随着计算机、人工智能等科学技术的迅猛发展,工业现场对焊接技术的自动化、智能化水平的要求不断增加。为了提高工厂作业效率、提高焊接作业质量,结构光视觉被拿来解决焊接机器人对焊缝的自动跟踪问题。结构光视觉引导机器人焊缝跟踪控制,是机器人根据结构光视觉对焊缝进行感知,自行预测规划出精准的焊枪轨迹,在伺服控制下高效完成焊接作业。而焊接机器人实现自动焊接的重要环节包括通过视觉引导进行焊缝初始点自动识别定位以及焊缝的自动跟踪控制。
针对机器人滑模控制中存在的由较大初始位置偏差导致的大力矩和速度跳变问题,提出双模糊自适应滑模控制算法。采用一自适应模糊控制器,根据滑模到达条件对滑模切换增益进行估算,消除滑模控制中输出力矩的抖振现象,增强其对不确定性因素的适应能力;采用另一自适应模糊控制器对调整控制系数进行修正。实验表明,此方法改善了由于较大初始位置产生的偏差而导致的大力矩和速度跳变问题。最后,采用延迟跟踪策略,对给定焊缝进行跟踪。在 VS2010 平台下编写控制程序,实验证明,焊枪可自动定位到焊缝初始点,并对焊缝自动跟踪;跟踪过程中实时调整位姿,可获得连续图像,确保跟踪完成;确保焊枪精确地跟踪焊缝。
第一章 绪论..............................................................................................................................1
1.1 课题研究的背景及意义 ................................................................................................ 1
1.2 国内外研究动态 ........................................................................................................... 2
1.2.1 焊接机器人研究动态........................................................................................... 2
1.2.2 机器人控制算法动态........................................................................................... 3
1.2.3 视觉伺服控制动态............................................................................................... 4
1.2.4 曲线焊缝跟踪动态............................................................................................... 5
1.3 课题的研究内容 ........................................................................................................... 7
第二章 视觉引导焊接机器人的数学模型..............................................................................9
2.1 视觉引导焊接机器人系统结构 ................................................................................... 9
2.2 激光视觉传感器三维测量模型 ................................................................................. 10
2.2.1 相机模型............................................................................................................. 10
2.2.2 结构光线面测量模型.......................................................................................... 12
2.3 手眼运动模型 ............................................................................................................. 14
2.4 视觉引导机器人数学模型 ......................................................................................... 15
2.5 机器人动力学模型 ..................................................................................................... 16
2.5.1 重力矩计算及简化............................................................................................. 16
2.5.2 .惯性力矩计算及简化......................................................................................... 18
2.6 本章小结 ..................................................................................................................... 19
第三章 焊接机器人运动控制算法........................................................................................20
3.1 空间 n 关节机器人动力学模型 .................................................................................. 20
3.2 双模糊自适应滑模控制 ............................................................................................. 21
3.2.1 滑模控制器设计................................................................................................. 21
3.2.2 调整控制系数调整.............................................................................................. 22
3.2.3 滑模增益自适应调整.......................................................................................... 22
3.2.4 稳定性证明......................................................................................................... 24
3.3 实验测试与分析 .......................................................................................................... 25
3.3.1 二关节机器人模型仿真..................................................................................... 25
3.3.2 SCARA 机器人模型仿真.................................................................................... 27
3.4 本章小结 ..................................................................................................................... 29
第四章 焊接机器人初始焊缝点识别与定位........................................................................30
4.1 图像处理方法初始点识别 ......................................................................................... 30
4.1.1 边缘线相交定位起始焊位.................................................................................. 30
4.1.2 初始点角点精确定位.......................................................................................... 31
4.2 结构光扫描方法初始点识别 ..................................................................................... 32
4.2.1 识别流程............................................................................................................. 32
4.2.2 机器人末端轴旋转角计算................................................................................. 33
4.2.3 初始点识别定位结果......................................................................................... 34
4.3 本章小结 ..................................................................................................................... 34
第五章 焊缝的视觉伺服控制................................................................................................36
5.1 机器人期望位姿的数学计算 ...................................................................................... 36
5.1.1 机器人调整旋转矩阵计算.................................................................................. 37
5.1.2 机器人期望位姿计算.......................................................................................... 38
5.2 直线焊缝的视觉伺服控制器设计 ............................................................................. 39
5.2.1 机器人混合视觉伺服控制模型......................................................................... 39
5.2.2 图像 Jacobian 矩阵............................................................................................. 40
5.3 曲线焊缝的视觉伺服控制器设计 ............................................................................. 42
5.3.1 模糊控制器的基本架构..................................................................................... 43
5.3.2 机器人末端运动量计算...................................................................................... 44
5.4 实验测试与分析 ......................................................................................................... 44
5.4.1 直线焊缝跟踪..................................................................................................... 45
5.4.2 曲线焊缝跟踪过程焊枪姿态调整仿真............................................................. 46
5.4.3 焊缝点图像特征的像素坐标............................................................................. 48
5.5 本章小结 ..................................................................................................................... 48
第六章 视觉引导焊缝跟踪控制系统实现............................................................................49
6.1 视觉引导焊缝跟踪控制系统的建立 .......................................................................... 49
6.2 焊缝跟踪实验 .............................................................................................................. 50
6.2.1 曲线焊缝自动跟踪流程..................................................................................... 50
6.2.2 实验结果.............................................................................................................. 51
6.3 本章小结 ..................................................................................................................... 55
结论与展望..............................................................................................................................57
主要总结 ............................................................................................................................57
展望 ....................................................................................................................................57