双目视觉测量技术作为一种非接触测量方法,因其检测精度高,抗干扰能力强,在焊缝检测中得到广泛应用。带有激光双目视觉系统的焊接机器人能够实现焊缝检测与跟踪,减少机器人示教编程,提高机器人自适应性,是实现机器人智能化和焊接自动化的一种关键方法。本文应用激光双目视觉系统对波纹板焊缝三维空间信息进行采集,将采集到的焊缝轨迹三维坐标在机器人基坐标系进行重建,对提高波纹板焊接自动化水平具有重要的促进作用。
本文设计的激光双目视觉传感器,是将两个 CCD 摄像机安装在机器人末端,形成“眼在手上”结构,观察焊接目标并基于双目视觉测量原理获取波纹板焊缝三维空间信息。本文首先通过分析双目视觉系统的测量原理,研究双目视觉系统标定、机器人手眼关系的标定方法和理论,利用 Matlab 工具箱,根据采集到的标定板图像进行双目视觉系统的标定和手眼关系的标定。其次,本文基于激光在波纹板焊缝的成像特点提出了一种变步长焊缝特征点搜索检测算法,实现焊缝特征点的快速可靠检测。编写“基于激光双目视觉的波纹板焊缝三维信息获取及焊缝轨迹重建”程序,根据两台摄像机视场范围内采集到的激光条纹,结合变步长焊缝特征点搜索检测算法找到焊缝特征点。计算出焊缝在双目视觉系统中的三维信息,并通过坐标转换将焊缝三维坐标转换到机器人基坐标系下进行焊缝轨迹实时三维重建,便于机器人焊缝跟踪。
试验结果表明,激光双目视觉系统可实现波纹板焊缝结构特征和转折点三维信息的准确检测。通过坐标转换,在机器人基坐标系下的焊缝三维重建精度在 1mm 以内。双目立体视觉的测量误差、机器人本体的几何模型误差以及手眼关系的标定误差对波纹板焊缝轨迹的三维重建精度有一定影响。
第一章 绪论..............................................................................................................................1
1.1 课题研究的背景、意义 .............................................................................................. 1
1.2 焊接机器人应用研究现状 .......................................................................................... 1
1.3 视觉传感及激光在视觉传感的应用研究 .................................................................. 3
1.3.1 视觉传感应用研究现状.................................................................................... 3
1.3.2 激光结构光在视觉测量中的应用.................................................................... 4
1.4 双目机器视觉的研究和应用现状............................................................................... 5
1.4.1 双目立体视觉理论与发展................................................................................. 5
1.4.2 双目立体视觉的应用现状................................................................................ 6
1.5 机器视觉在机器人伺服控制中的研究现状 .............................................................. 7
1.5.1 基于位置的伺服控制........................................................................................ 7
1.5.2 基于图像的伺服控制........................................................................................ 8
1.6 焊缝检测与跟踪的研究现状 ...................................................................................... 8
1.6.1 焊缝检测视觉传感的研究现状........................................................................ 8
1.6.2 波纹板焊缝跟踪的研究现状............................................................................ 9
1.7 本课题主要研究内容................................................................................................. 10
第二章 双目视觉波纹板焊缝三维检测及重建系统的设计................................................11
2.1 焊缝三维检测及重建系统的总体设计 .................................................................... 11
2.2 焊接机器人系统 ........................................................................................................ 12
2.2.1 机器人硬件系统.............................................................................................. 12
2.2.2 IRB140 机器人系统软件及编程语言 ............................................................. 13
2.3 激光双目立体视觉传感系统 .................................................................................... 13
2.4 主控计算机系统 ........................................................................................................ 14
2.5 波纹板焊缝三维检测及重建系统软件设计............................................................. 14
2.5.1 计算机控制软件.............................................................................................. 15
2.5.2 机器人控制系统软件...................................................................................... 20
2.6 本章小结 .................................................................................................................... 22
第三章 双目视觉系统的标定................................................................................................23
3.1 摄像机标定 ................................................................................................................ 23
3.1.1 摄像机标定坐标系定义.................................................................................. 24
3.1.2 摄像机成像模型与标定参数.......................................................................... 25
3.2 双目视觉系统的测量原理及其标定 ........................................................................ 28
3.2.1 双目视觉测量的数学模型.............................................................................. 28
3.2.2 双目视觉系统的标定...................................................................................... 30
3.3 机器人手眼关系标定 ................................................................................................ 30
3.3.1 手眼标定方程 AX=XB 的建立 ....................................................................... 31
3.3.2 两步法求解手眼标定方程............................................................................... 31
3.3.3 齐次坐标变换矩阵与绕任意轴的旋转矩阵关系.......................................... 33
3.4 标定试验及结果分析................................................................................................. 35
3.4.1 摄像机标定实验.............................................................................................. 35
3.4.2 手眼标定实验.................................................................................................. 37
3.5 本章小结 .................................................................................................................... 39
第四章 波纹板焊缝三维重建及误差分析............................................................................40
4.1 波纹板焊缝特征点检测 ............................................................................................ 40
4.2 焊缝三维重建 ............................................................................................................ 44
4.2.1 坐标系转换...................................................................................................... 44
4.2.2 坐标转换关系的程序指令实现...................................................................... 46
4.2.3 波纹板焊缝三维检测...................................................................................... 46
4.2.4 波纹板焊缝轨迹的三维重建........................................................................... 49
4.3 焊缝采集误差分析 .................................................................................................... 51
4.3.1 机器人的误差.................................................................................................. 51
4.3.2 双目视觉采集的误差...................................................................................... 53
4.3.3 手眼位姿标定误差.......................................................................................... 55
4.4 本章小结 .................................................................................................................... 57
结论与展望..............................................................................................................................59
1 总结 ............................................................................................................................... 59
2 有待进一步研究的问题 ............................................................................................... 59