遙控焊接機(jī)器人任務(wù)空間的三維重建研究.pdf

1、核電站的維修、空間結(jié)構(gòu)的建造以及海洋工程的建設(shè)大量用到了焊接技術(shù)，機(jī)器人遙控焊接技術(shù)是代替人進(jìn)入這類危險(xiǎn)、極限環(huán)境中執(zhí)行焊接操作的最佳選擇。在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的遙控焊接中，通過機(jī)器人任務(wù)空間的三維重建，發(fā)揮機(jī)器人自動(dòng)化功能可以避免對(duì)操作者的過分依賴、提高系統(tǒng)的效率和安全性。此外，焊接機(jī)器人全自主焊接的發(fā)展也需要提高機(jī)器人感知環(huán)境的能力。本文基于立體視覺技術(shù)，針對(duì)遙控焊接機(jī)器人任務(wù)空間的三維重建進(jìn)行了深入研究，實(shí)現(xiàn)了無紋理焊接環(huán)境的三維建模。

2、
　　本文建立了用于遙控焊接機(jī)器人任務(wù)空間三維重建的立體視覺系統(tǒng)，并完成了系統(tǒng)標(biāo)定和極線校正。系統(tǒng)標(biāo)定建立了機(jī)器人坐標(biāo)系中空間點(diǎn)與攝像機(jī)圖像上像素點(diǎn)的映射關(guān)系。極線校正算法通過對(duì)圖像進(jìn)行重采樣，將對(duì)應(yīng)極線變換到圖像掃描線上，降低了立體匹配算法復(fù)雜度。
　　焊接場(chǎng)景中紋理的缺乏導(dǎo)致立體匹配尤為困難，本文采用主動(dòng)光源向場(chǎng)景添加紋理，采用基于單圖像對(duì)的特征匹配和基于圖像序列的時(shí)空立體視覺算法完成立體匹配。
　　在單圖像對(duì)的立

3、體匹配中，使用角點(diǎn)特征和線特征兩種特征。采用亞像素檢測(cè)算法提取角點(diǎn)特征，以人機(jī)交互或者自動(dòng)匹配算法完成了外圍設(shè)備和簡單工件圖像對(duì)的立體匹配。本文提出一種焊縫線特征檢測(cè)算法，用于焊縫圖像的立體匹配。該算法通過底帽變換形態(tài)學(xué)預(yù)處理，突出焊縫區(qū)域，用Canny邊緣檢測(cè)和閉操作獲得初始的像素級(jí)焊縫邊緣點(diǎn)；依據(jù)焊縫的連續(xù)性和寬度有限對(duì)初始邊緣點(diǎn)進(jìn)行篩選，剔除錯(cuò)誤點(diǎn)；然后用三次平滑樣條擬合獲得了光滑的亞像素精度的焊縫邊緣點(diǎn)。在極線約束下完成焊縫特征

4、的立體匹配。
　　本文設(shè)計(jì)了一種鋸齒式多級(jí)對(duì)偶灰度光源序列向場(chǎng)景中添加紋理，并提出了歸一化 SSSD匹配算法，對(duì)時(shí)空立體視覺技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，解決了焊接無紋理環(huán)境的立體匹配問題。歸一化 SSSD匹配算法通過對(duì)不同時(shí)刻圖像對(duì)SSD的歸一化處理提高了匹配精度。采用曲線擬合的方法求解亞像素視差，通過左右一致性檢驗(yàn)和圖像序列的灰度跟蹤，去除了視差圖中的錯(cuò)誤區(qū)域，并引入了各向異性擴(kuò)散濾波對(duì)視差圖進(jìn)行保留深度突變的平滑處理。
　　本文進(jìn)一步

5、對(duì)從視差圖或者點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲得任務(wù)空間的三維模型進(jìn)行了研究。根據(jù)視差圖的特點(diǎn)可以直接從視差圖生成場(chǎng)景的三角網(wǎng)格模型；另外，通過視差圖的分割和曲面擬合也可獲得焊接工件的標(biāo)準(zhǔn)幾何模型。本文改進(jìn)了 USF距離圖平面分割算法，增加了區(qū)域合并步驟，使其能夠用于含有圓柱面的視差圖的分割。對(duì)于分割后的屬于不同表面的點(diǎn)云，通過曲面擬合的算法建立模型，這里對(duì)平面、一般二次曲面和圓柱面擬合進(jìn)行了研究。其中，平面擬合采用特征向量分解法，一般二次曲面采用正則化最小

6、二乘法擬合，而圓柱面擬合提出一種主成分分析法與非線性最小二乘迭代結(jié)合的新算法。針對(duì)焊縫，采用 NURBS曲線擬合算法從焊縫點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立了焊縫曲線模型。
　　針對(duì)典型的焊接任務(wù)空間，進(jìn)行了外圍設(shè)備、焊接工件和焊縫的三維重建實(shí)驗(yàn)，并對(duì)系統(tǒng)標(biāo)定誤差和重建結(jié)果誤差進(jìn)行了分析。標(biāo)定的絕對(duì)誤差在X、Y、Z方向上絕對(duì)值的平均數(shù)為[0.260.180.74]mm，最大誤差的絕對(duì)值為[0.420.402.15]mm。外圍設(shè)備頂點(diǎn)的絕對(duì)定位誤差為6.

7、53mm；在焊接工件的重建實(shí)驗(yàn)中，平面工件擬合誤差為0.92mm，邊長平均偏差3.43mm；馬鞍形工件的擬合誤差為1.35mm，高度和圓柱半徑平均偏差2.25mm。焊縫的重建結(jié)果中，S型焊縫的重建焊縫與真實(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的平均距離誤差為1.10mm，圓柱對(duì)接焊縫的平均距離誤差為1.33mm。重建實(shí)驗(yàn)結(jié)果和誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文基于立體視覺的三維重建算法可以克服焊接場(chǎng)景無紋理的缺點(diǎn)，獲得精度較高的重建結(jié)果，能夠滿足遙控機(jī)器人任務(wù)空間的建模需要。