基于雙目視覺的弧焊機(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編程型,這兩類工業(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調(diào)節(jié)、自主規(guī)劃的功能,對實現(xiàn)焊接機(jī)器人的自主焊接具有十分重要的現(xiàn)實意義。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程對環(huán)境的觀察和適應(yīng)能力,將兩個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、,利用雙目視覺原理實現(xiàn)初始焊接位置的識別和導(dǎo)引,獲取焊縫的三維空間信息,為進(jìn)一步實現(xiàn)焊接機(jī)器人自主焊接奠定了基礎(chǔ)?；谝曈X傳感的焊縫初始位置定位和三維信息獲取是一個視覺三維重建的過程。雙目立體視覺是三維重建的重要方法之一,本文將兩個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算整個焊縫在機(jī)器人坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo),控制機(jī)器人運動到初始焊接位置并能在焊前

3、沿焊縫路徑運動。圖像的識別是視覺定位的基礎(chǔ),針對焊接環(huán)境本身的特點,本文提出了一套宏觀環(huán)境下初始焊接位置和焊縫識別算法。該算法首先進(jìn)行焊縫的識別,然后利用識別后的圖像對初始焊位進(jìn)行圖像定位。焊縫的識別包括反光區(qū)域的去除、圖像增強(qiáng)、邊緣檢測及后續(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(簡稱ARFIE),根據(jù)歸一化的相對圖像模糊對比度對圖像進(jìn)行自適應(yīng)分區(qū),根據(jù)分區(qū)級別信息進(jìn)行模糊增強(qiáng),可對不同對比度的圖像獲得良好的增強(qiáng)效果。焊縫的整體

4、識別算法可很好的識別不同材料和不同焊接環(huán)境下的工件圖像。對初始焊位的圖像定位,本文提出以焊縫與工件邊緣交點做初始值,局部范圍內(nèi)角點提取定位的算法,可精確的識別初始焊位。標(biāo)定是從二維圖像信息到三維空間信息的橋梁,本文對建立雙目視覺系統(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)校正不變量優(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。該算法對理論投影區(qū)域進(jìn)行估計,利用該區(qū)域內(nèi)的信息設(shè)計了優(yōu)化校正關(guān)系。試驗表明,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,大大提高了圖像對校正的質(zhì)量。針對校正后的立體圖像對提出一種由粗到細(xì)的多信息匹配算法(簡稱CTFMIMM),該算法利用初始焊接位置等焊接環(huán)境中的特殊點給出匹配搜索范圍,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。該算法是一種基于結(jié)構(gòu)化的邊緣特征信息、興趣點和灰度相關(guān)的協(xié)同匹配方法。對焊縫信息進(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)器人的運動。分析了機(jī)器人誤差對三維視覺計算的影響――包括機(jī)器人重復(fù)定位精度和TCP控制點的影響。試驗表明,機(jī)器人重復(fù)定位精度對視覺計算的影響標(biāo)準(zhǔn)誤差不大于0.3

7、mm,當(dāng)TCP標(biāo)定最大誤差超過1mm后需要進(jìn)行重新標(biāo)定。詳細(xì)分析視覺系統(tǒng)配置對視覺計算的影響,試驗測試進(jìn)一步證明了分析推導(dǎo)結(jié)果。在介紹試驗系統(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。試驗表明,不含機(jī)器人運動誤差的純視覺計算誤差小于0.56mm。對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。對于整條焊縫三維信息的計算,平面焊縫的最大平面距離誤差和高度誤差分別是1.2mm,