基于視覺伺服的弧焊機器人焊接路徑獲取方法研究.pdf

1、目前，用于工業(yè)生產(chǎn)的弧焊機器人主要是示教再現(xiàn)型機器人。這種機器人在焊接每一種工件前均需要對焊接作業(yè)進行示教，在小批量生產(chǎn)時示教將占有大量的生產(chǎn)時間。應用視覺傳感器使機器人具備自主獲取焊接路徑的能力有助于提高機器人的智能化水平，具有很高的應用價值。 在已有的基于視覺的焊接路徑獲取研究中，視覺系統(tǒng)大多以開環(huán)方式工作，面臨著精度低、可靠性差等問題。為了解決這些問題，本文將視覺伺服方法引入到焊接路徑獲取的研究中來，對所涉及的各項技術進行

2、了深入的研究。 在建立機器人焊接路徑自主獲取試驗系統(tǒng)時，本文設計了伺服視覺傳感裝置。該裝置使得攝像機能夠在伺服電機的驅(qū)動下繞焊槍做可控角度的轉(zhuǎn)動，以增加控制攝像機取像位置的靈活性，并避免在跟蹤切線方向變化較大的焊縫時出現(xiàn)的線纜纏繞問題。利用該裝置還能夠?qū)崿F(xiàn)濾光片和減光片的自動加載和移開功能，以滿足攝像機在室內(nèi)光源和弧光兩種光源下取像的需要。 采用視覺伺服方法獲取焊縫坐標時，需要根據(jù)對局部焊縫圖像實時處理所獲得的焊縫信息實

3、現(xiàn)對機器人運動的閉環(huán)控制，圖像處理算法的抗干擾性至關重要。本文根據(jù)焊縫圖像的特點提出了兩套抗干擾性能很高的焊縫圖像處理算法：基于區(qū)域的算法和基于邊緣的算法?；趨^(qū)域的焊縫圖像處理算法包括中值濾波、準固定像素個數(shù)的閾值分割、細化和尺寸濾波等步驟。根據(jù)在跟蹤同一條焊縫時各幀圖像中的焊縫像素的個數(shù)基本不變的特點，所采用的準固定像素個數(shù)的閾值分割算法可以避免過多或過少地分割焊縫。采用尺寸濾波去除偽邊緣進一步保證了該套算法的抗干擾性能?；趨^(qū)域的

4、焊縫圖像處理算法運算量小，能快速處理出焊縫的中心線。@ 在與Cannv等邊緣檢測算法進行分析比較的基礎上，本文在基于邊緣的焊縫圖像處理算法中，采用SUSAN算法進行邊緣檢測。利用焊縫圖像中劃痕像素的亮度明顯高于其它像素的特點，在邊緣檢測前先去除圖像中工件上的劃痕。基于邊緣的焊縫圖像處理算法能處理出焊縫或工件的邊緣，進而能夠獲取焊接時焊縫的寬度信息。 細化后的圖像中常常存在有用線條上有分支難以提取準確信息而噪音線條由于分支較多難以

5、使用尺寸濾波器濾除的問題。本文采用了先打斷支線條，再用尺寸濾波器去除支線條的思路，提出了一種打斷支線條算法。該算法的功能為在保持主線條上兩個分支連通的基礎上，打斷支線條與主線條之間的連通性。 打斷支線條算法的基本原理為采用5×5的鄰域運算計算出分叉點處三條分支所在直線之間的夾角，即直線夾角組，根據(jù)其中最小的元素的序號確定支線條的位置并進行打斷。為了更好地設計打斷支線條算法，本文根據(jù)直線夾角組的定義對分支的分布類型進行了分類，并討

6、論了對各種情況的處理措施。利用在邊緣檢測后焊縫圖像中表示焊縫邊緣的線條為水平線條的概率較大等先驗知識定制了適合本應用的打斷支線條算法。為了有效地利用圖像信息控制機器人持焊槍沿焊縫運動，本文首先進行了視覺傳感系統(tǒng)的標定。采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡來擬合焊槍在圖像中的位置與傳感裝置上伺服電機的轉(zhuǎn)角之間的映射，解決了在圖像中的無法確定焊槍位置的問題。然后在定義了焊縫的位置偏差和角度偏差的基礎上，設計了焊縫跟蹤控制器，該控制器采用了前饋控制和反饋控制相結(jié)

7、合的復合控制方法，其中反饋控制部分為PD控制器。針對視覺伺服方法在獲取有曲率突變的焊縫的坐標時存在的問題，提出了可行的解決方案。 在跟蹤焊縫過程中，本文通過使用焊縫偏差修正當前焊槍在機器人基坐標系下的坐標和傳感裝置中伺服電機的角度以更加精確地獲取焊縫坐標和規(guī)劃攝像機的取像位置。 在獲取搭接接頭的焊接路徑時，提出了根據(jù)獲取的焊縫坐標和工藝要求的焊槍角度來自動規(guī)劃和調(diào)整焊槍和攝像機姿態(tài)的方法。根據(jù)焊接工藝的特點定義了工具姿態(tài)

8、的幾何約束，包括焊接方向角、焊槍工作角和焊接行進角等三個參數(shù)。在此基礎上確定了工具姿態(tài)的X-Y-Z固定角描述。利用微分運動矢量方程計算出從當前工具姿態(tài)到達目標工具姿態(tài)所需的姿態(tài)調(diào)整量，然后對姿態(tài)調(diào)整量進行插值計算出用于機器人調(diào)整工具姿態(tài)的姿態(tài)增量。針對當姿態(tài)調(diào)整較大時使用微分運動矢量方程計算的結(jié)果存在較大誤差的問題給出了解決方案。此外，本文定義了前傾、后傾、左傾、右傾等概念來描述焊槍的姿態(tài)，以便能夠根據(jù)實際工況快速地確定焊槍角度參數(shù)的符