基于双目视觉的立体曲面焊接机器人测控关键技术研究

摘要

工业领域空间任意曲面焊缝的焊接是焊接机器人研究中的一个热点课题，是实现焊接过程自动化、智能化、信息化的关键。由于在该工作过程中存在焊缝模型难以预先确定、焊接机器人自主能力弱、焊接效率低、扰动大等问题。本文采用立体匹配、焊缝建模、轨迹跟踪、路径规划等方法，构建了针对空间曲面焊缝的双目视觉焊接机器人系统，对以上问题的测控算法进行了优化研究。　　本文主要的研究工作如下:　　1、研究了一种基于二维标定模板的双目摄像机标定算法。根据二维标定模板到摄像机成像平面的转换矩阵，计算出摄像机的内外参数以及双目摄像机的相对位置，通过非线性优化算法，减少噪声和摄像头畸变的影响，提高了摄像机参数标定精度。　　2、提出了一种基于自适应窗口的多信息立体匹配算法。针对焊接机器人的三维焊缝定位问题，改进传统canny算子焊缝边缘特征提取算法，根据外极线约束、边缘差分强度和梯度方向相似性约束等条件，缩小了待匹配点的搜索区间，构建待匹配点的邻域自适应窗口，动态增长确定正确匹配点，有效提高了边缘检测精度和抑制噪声。　　3、提出了一种基于空间焊缝分段拟合和轨迹跟踪方法。针对焊缝的分散边缘点无法直接被焊接机器人系统利用的问题，将相同方向边缘点按一定的数量阈值分为若干区间，对每一段区间的焊缝点使用最小二乘拟合，并通过实时采集焊缝图像进行位置修正计算，实现焊枪对焊缝轨迹的在线跟踪。　　4、研究了在三维关节空间下机器人运动的路径规划算法。针对双目焊接机器人末端手臂的路径规划问题，改进传统的三次多项式路径插值算法，在过路径点不停留约束情况下对路径点进行插值，用插值前后两个三次多项式函数组合的方式进行路径规划;在路径点邻域范围内增加抛物线的缓冲区域，使关节的位移、速度变为平滑的连续函数，进而改善了线性插值路径算法下的关节角速度不连续与角加速度越来越大对工件冲击的影响。　　应用Matlab软件对摄像机标定算法、立体匹配算法进行了实验，证明了算法的可行性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 焊接机器人及机器人焊接应用现状

1．2．2 双目立体视觉在焊接机器人应用中的研究现状

1．2．3 焊缝检测与跟踪的研究现状

1．2．4 焊接机器人路径规划与控制方法研究现状

1．3 本文研究内容及章节安排

1．3．1 论文主要研究内容

1．3．2 论文章节安排

第二章 双目焊接机器人系统结构与功能

2．1 双目视觉系统

2．2 跟踪控制系统与执行机构

2．3 双目焊接机器人系统功能分析

2．3．1 双目摄像机的标定

2．3．2 图像采集和处理

2．3．3 双目图像特征提取

2．3．4 立体匹配与三维重建

2．3．5 焊缝建模与轨迹跟踪

2．3．6 路径规划

第三章 双目视觉摄像机的参数标定

3．1 参考坐标系介绍

3．2 线性摄像机模型

3．3 基于二维标定模板的双目摄像机标定

3．3．1 摄像机参数标定

3．3．2 双目摄像机相对位置关系

3．3．3 非线性优化

3．3．4 基于二维标定模板的双目摄像机标定方法步骤总结

3．4 仿真实验

第四章 立体匹配

4．1 立体匹配的主要研究内容

4．1．1 匹配基元的选取

4．1．2 匹配约束准则的确定

4．1．3 匹配策略的选择

4．2 基于自适应窗口的多信息立体匹配算法研究

4．2．1 改进canny算子的焊缝边缘点提取

4．2．2 初始焊接点和搜索区间约束条件

4．2．3 候选匹配点集合的约束条件

4．2．4 匹配点选取的自适应窗口模型

4．3 仿真实验

第五章 三维曲线焊缝轨迹的建模与在线跟踪

5．1 焊缝边缘特征点三维坐标计算

5．2 三维焊缝曲线的建模

5．3 双目视觉焊接机器人的焊缝轨迹在线跟踪

5．3．1 位置给定的机器人视觉控制

5．3．2 运动过程中机器人姿态调整

第六章 焊接机器人路径规划

6．1 路径规划的研究方法

6．2 基于关节空间的双目视觉焊接机器人路径规划

6．3 关节路径插值算法

6．3．1 三次多项式插值

6．3．2 过路径点的三次多项式插值

6．3．3 抛物线过渡的线性插值算法

第七章 总结与展望

7．1 工作总结

7．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况