基于雙目視覺(jué)的弧焊機(jī)器人焊縫三維信息獲取研究.pdf

1、現(xiàn)有的焊接機(jī)器人系統(tǒng)從整體上看基本都屬于第一代的示教再現(xiàn)型或部分第二代的離線(xiàn)編程型,這兩類(lèi)工業(yè)生產(chǎn)中服役的機(jī)器人都不具有適應(yīng)焊接環(huán)境和作業(yè)條件變化的能力。使焊接機(jī)器人能夠根據(jù)一定的傳感信息而具有自動(dòng)調(diào)節(jié)、自主規(guī)劃的功能,對(duì)實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人的自主焊接具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。為了增強(qiáng)弧焊機(jī)器人的自主能力和自適應(yīng)能力,提高機(jī)器人智能化水平,本文模擬焊工在焊接過(guò)程對(duì)環(huán)境的觀察和適應(yīng)能力,將兩個(gè)CCD攝像機(jī)安裝在機(jī)器人末端,在較大范圍內(nèi)觀察焊接環(huán)境

2、,利用雙目視覺(jué)原理實(shí)現(xiàn)初始焊接位置的識(shí)別和導(dǎo)引,獲取焊縫的三維空間信息,為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人自主焊接奠定了基礎(chǔ)?；谝曈X(jué)傳感的焊縫初始位置定位和三維信息獲取是一個(gè)視覺(jué)三維重建的過(guò)程。雙目立體視覺(jué)是三維重建的重要方法之一,本文將兩個(gè)CCD成一定角度配置,安裝在機(jī)器人末端,使得焊接環(huán)境處于雙目的有效視場(chǎng)內(nèi),獲取宏觀環(huán)境下的圖像,在較大范圍內(nèi)自主尋找初始焊接位置和計(jì)算整個(gè)焊縫在機(jī)器人坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo),控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到初始焊接位置并能在焊前

3、沿焊縫路徑運(yùn)動(dòng)。圖像的識(shí)別是視覺(jué)定位的基礎(chǔ),針對(duì)焊接環(huán)境本身的特點(diǎn),本文提出了一套宏觀環(huán)境下初始焊接位置和焊縫識(shí)別算法。該算法首先進(jìn)行焊縫的識(shí)別,然后利用識(shí)別后的圖像對(duì)初始焊位進(jìn)行圖像定位。焊縫的識(shí)別包括反光區(qū)域的去除、圖像增強(qiáng)、邊緣檢測(cè)及后續(xù)處理等步驟,本文提出的自適應(yīng)分區(qū)模糊增強(qiáng)算法(簡(jiǎn)稱(chēng)ARFIE),根據(jù)歸一化的相對(duì)圖像模糊對(duì)比度對(duì)圖像進(jìn)行自適應(yīng)分區(qū),根據(jù)分區(qū)級(jí)別信息進(jìn)行模糊增強(qiáng),可對(duì)不同對(duì)比度的圖像獲得良好的增強(qiáng)效果。焊縫的整體

4、識(shí)別算法可很好的識(shí)別不同材料和不同焊接環(huán)境下的工件圖像。對(duì)初始焊位的圖像定位,本文提出以焊縫與工件邊緣交點(diǎn)做初始值,局部范圍內(nèi)角點(diǎn)提取定位的算法,可精確的識(shí)別初始焊位。標(biāo)定是從二維圖像信息到三維空間信息的橋梁,本文對(duì)建立雙目視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定,包括雙目各自的內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定,相互位置關(guān)系的標(biāo)定和手眼關(guān)系的標(biāo)定,系統(tǒng)配置一旦確定后,攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)就不再變化,而手眼關(guān)系可能在作業(yè)中發(fā)生變化,本文直接利用工件圖像的信息進(jìn)行了手眼關(guān)系的標(biāo)定。立體匹

5、配是立體視覺(jué)中的關(guān)鍵和難題之一。本文提出一種一般性配置攝像機(jī)校正不變量?jī)?yōu)化校正算法,將任意配置的雙目系統(tǒng)校正到理想的平行配置情況。該算法對(duì)理論投影區(qū)域進(jìn)行估計(jì),利用該區(qū)域內(nèi)的信息設(shè)計(jì)了優(yōu)化校正關(guān)系。試驗(yàn)表明,該算法能減小校正圖像的變形和圖像信息的丟失,提高圖像分辨率,大大提高了圖像對(duì)校正的質(zhì)量。針對(duì)校正后的立體圖像對(duì)提出一種由粗到細(xì)的多信息匹配算法(簡(jiǎn)稱(chēng)CTFMIMM),該算法利用初始焊接位置等焊接環(huán)境中的特殊點(diǎn)給出匹配搜索范圍,確定匹

6、配候選集合,然后利用邊緣特征信息的強(qiáng)度和方向信息作為約束條件并充分利用原圖像的灰度信息,根據(jù)提出的灰度相似性參數(shù)DOGs最后確定唯一正確的匹配點(diǎn)。該算法是一種基于結(jié)構(gòu)化的邊緣特征信息、興趣點(diǎn)和灰度相關(guān)的協(xié)同匹配方法。對(duì)焊縫信息進(jìn)行了三維重建,并將其轉(zhuǎn)換到機(jī)器人坐標(biāo)系下,便于控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。分析了機(jī)器人誤差對(duì)三維視覺(jué)計(jì)算的影響――包括機(jī)器人重復(fù)定位精度和TCP控制點(diǎn)的影響。試驗(yàn)表明,機(jī)器人重復(fù)定位精度對(duì)視覺(jué)計(jì)算的影響標(biāo)準(zhǔn)誤差不大于0.3

7、mm,當(dāng)TCP標(biāo)定最大誤差超過(guò)1mm后需要進(jìn)行重新標(biāo)定。詳細(xì)分析視覺(jué)系統(tǒng)配置對(duì)視覺(jué)計(jì)算的影響,試驗(yàn)測(cè)試進(jìn)一步證明了分析推導(dǎo)結(jié)果。在介紹試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上給出了根據(jù)本文方法進(jìn)行的幾種典型焊縫初始焊位導(dǎo)引與焊縫三維信息獲取的試驗(yàn)。試驗(yàn)表明,不含機(jī)器人運(yùn)動(dòng)誤差的純視覺(jué)計(jì)算誤差小于0.56mm。對(duì)空間焊縫初始焊接位置的導(dǎo)引,x、y、z方向上的最大誤差小于1.1mm。對(duì)于整條焊縫三維信息的計(jì)算,平面焊縫的最大平面距離誤差和高度誤差分別是1.2mm,