  摄像机外参数标定 （64）
4.3.3  摄像机标定实验步骤及结果 （64）
4.4  本章小结 （67）
第5章  双目系统立体匹配与三维坐标的计算 （68）
5.1  双目立体系统匹配的基本问题 （68）
5.1.1  匹配基元的选择 （69）
5.1.2  匹配准则 （69）
5.1.3  双目系统立体匹配的算法结构 （72）
5.2  双目系统立体匹配算法 （72）
5.2.1  常用立体匹配算法 （73）
5.2.2  双目系统立体匹配在理论和技术上存在的问题 （74）
5.2.3  双目立体系统区域相关匹配算法 （75）
5.3  视觉系统控制点修正的金字塔双层动态规划立体匹配算法 （77）
5.3.1  控制点修正的动态规划立体匹配算法 （78）
5.3.2  控制点修正的金字塔双层动态规划立体匹配算法 （80）
5.3.3  实验与结果分析 （82）
5.4  双目立体视觉三维坐标的深度计算 （83）
5.4.1  三维坐标的数值计算 （84）
5.4.2  双目立体视觉系统实验结果 （85）
5.5  本章小结 （88）
第6章  排爆机器人机械臂运动学分析 （89）
6.1  3臂杆5自由度机械臂 （89）
6.1.1  机械臂工作平面分析 （90）
6.1.2  手腕摆动关节设计（第四关节） （92）
6.1.3  前臂结构设计 （94）
6.1.4  前臂刚度校核 （95）
6.1.5  肘关节设计（第三关节） （97）
6.1.6  上臂结构设计 （98）
6.1.7  驱动系统设计 （100）
6.1.8  第一关节设计 （101）
6.2  3臂杆5自由度机械臂的运动学特性分析 （102）
6.2.1  3臂杆5自由度机械臂运动学方程 （103）
6.2.2  3臂杆5自由度机械臂运动学方程求解 （104）
6.3  3臂杆5自由度机械臂运动学求解过程简化 （105）
6.3.1  机械臂平面内的运动 （106）
6.3.2  腰部回转关节的运动 （108）
6.3.3  解析的正逆运动学方程 （108）
6.4  本章小结 （109）
第7章  排爆机器人的伺服控制系统 （110）
7.1  介绍MATLABRTW、xPC的概念 （110）
7.1.1  MATLABRTW的基本介绍 （110）
7.1.2  xPC目标应用环境 （113）
7.1.3  排爆机器人控制系统控制模型的开发 （115）
7.2  运动控制模型 （116）
7.2.1  模型总体框架 （116）
7.2.2  系统初始化 （116）
7.2.3  主控制模块 （118）
7.2.4  机械臂运动关节的位置伺服控制模型 （119）
7.3  控制指令 （124）
7.4  排爆机器人手爪的柔性控制 （126）
7.4.1  手爪夹持机构的受力分析 （126）
7.4.2  可疑爆炸物的质量估计与夹持宽度估计 （128）
7.4.3  可疑爆炸物的夹持表面粗糙度估计 （128）
7.4.4  排爆机器人电流伺服控制系统的实现 （129）
7.5  本章小结 （130）
第8章  排爆机器人遥操作控制流程及误差分析 （131）
8.1  遥操作子系统软件 （132）
8.2  DirectInput简介 （133）
8.3  DirectInput组件 （133）
8.4  遥操作过程及控制指令 （133）
8.5  智能排爆机器人的排爆操作过程 （134）
8.6  实验研究 （140）
8.6.1  实验设备和仪器 （140）
8.6.2  机器人自动抓取目标物实验 （140）
8.6.3  误差分析 （143）
8.7  本章小结 （144）
第9章  摇杆控制 （145）
9.1  主要程序代码 （145）
9.2  控制指令 （153）
9.2.1  串口通信 （153）
9.2.2  手柄控制指令 （155）
第10章  供电与辅助系统设计 （162）
10.1  供电系统设计 （162）
10.2  辅助系统设计 （162）
结论 （163）
附件一  排爆机器人开发软件 （165）
参考文献 （225）
图书前言
前    言
排爆机器人是指代替人到不能去或不适宜去的、有爆炸或有危险的环境中，直接在事发现场进行侦察、排除和处理爆炸物或其他危险品，也可以对一些持枪的恐怖分子及犯罪分子实施有效攻击的移动机器人。排爆机器人的关键在于能自主获取、处理和识别目标物信息，具有一定的自主分析能力，能够自主完成较为复杂的操作任务，比一般的工业机器人具有更大的灵活性。要求机器人具有对环境的感知能力，随着机器视觉理论研究的发展以及双目视觉系统本身的仿人优势，视觉传感器成为最重要的选择对象。机器人视觉系统最主要和最基本的功能就是三维空间的定位，即确定机器人观察目标的空间三维坐标。本书以智能排爆机器人的研制为背景，阐述了其双目立体视觉和抓取控制的若干关键技术。
本书主要介绍了如下内容：
双目立体视觉子系统——完成根据图像坐标计算三维坐标的功能。作者详细描述了双目立体视觉的原理、双目立体视觉的数学模型、利用“黑白方格模板”对双目立体视觉进行标定（数学模型参数的识别）的原理和算法步骤，以及对该机器人双目立体视觉子系统的软硬件实现。
运动学控制遥操作子系统——则完成按运动学控制方法对机械臂实施“遥操作”的功能。经过合理的简化处理，我们得到了该“3臂杆5自由度机械臂”的一种解析运动学描述方法。然后基于该解析的运动学模型，实现了该机械臂的遥操作系统，包括后台的遥操作系统软件以及现场的位置伺服控制系统。 
针对目前排爆机器人手动控制方式的不足，研究和开发了一种基于双目视觉定位的半智能排爆机器人控制系统，用于实现排爆机器人的自动抓取。提出了排爆机器人的两种智能作业模式：基于视觉的目标物自动抓取模式和联动操作模式。在基于视觉的目标物自动抓取模式中，操作者只需在传回的现场图像中标示出目标物，机械手臂就能自动实施抓取；在联动操作模式中，操作者能对机械手臂进行“整体”的联动控制，控制机械手臂手爪的各个方向运动，从而能很方便地抓取目标物。
本书阐述了半智能排爆机器人控制系统软硬件结构的基本组成，重点介绍了机器人运动控制模型的实现。机器人车载PC/104计算机中的运动控制模型主要完成机器人软硬件的初始化功能、主控制机与目标机的通信功能及各机械臂关节的运动控制。采用Ziegler-Nichols方法，整定增益参数，并综合利用多种PID控制技术，从而设计出一种具有专家特性的PID控制器，机器人关节运动平稳且无静态误差，系统具有很好的鲁棒性和实时性。另外，本书简要介绍了机器人的组成和机械手臂的结构，详细介绍了用几何解法实现机械手的运动学反解的方法，并提出了一种解析的运动学描述，基于该解析的运动学简化模型实现了该机械臂运动学的遥操作系统。除此之外，还介绍了机器人车载PC/104与数据采集卡ADT652等硬件的性能和配置，以及直流电机伺服控制系统的实现过程。
采用双目立体视觉识别系统，给出了图像中可疑爆炸物的质量估计与夹持宽度估计；根据爆炸物预抓取部位图像矩阵的列单色灰度差分，给出了爆炸物表面粗糙度的估计方法。同时构建了完成排爆机器人手爪柔性控制策略所需的电流伺服控制系统。
最后本书介绍了排爆机器人自动控制系统以及遥操作系统的使用，并进行了排爆机器人自动抓取目标物的试验。通过该试验验证机器人控制系统的性能，试验中在X、Y、Z方向上选取多个测试点，测量机器人手臂定位到目标点的误差，获得在X、Y、Z方向的误差趋势，同时得出机械手的最佳抓取空间。
本书得到了合作导师华南理工大学姚锡凡教授，日本早稻田大学蒋梁中教授的指导，对此表示由衷的感谢。同时感谢同实验室的汪伟、范陆桥、杨进、曹杰等同事给予我的诸多帮助。
本书的出版得到了福建省教育厅JK类科研课题和厦门理工学院专著出版基金的资助。
著者
2009年12月