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越障全位置自主焊接机器人视觉传感系统研究

作　者: 邓勇军
导　师: 陈善本
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 双目视觉 移动焊接机器人 障碍物检测 自主导引 空间焊缝重建 立体计算
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


为解决全位置工位或大型装备非结构空间的自动化焊接问题,迫切需要研制在长距离、大范围以及复杂作业面实现角焊缝等复杂结构焊接作业任务的移动焊接机器人。视觉传感是提高机器人移动和焊接自主性的有效方式之一,本文在自主开发的具备越障及全位置焊接功能的移动机器人平台上开发视觉传感系统。考虑到整体系统的协调性,本文将网络摄像机固定在车体上构成车眼视觉系统,用于监控宏观环境,将CCD安装在机械臂末关节上构成手眼视觉系统,采集局部图像用于智能化焊接。视觉系统的标定是视觉计算的前提,本文针对移动机器人特点建立了视觉系统标定模型,基于OpenCV设计了局部自主标定程序,利用改进的手眼标定算法和全方位车眼标定算法,提高了标定效率。对于车眼视觉系统,本文提出了基于高斯金字塔的障碍物分层检测算法,并通过图像预处理、动态阈值分割、角点检测、特征点三维计算结合车眼模型对障碍物几何信息进行重建。对于手眼视觉系统,本文设计了两步法自主导引算法和空间焊缝三维重建算法,前者通过对局部区域图像分析提取焊缝起始点坐标进行三维计算,后者在双目校正模型基础上基于SAD同名点匹配计算焊缝离散点三维坐标,并拟和出焊缝的空间信息。在实际的机器人软硬件平台上集成视觉传感系统,分别设计网络摄像机云台和CCD夹持机构,编写障碍物检测及三维信息重建线程、待焊工件识别及焊缝起始位置导引线程、空间焊缝三维重建线程。经过试验验证,障碍物长度、高度、宽度、距离重建最大误差为3.08,1.72,2.09,2.64mm,满足越障要求;焊缝起始点在X、Y、Z方向定位最大误差为0.81,0.97,1.63mm,满足焊接要求;空间焊缝三维重建在最优条件下Y、Z方向最大误差为0.15,0.24mm。集成视觉传感功能的自主焊接试验表明各功能模块组合运行产生的耦合误差较大,需要对误差评估及改进方案进行更深入研究。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章 绪论  11-23
  1.1 课题背景及研究意义  11-12
  1.2 移动焊接机器人的国内外研究现状  12-15
  1.3 机器视觉及其在移动机器人和焊接领域的应用  15-20
    1.3.1 机器视觉  15
    1.3.2 机器视觉在移动机器人领域的应用  15-17
    1.3.3 机器视觉在焊接领域的应用  17-20
  1.4 立体视觉理论  20-21
  1.5 本文研究的主要内容  21-23
第二章 越障全位置自主焊接机器人视觉系统标定  23-36
  2.1 引言  23
  2.2 越障全位置自主焊接机器人介绍  23-25
  2.3 双目视觉系统的标定原理  25-30
    2.3.1 摄像机标定模型与原理  25-28
    2.3.2 双目视觉标定原理及校正模型  28-30
  2.4 手眼及车眼标定  30-35
    2.4.1 视觉系统坐标系定义  30-31
    2.4.2 手眼标定  31-34
    2.4.3 车眼标定  34-35
  2.5 本章小结  35-36
第三章 障碍物检测及三维信息重建  36-48
  3.1 引言  36
  3.2 障碍物视觉检测  36-44
    3.2.1 图像匹配  37-39
    3.2.2 基于图像金字塔的分层检测  39-40
    3.2.3 障碍物特征提取  40-44
  3.3 障碍物三维信息重建  44-47
    3.3.1 特征点三维坐标计算  44-46
    3.3.2 障碍物的几何信息重建  46-47
  3.4 本章小节  47-48
第四章 待焊工件识别及焊缝起始位置导引  48-63
  4.1 引言  48
  4.2 待焊工件的识别  48-56
    4.2.1 圆投影获取候选点  49-52
    4.2.2 基于不变矩精确识别  52-56
  4.3 焊缝起始位置导引  56-62
    4.3.1 焊缝起始点在图像上定位  57-59
    4.3.2 焊缝起始点的三维信息重建  59-61
    4.3.3 焊缝起始点的导引  61-62
  4.4 本章小结  62-63
第五章 空间焊缝的三维重建  63-69
  5.1 引言  63
  5.2 焊缝图像特征提取  63-66
    5.2.1 工件区域分割  63-65
    5.2.2 焊缝提取及细化  65-66
  5.3 焊缝同名点匹配及三维重建  66-68
  5.4 本章小结  68-69
第六章 系统搭建及试验  69-88
  6.1 引言  69
  6.2 越障全位置自主焊接机器人视觉系统搭建  69-74
    6.2.1 硬件系统  69-73
    6.2.2 软件系统  73-74
  6.3 视觉系统的标定试验  74-76
  6.4 障碍物检测及三维信息重建试验  76-79
  6.5 待焊工件识别及焊缝起始位置导引试验  79-82
  6.6 空间焊缝的三维重建试验  82-84
  6.7 基于视觉传感的自主焊接试验  84-87
  6.8 本章小结  87-88
第七章 结论  88-89
参考文献  89-95
致谢  95-97
攻读硕士学位期间发表的学术论文及专利  97-99

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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