空间焊缝视觉测量与跟踪控制
文献类型：学位论文
| 作者 | 戚玉涵 |
| 学位类别 | 工学博士 |
| 答辩日期 | 2013-11-26 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院自动化研究所 |
| 导师 | 谭民 ; 景奉水 |
| 关键词 | 视觉测量 焊缝跟踪 结构光平面标定 焊缝建模 轨迹规划 visual measurement weld tracking structure light plane calibration weld modeling trajectory planning |
| 其他题名 | Visual Measurement and Tracking Control for Space Weld |
| 学位专业 | 控制理论与控制工程 |
| 中文摘要 | 目前，应用于工业生产的弧焊机器人大都工作在示教再现模式下，焊接前需要由人工示教焊枪路径，在小批量生产和焊接复杂形状焊缝时，人工示教费时费力。弧焊机器人焊接时往往缺乏应变能力，焊接作业条件的变化将会造成焊接失败。给弧焊机器人安装视觉传感器，利用视觉传感方式获取焊缝信息，使机器人能够感知焊缝偏差，可以提高弧焊机器人的自主能力和焊接的可靠性。 本文针对空间焊缝视觉跟踪技术展开研究，内容包括空间焊缝视觉测量和弧焊机器人空间焊缝跟踪控制两方面。论文的主要工作如下： 第一，研究了弧焊机器人平面焊缝视觉跟踪技术，设计了自然光环境下的平面焊缝视觉传感系统；研究了基于图像伺服的机器人视觉控制策略，依据焊缝图像特征偏差对机器人末端焊枪进行纠偏调整，实现了对平面焊缝的视觉跟踪。 第二，针对V型坡口的空间焊缝，设计了空间焊缝视觉测量系统，采用结构光视觉传感方式获取空间焊缝的位置信息；针对结构光平面参数，提出了一种基于直线基元的结构光平面参数标定方法，通过控制机器人末端有约束地运动一次，在平面靶标上得到两条不重合的结构光条纹，以条纹直线作为基元实现了结构光平面的参数标定。 第三，针对V型坡口的空间焊缝图像，采用像素点灰度值按行累加的方法，确定了图像的ROI；设计了一种中心线快速提取算子，得到单像素结构光条纹中心线；采用沿条纹中心线遍历的方法，对条纹上线段的斜率进行差异性比较，提取了焊缝两侧边缘点；分别对左边缘点右邻域内的中心点和右边缘点左邻域内的中心点进行最小二乘直线拟合，提取了焊缝底部中心点。 第四，建立了空间焊缝的位置模型，提出了一种基于内插节点的三次参数样条拟合方法，在稀疏的焊缝采样点中间内插节点以消除样条拟合产生的扰动，通过对采样点所处焊缝段的线性度分析，估计了内插节点的取值，实现了对焊缝整体环境的建模；建立了空间焊缝的姿态模型，得到各焊缝路径点处的焊缝坐标系，实现了对焊缝局部环境的建模。 第五，为满足弧焊机器人空间焊缝跟踪的精度要求，对空间焊缝的路径进行插补，提出了一种空间焊缝位置的定距插值算法，求取了机器人基坐标系下焊缝路径点的三维坐标；提出了一种焊缝坐标系的线性内插算法，用于估计插值路径点处的焊缝坐标系；规划了弧焊机器人末端焊枪的路径，给出了焊枪位姿的求解方法；为保证焊缝跟踪误差在容许范围内，定量分析了焊枪运动线速度的约束条件。 第六，为满足弧焊机器人焊缝跟踪稳定性的要求，规划了机器人关节空间的运动轨迹，提出了一种关节空间中加速度连续可控的轨迹规划算法，将关节轨迹上的3个路径点作为一个计算单元，依据机器人关节路径点的数据，利用多项式函数对各路径点进行拟合，得到平滑的关节轨迹曲线，确保机器人各关节位置、角速度和角加速度的连续；通过对多项式函数进行插补，计算得到了插值时刻机器人关节运动的数据，实现了对机器人关节运动的实时控制。 第七，总结了本文的研究工作，并提出了下一步的研究计划。 |
| 英文摘要 | At present, most welding robots used in industrial production are teach-and-playback robots. The torch path has to be taught manually before welding, this artificial teaching mode is time consuming and laborious especially in small batch production and complex shaped work-piece’s welding. Welding robots often lack adaptability, welding may fail when working environment changed. Therefore, to install visual sensors on welding robots to enable robots have the ability to obtain welding information and detect weld bias, which can improve the autonomous ability of welding robot as well as welding reliability. In this thesis, the visual tracking technology for space weld is studied, including visual measurement and welding robots tracking control. The paper’s main work is as follows: Firstly, a visual sensing system for planar weld under natural light is designed, and the robot visual servo control strategy based on image servo is studied. The position of welding torch can be rectified according to the image feature bias, so planar weld visual tracking can be implemented. Secondly, a V-groove space weld visual measurement system is designed, the position of space weld can be measured using the structure light vision sensing way. A method of the structure light plane parameters’ calibration is proposed based on stripe lines as primitive elements, the robot is controlled to move for one time, two non-coincident stripe lines on target plane are generated, then the structured light plane parameters’ calibration can be realized taking advantage of stripe lines. Thirdly, the ROI of the V-groove space weld image is determined, and a fast centerline extraction operator is designed to extract the stripe center line with a single pixel. By traversing along the stripe center line and comparing the slopes of stripe segments, two edge feature points are detected. Fitting the center points on stripe center line around two edge points by least squares line fitting method, the bottom feature point is determined. Fourthly, the position model of the space weld is established, a cubic parameter spline fitting method based on interpolation nodes is put forward which can eliminate the disturbance generated by spline fitting, the value of the interpolation nodes are estimated by analyzing the linearity of weld segments. The orientation model of the space weld is established, so the space weld’s orientation can be described. Fifthly, to meet the accuracy requirement of weldi... |
| 语种 | 中文 |
| 其他标识符 | 201018014628011 |
| 源URL | [http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/6563]  |
| 专题 | 毕业生_博士学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 戚玉涵. 空间焊缝视觉测量与跟踪控制[D]. 中国科学院自动化研究所. 中国科学院大学. 2013. |
入库方式： OAI收割
来源：自动化研究所
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