（機械制造及其自動化專業(yè)論文）視覺伺服控制系統(tǒng)在焊接機器人中的應用研究.pdf

西南交通大學碩士研究生學位論文第1 頁 摘要 焊接是制造業(yè)的基礎，在制造業(yè)中有二分之一以上的產(chǎn)品的連接是通過焊接來實現(xiàn) 的。未來焊接發(fā)展的趨勢是焊接自動化、機器人化及智能化，而傳感技術(shù)是這一發(fā)展中 最重要的部分。焊接傳感器按其使用目的可分為測量和檢測操作環(huán)境、檢測和監(jiān)控焊接 過程兩大類。在傳感原理方面，主要分為聲學、力學、電弧、光學傳感等。本文設計了 用于焊縫跟蹤的視覺伺服控制系統(tǒng)，利用c c d 視覺傳感器采集出的圖像，研究出了一套 完整的圖像處理算法，包括圖像濾波、圖像分割、邊緣檢測、直線擬合，最終有效的提 取出焊縫的中心線位置信息，同時也滿足實時性的要求。 由于焊接過程是一個多參數(shù)相互耦合的時變非線性系統(tǒng)，有許多因素影響焊縫成 形的質(zhì)量，由于其顯著的隨機性，用數(shù)學模型來精確的描述它非常困難，所以以前的一 些線性控制方法，在不同程度上存在對經(jīng)驗依賴性大、適應性差等缺點。因此，在焊接 過程控制中引入智能控制方法是非常有效的途徑。本文分析了基于圖像的機器人視覺伺 服的基本原理，使用b p 神經(jīng)網(wǎng)絡來確定達到指定位姿所需要的關(guān)節(jié)角度，將視覺信息直 接融入伺服過程達到準確跟蹤焊縫的目的，在保證伺服精度的情況下大大簡化了控制算 法，并且消除了系統(tǒng)標定誤差對運動精度的影響，另外，本文利用m a t l a b 建立了神經(jīng)網(wǎng) 絡控制器，結(jié)果證明神經(jīng)網(wǎng)絡控制器可以替代基于圖像雅克比矩陣的控制器完成伺服控 制。 關(guān)鍵詞：機器視覺；圖像處理；b p 神經(jīng)網(wǎng)絡；視覺伺服 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 i 頁 皇皇曼鼉皇蔓皇曼獸毫曼! 曼曼鼉皇曼鼉皇曼皇曼曼曼曼皇皇! ! 皇曼曼! 曼曼! 皇曼曼曼! ! ! 皇舅曼! 曼曼i = i 皇曼篁曼曼鼉皇曼詈曼曼曼曼鼉曼寰 a b s t r a c t w e l d i n gi s t h eb a s eo fm a n u f a c t u r ea n dm o r et h a nh a l fp r o d u c t so ft h ej o i n t i n gi s a c h i e v e db yw e l d i n gi nt h em a n u f a c t u r e i nt h ef u t u r e ，t h et r e n do ft h ew e l d i n gd e v e l o p i n gw i l l b ew e l d i n ga u t o m a t i o n ，r o b o t i z a t i o na n di n t e l l i g e n t i z e ，a n ds e n s o rt e c h n o l o g yi st h em o s t i m p o r t a n tp a r to ft h ed e v e l o p m e n t a c c o r d i n gt oi n t e n d e du s e ，t h ew e l d i n gs e n s o r c a r lb e c l a s s i f ya sd e t e c t i n gt h eo p e r a t i n ge n v i r o n m e n ta n dm o n i t o r i n gw e l d i n gp r o c e s s a c c o r d i n g t o f u n d a m e n t a l so fs e n s o r , i tc a nb ed i v i d e di n t oa c o u s t i c s ，m e c h a n i c s ，e l e c t r i ca r ca n d o p t i c a l s e n s i n g i nt h i sp a p e r , u s i n gac c di m a g es e n s o rv i s i o n ，h a sd e v e l o p e dac o m p l e t es e to f i m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m s ，i n c l u d i n gi m a g ef i l t e r i n g ，i m a g es e g m e n t a t i o n , e d g ed e t e c t i o n , f i t t i n gas t r a i g h tl i n e ，a n du l t i m a t e l ye f f e c t i v et oe x t r a c ti n f o r m a t i o na b o u tt h ew e l dc e n t e r l i n e ， w h i l ea l s om e e tt h er e q u i r e m e n t so fr e a l t i m e t h ew e l d i n gp r o c e s si sam u l t i p a r a m e t e r t i m e v a r y i n gc o u p l e dn o n l i n e a rs y s t e m t h e r ea r em a n yf a c t o r sa f f e c t i n gt h eq u a l i t yo f t h e w e l d ，b e c a u s eo fi t ss i g n i f i c a n tr a n d o m n e s s ，i ti sv e r yd i f f i c u l tt ou sam a t h e m a t i c a lm o d e lt o a c c u r a t e l yd e s c r i b e b e c a u s et h ew e l d i n gp r o c e s si sam u l t i p a r a m e t e ri n t e r c o u p l i n gn o n l i n e a rs y s t e m ，t h e r e a r em a n yf a c t o r sa f f e c tt h eq u a l i t yo fw e l dj o 毗t h e r e f o r e ，i ti sd i f f i c u l tt od e s c r i b eu s i n g m a t h e m a t i c a lm o d e l t h ep r e v i o u ss o m eo fl i n e a rc o n t r o lm e t h o dh a v eal o to fd e f e c t sa b o u t v a r y i n gd e g r e e sd e p e n d e n to nt h ee x p e r i e n c ea n dp o o ra d a p t a b i l i t y i t s av e r ys u i t e dw a yt o b r i n gi nb r a i n p o w e rc o n t r o l l i n gm e a n s i nw e l d i n gp r o c e s s t h i sa r t i c l ea n a l y s et h ef u n d a m e n t a l o fr o b o tv i s u a ls e r v ob a s e do ni m a g e u s i n gn e u r a ln e t w o r kt oe n s u r et h ed e m a n d e da n g l eo f j o i n ti no r d e rt og e tt h ea p p o i n tp o s i t i o n , p u tt h ev i s i o ni n f o r m a t i o ni n t ot h es e r v op r o c e s s d i r e c t l yt og e tt h eg o a lo ff o l l o w i n gt h ew e l d i n g l i n ea c c u r a t e l y , t h i sg r e a t l ys i m p l i f yt h ec o n t r o l a l g o r i t h mu n d e rt h ec o n d i t i o no fs e r v op r e c i s i o n ，a n d e l i m i n a t et h ei n f l u e n c eo fs y s t e m s c a l i b r a t e de r r o rt om o t i o np r e c i s i o n ，b e s i d e st h i sa r t i c l ep r o c e e ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n tu s i n g m a t l a b a n dt h er e s u l ts h o w si t se f f e c t i v e n e s s k e yw o r d s ：m a c h i n ev i s i o n ：i m a g ep r o c e s s i n g ；b pn e u r a ln e t w o r k ： v i s i o ns e r v o 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 頁 1 1 引言 第一章緒論 焊接是金屬加工和制造業(yè)的重要工藝，它連接材料穩(wěn)定、精度高、成本比較低并且 技術(shù)手段先進。但是焊接現(xiàn)在要想滿足現(xiàn)代化的生產(chǎn)制造的需要，還有許多值得提高的 地方，例如生產(chǎn)效率的提高，工人工作環(huán)境的改善，焊接質(zhì)量的提高等，這些都就需要 在焊接上應用自動化和智能化技術(shù)陰。機器人焊接技術(shù)由于具有焊接的質(zhì)量好、高的工 作效率、可以進行重復性的連續(xù)工作、能在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點，廣泛應用于各類機 械制造業(yè)，以及石油化工業(yè)和電子行業(yè)等，在革新制造技術(shù)、減少工人工作量、改善焊 工工作環(huán)境、提高焊接的質(zhì)量等方面表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)越性【2 0 】，是焊接工藝發(fā)展的里程 碑。 據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)在有一百多萬臺工業(yè)機器人在全球得到應用，其中有高達百分之四十五 的比例是焊接機器人。按照其發(fā)展過程焊接機器人大致可分為以下3 代【9 】： 第一代焊接機器人是基于示教再現(xiàn)工作方式的，由于其對環(huán)境模型的建立不要求、 機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的誤差可以在示教時抵消掉、簡便的操作等特點，其大量應用在焊接生產(chǎn) 第二代焊接機器人是利用傳感技術(shù)進行離線編程，這類機器人的發(fā)展依靠的是離線 的編程科技和焊接傳感技術(shù)的不斷發(fā)展； 第三代是智能焊接機器人，它裝有多種傳感器，接收作業(yè)指令后可以根據(jù)客觀環(huán)境 自行編程，但這一代正處于試驗研究階段。 現(xiàn)在在生產(chǎn)中應用做多的是第一代焊接機器人，雖然它能完成一些簡單的焊接任務， 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 頁 _ill_mm i i m_ml_m l m 但它應對變化的能力差，完成任務單一，焊接前需要應用示教盒對焊接路徑點一一進行 定位和記錄，也就是說它的焊接路徑和位姿都是在焊接之前確定好的，這樣當工件安裝 誤差、焊接變形等因素存在時，焊接機器人就很難正確的跟蹤焊接路徑，影響焊接質(zhì)量。 并且當工件的形狀結(jié)構(gòu)很復雜時編程就變得相當困難，難以實現(xiàn)應有的焊接質(zhì)量和精度。 所以說把機器視覺引入焊接機器人，使之能將焊接環(huán)境的變化實時反饋給控制系統(tǒng)，從 而精確的跟蹤焊縫具有重要的現(xiàn)實意義。 本論文的主要工作是根據(jù)被動傳感技術(shù)獲得的實時焊縫圖像，經(jīng)過一系列的圖像處 理技術(shù)，獲得實時的焊縫信息，從而指導焊接機器人進行焊接作業(yè)。本文工作有助于提 高焊接機器人的自動化和智能化水平，從而使焊接機器人在實際應用中有更高的焊接質(zhì) 量和焊接精度，以滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)制造的要求。 1 2 視覺伺服控制系統(tǒng)概述 伴隨科技進步和生產(chǎn)發(fā)展需要，工業(yè)機器人應該具有更高的智能化水平，這就需要 對環(huán)境有更強的感知能力。人類通過眼睛獲得了環(huán)境中8 0 以上的信息，所以視覺中包 含了很多的環(huán)境信息，所以視覺伺服控制系統(tǒng)的研究就應運而生，這得益于計算機技術(shù) 的飛速發(fā)展，因為這使以較快的速度從圖像中提取目標信息變?yōu)榭赡?。視覺伺服控制提 高了機器人的控制精度及靈活應變能力，對由于標定引起的機器人誤差具有強的魯棒 由視覺傳感向控制器提供外部環(huán)境信息，以調(diào)整機器人的位置和姿態(tài)的系統(tǒng)稱為機 器人視覺伺服系統(tǒng)。其研究的領(lǐng)域包括控制理論、運動學、圖像處理、機器視覺等多個 方面。機器人視覺伺服控制系統(tǒng)按照不同的標準可以劃分為不同的類型。 ( 1 ) 按照攝像機的數(shù)目進行分類，可以分為單目視覺伺服系統(tǒng)、雙目視覺伺服系統(tǒng) 西南交通大學碩士研究生學位論文第3 頁 以及多目視覺伺服系統(tǒng)。單目視覺伺服不能直接獲到目標的三維信息，一般需要通過移 動來獲得深度信息，因此單目視覺多用于工作任務比較簡單并且深度信息要求不高的工 作環(huán)境中；雙目視覺能夠得到目標深度信息，現(xiàn)在大多數(shù)的視覺伺服系統(tǒng)主要采用雙目 視覺；多目視覺能夠觀察到目標不同的部分，能得到豐富的目標信息，但多目視覺控制 器的設計比較復雜，并且難以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性【1 1 】。 ( 2 ) 按照攝像機放置的位置不同，可以分為固定攝像機系統(tǒng)和手眼系統(tǒng)。固定攝像 機系統(tǒng)可以觀察到很大的工作空間場景，可以同時觀察到目標和機器人的末端，所以能 得到目標與機器人末端的相對速度，其缺點是難以獲得準確的目標信息，并且目標圖像 可能會在機器人運動過程中被遮擋住。手眼系統(tǒng)能得到目標的精確位置，但是不能觀察 到機器人的末端，需要通過建立機器人運動學模型來求解機器人末端與目標的位置關(guān)系， 這樣就受運動學誤差以及標定誤差的影響比較大。為了克服這兩種方法的不足，有人提 出了將這兩種方法協(xié)調(diào)作用的方案【1 2 】。 ( 3 ) 從控制結(jié)構(gòu)的角度可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制事先應對機 器人和攝像機進行精確標定，傳感信號只包括運動前的目標位姿信息。閉環(huán)控制的視覺 信息用作反饋，可以將攝像機與機器人的標定誤差減小，但這些需要快速視覺處理硬件。 ( 4 ) 從反饋信息類型的誤差信號定義的不同，機器人視覺伺服系統(tǒng)可分為基于位置 的視覺伺服系統(tǒng)、基于圖像的視覺伺服系統(tǒng)以及混合視覺伺服系統(tǒng)?；谖恢靡曈X伺服 系統(tǒng)的誤差信號定義在三維笛卡兒空間，而基于圖像的的誤差信號定義在二維圖像空間。 下面重點介紹這幾種伺服控制系統(tǒng)。 西南交通大學碩士研究生學位論文第4 頁 1 - 3 機器視覺的應用及發(fā)展趨勢 1 3 1 機器視覺簡介 機器視覺又常稱計算機視覺，它通過圖像或視頻數(shù)據(jù)來觀察周圍世界，通過從攝像 機拍攝的圖像或視頻中提取出能觀察到的事物。機器視覺的功能與人類通過眼睛觀察世 界的視覺感知十分相近。稱機器視覺是強調(diào)用機器構(gòu)成的系統(tǒng)來處理視覺問題，而稱計 算機視覺是強調(diào)處理視覺的問題是一個計算問題，核心部件是計算功能強大的計算機【l 】o 隨著信息時代的到來，越來越多的信息需要用計算機技術(shù)來解決。利用計算機進行 多媒體的處理技術(shù)已經(jīng)在各個領(lǐng)域滿足了人們的需求，隨著技術(shù)的發(fā)展人們對視覺處理 技術(shù)提出了更高的需求，例如利用指紋、人臉、虹膜等識別技術(shù)來處理個人事務。利用 視覺自動監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視老年人的異常行動、陌生人的入侵，利用自動識別技術(shù)幫助盲人 等。再如計算機視覺技術(shù)還可以用于解決軍事目的的自動目標檢測、視頻檢索、智能交 通管理系統(tǒng)等問題。人類眼睛是自然環(huán)境和社會環(huán)境中不可缺少的感知器官，機器視覺 技術(shù)與之類似，它成為計算機學科中不可或缺的- i 3 學科。 與計算機視覺有關(guān)的學科包括計算機圖形學、人工智能、模式識別、圖像處理、數(shù) 學、神經(jīng)生理學及人工神經(jīng)網(wǎng)絡【2 】o 1 3 2 機器視覺技術(shù)的應用 隨著計算機運算速度的的提升，機器視覺技術(shù)不斷地拓展它的應用領(lǐng)域，并且已成 為自動化流水線和許多機器不可缺少的重要環(huán)節(jié)。它現(xiàn)在不僅應用在需要人眼觀察才能 完成的工作中，還能用在許多人眼無法觀察或觀察不到的情況下。機器視覺得到應用的 領(lǐng)域有：遙感圖像的分析、機器人的移動導航、生產(chǎn)線上零件的識別與定位、安防系統(tǒng) 西南交通大學碩士研究生學位論文第5 頁 等等。下面舉幾個常見的、必須用到機器視覺系統(tǒng)任務。 ( 1 ) 識別目標，用來分辨不同的物體，根據(jù)不同的識別結(jié)果采取不同的應對措施， 或者用來識別具有個體特征的物體，常見的有字符串、條形碼等。 ( 2 ) 探測位置，比如識別流水線的物體位置，從而進行安裝等操作，既可以平面探 測也可以在空間探測。 ( 3 ) 檢測完整性，比如說在流水線的最后幾個工位，用來檢測裝配是否完整或者是 否符合標準等。 ( 4 ) 形狀和尺寸檢測，檢驗使用過程中的零件是否否和使用標準，或者用來檢測剛 生產(chǎn)的零部件是否達到精度和形狀要求【3 1 。 1 3 3 機器視黨技術(shù)的發(fā)展趨勢 制造業(yè)的發(fā)展，帶來了對機器視覺需求的提升，促使機器視覺的應用越來越廣泛， 而不僅僅是過去單純的采集、分析、傳遞數(shù)據(jù)、判斷動作，這也預示著它與自動化的結(jié) 合將更加緊密。在中國，未來機器視覺發(fā)展主要表現(xiàn)為：( 1 ) 隨著產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，半導 體和電子行業(yè)將成為機器視覺發(fā)展的主要空間。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示全球集成電路產(chǎn)業(yè)將迎 來復蘇，但是在全球經(jīng)濟危機的背景下，使該產(chǎn)業(yè)在中國的發(fā)展面臨著很大優(yōu)勢，如成 本優(yōu)勢、人才回流等優(yōu)勢、市場優(yōu)勢等；( 2 ) 機器視覺將朝著實現(xiàn)標準化、一體化解決 方案的方向發(fā)展。再者，機器視覺包含在自動化之中，在協(xié)作生產(chǎn)制造過程中機器視覺 軟硬件產(chǎn)品正逐漸成為不同階段的核心系統(tǒng)，生產(chǎn)線上的信息收集工作逐漸由機器視覺 產(chǎn)品來完成，這就需要機器視覺產(chǎn)品進行標準化生產(chǎn)。現(xiàn)在自動化企業(yè)要求生產(chǎn)廠商提 供一體化解決方案的集成系統(tǒng)而不僅僅是單個產(chǎn)品( 3 ) 板卡式產(chǎn)品將被基于嵌入式的產(chǎn) 品取代，從產(chǎn)品本身看，p c 技術(shù)為機器視覺提供更多的支持。在微電子技術(shù)和計算機技 西南交通大學碩士研究生學位論文第6 頁 曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼! 皇曼曼曼鼉曼曼皇曼鼉寰曼鼉曼i l m lm。i ii ii , i ! l1 鼉 術(shù)迅速發(fā)展的背景下，各領(lǐng)域越來越廣泛的應用嵌入式系統(tǒng)，因為其低功耗的特點深受 人們青睞。另外，嵌入式系統(tǒng)應用c 高級語言進行開發(fā)對是一項帶有基礎性的工作，可 以縮短開發(fā)周期，提高工作效率，并且產(chǎn)品可維護性好、便于不斷完善和升級換代、可 靠性高。 1 4 圖像處理技術(shù) 圖像處理與機器視覺是兩個不同的概念，“圖像處理”在于要使圖像經(jīng)處理后變得更 好，圖像處理系統(tǒng)的輸出仍然是一幅圖像，而“機器視覺 系統(tǒng)的輸出確是與圖像內(nèi)容 有關(guān)的信息。圖像處理系統(tǒng)的功能包括編碼、壓縮、增強、重構(gòu)與復原。 圖像增強 圖像在經(jīng)過圖像增強系統(tǒng)處理后使人們感覺圖像效果更好，其典型的操作運算包括 亮度放縮、邊緣銳化、對比度增強等。 圖像編碼 圖像經(jīng)過編碼處理后其信息具有更經(jīng)濟有效的表達方式，比如冗余消除、量化方法 等就是圖像編碼技術(shù)。研究圖像信息的方式以達到其在存儲或傳輸過程中出現(xiàn)錯誤時仍 具有魯棒性也是屬于圖像編碼的范疇。 圖像壓縮 壓縮有許多技術(shù)與編碼中的技術(shù)相同，但其目的在于減少存儲與傳輸圖像的比特數(shù) 旦 重。 圖像復原 復原關(guān)注的是對圖像中錯誤進行修復。它與圖像增強不同，增強只是關(guān)注使圖像看 上去更好些。而要“修正”一幅圖像，需要有圖像退化的模型。在復原的應用中常常假 西南交通大學碩士研究生學位論文第7 頁 設有一個確定性的模糊操作，并附有添加性的隨機噪聲。 圖像重構(gòu) 重構(gòu)通常指從若干局部圖像重構(gòu)成一幅完整圖像的過程。例如，在計算機層析x 射 線攝像技術(shù)( c t ) 中從受試者中得到數(shù)量很大( 如3 6 0 幅) 的x 射線投影。從這組一 維信號中計算出二維圖像中每一點的x 射線吸收率，相同的方法還用在p e t ( 正電子放 射層析攝像技術(shù)) ，以及在某些“s h a p e - f r o m x ”( 從x 恢復形狀) 的算法中。 在弧焊過程中由于存在弧光、電弧熱、飛濺以及煙霧等多種強烈的干擾，對獲得的 焊縫圖像的影響很大，因此圖像處理技術(shù)對整個視覺伺服控制的精度有著直接的影響， 本文中用到的圖像處理技術(shù)包括圖像預處理、圖像分割、圖像邊緣提取。 圖像預處理 大量噪聲信號存在于圖像的采集過程中，為了降低干擾信號的影響需要對采集到的 原始圖像進行預處理，達到增強圖像特征信息的效果。預處理有頻域和空間域兩種方法。 圖像取傅立葉變換后形成的復數(shù)像素的集合體的方法是頻域方法，直接對圖像像素進行 運算的方法是空間域方法。因為空間域方法的計算量相對較小所以具有更為廣泛的應用。 圖像預處理技術(shù)主要包括圖像平滑、邊緣細化和圖像增強等技術(shù)。 圖像分割 選擇適當?shù)拈撝?，把圖像分成各具特性的區(qū)域，并提取某些特征的方法為圖像分割。 常用的對圖像進行分割的方法有二值化、三值化分割。分割的重要環(huán)節(jié)是選擇合適的分 區(qū)閾值【4 】。 1 5 人工神經(jīng)網(wǎng)絡 人工神經(jīng)網(wǎng)絡( a n n s ) 簡稱為神經(jīng)網(wǎng)絡( n n s ) 或稱作連接模型 西南交通大學碩士研究生學位論文第8 頁 ( c o n n e c t i o n i s t m o d e l ) ，它的分布式并行信息處理的算法處理方法類似于動物的神經(jīng)網(wǎng) 絡。它將單個處理單元以并行的方式組合在一起，類似于神經(jīng)節(jié)間的連接，根據(jù)一定的 訓練樣本反復訓練網(wǎng)絡修改連接點間的權(quán)重來構(gòu)建能完成一定功能的網(wǎng)絡。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡中處理單元的類型分為三類：輸入單元、輸出單元和隱單元。接受外 來信號與數(shù)據(jù)的是輸入單元；實現(xiàn)系統(tǒng)處理結(jié)果輸出的是輸出單元；處在輸入和輸出單 元之間的是隱單元。單元間的連接強度用神經(jīng)元間的連接權(quán)值來表示，網(wǎng)絡處理單元的 連接關(guān)系體現(xiàn)了信息的表示和處理。通過動力學行為和網(wǎng)絡的變換得到一種并行分布式 的信息處理功能是神經(jīng)網(wǎng)絡的本質(zhì)。 神經(jīng)網(wǎng)絡具有可調(diào)節(jié)性，也就是可訓練性，通過一個特定的輸入便可得到要求的輸 出。如圖1 1 所示，神經(jīng)網(wǎng)絡根據(jù)目標和輸出的比較而調(diào)整，到達匹配的效果。在有監(jiān) 督模式中許多輸目標對應的方法己成為訓練神經(jīng)網(wǎng)絡的典型。 圖1 1 神經(jīng)網(wǎng)絡訓練圖 現(xiàn)在在很多領(lǐng)域中為了實現(xiàn)各種復雜的功能，都使用到了神經(jīng)網(wǎng)絡。這些領(lǐng)域包括： 控制系統(tǒng)、翻譯、語音、分類、鑒定和模式識別。現(xiàn)在計算機和人難以解決的常規(guī)問題 都能夠用神經(jīng)網(wǎng)絡來解決。 1 6 課題研究內(nèi)容 現(xiàn)代化生產(chǎn)制造對焊接工藝提出了更高的自動化和智能化的需求，但是現(xiàn)在應用于 西南交通大學碩士研究生學位論文第9 頁 工業(yè)現(xiàn)場的大多數(shù)是示教再現(xiàn)型焊接機器人，對作業(yè)條件要求嚴格，缺少應變能力。本 文將計算機視覺技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)應用到開放式控制體系的焊機機器人中，脫離了示 教再現(xiàn)的工作方式，對從真正意義上實現(xiàn)焊接的自動化和智能化具有重要意義。本文的 主要研究內(nèi)容如下： ( 1 ) 本文在現(xiàn)有焊接機器人技術(shù)的基礎上，增加了視覺伺服控制系統(tǒng)，實現(xiàn)焊接工 藝的自動化和智能化。 ( 2 ) 針對c c d 攝像頭獲得的焊縫圖像，本文提出了一套新的提取焊縫中心線的方法， 簡化了繁瑣圖像處理步驟。 ( 3 ) 設計了基于神經(jīng)網(wǎng)絡的無標定視覺伺服控制系統(tǒng)，這樣無需對系統(tǒng)進行標定， 消除了標定誤差，同時也利用神經(jīng)網(wǎng)絡替代了復雜的雅克比矩陣的計算，從而簡化了系 統(tǒng)，通過m a t l a b 軟件仿真，達到了預期的效果。 西南交通大學碩士研究生學位論文第10 頁 第二章工業(yè)機器人運動系統(tǒng)分析 工業(yè)機器人一般由機械本體( 手臂、手腕) 、控制器、測量系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)及傳感器 等組成。圖2 1 是工業(yè)機器人的典型結(jié)構(gòu)。工業(yè)機器人的手臂決定了機器人作業(yè)空間， 它具有3 個自由度也就是說有3 個運動坐標軸；工業(yè)機器人的手腕有3 個自由度，是機 器人工具( 如夾爪、噴嘴、焊槍、機加工刀具) 與主構(gòu)架的連接機構(gòu)；控制器用于控制 機器人各部件的運動( 位置、速度和加速度) ，使機器人末端或機器人工具的中心點以給 定的速度沿著給定軌跡到達目標點；測量系統(tǒng)用于機器人運動部件的位移、速度和加速 度的測量；驅(qū)動系統(tǒng)為機器人各運動部件提供力、力矩、速度、加速度；傳感器能夠獲 得搬運對象和機器人本身的狀態(tài)信息，如工件及其位置、障礙物的識別，抓舉工件的重 量是否過載等。 圖2 - 1 工業(yè)機器人的典型結(jié)構(gòu) 西南交通大學碩士研究生學位論文第11 頁 2 1 工業(yè)機器人運動空間 2 1 1 機器人位姿描述 ( 1 ) 剛體位姿描述 我們可以把工業(yè)機器人的每個連桿都看成是一個剛體，為了在空間中完全確定一個 剛體，需要確定剛體上某一點的位置和該剛體在空間的姿態(tài)。當建立了一個固定坐標系 后，可以用某個3 1 的矢量量來描述這一點在空間中的位置，設次坐標系為 a ) ，空間 任意一點p 可以用列矢量4 p 來表示：a p = b ，b ，芝】。 只要知道了剛體的方位和剛體上某一點的位置，才能夠描述剛體的運動?？捎梢粋€ 坐標系和剛體固接來描述剛體的方位，比如和剛體固接在一起的這一直角坐標系為 b ， 用坐標系 b ) 的、乙的軸相對于參考坐標系 a ) 的方向余弦來描述剛體的方位， 此方向余弦組成了一個的3 3 矩陣： 岔尺= ea x b ，a y b , a z b = r 乏 ( 巧 巧2 包 吩2 富r 稱為旋轉(zhuǎn)矩陣，它表示在坐標系 a 中剛體b 的方位。式( 2 1 ) 中，下標b 和上 標a 表示的意思是被描述的坐標系和參考坐標系。善r 是正交的，因為爹r 中4 ，一蜘， 兩兩相互垂直，并且都是單位矢量。 、，l _ 2l 、i，ii， 3 3 3 巧眨吩 西南交通大學碩士研究生學位論文第12 頁 圖2 2 旋轉(zhuǎn)矩陣的表示 如圖2 2 所示，繞x 、y 、z 三軸旋轉(zhuǎn)。角的旋轉(zhuǎn)矩陣分別為： r ( x ，秒) = r ( y ，e ) - r ( z ，e ) - l00 0c o s 秒一s i n p 0s i n pc o s 0 c o s o0s i n o ol0 一s i n l 9 l0c o s 8 c o s o s i n o o l 枷0 c 0 0 卵o j li y 由上可知，剛體b 的位姿可以用剛體b 在坐標系 a ) 中的位置矢量a p 和旋轉(zhuǎn)矩陣 ；r 來描述，此描述可以表示為坐標系 b ) ： b ) = 量r p ) 2 1 2 坐標變換 相對于不同的坐標系，空間中的一點p 的描述是不同的，但是在不同的坐標系中點 p 的描述可以相互轉(zhuǎn)換，下面就將來介紹這種變換關(guān)系【1 7 1 8 】【l9 1 。 1 平移變換 西南交通大學碩士研究生學位論文第13 頁 如果坐標系 a ) 和 b ) 具有相同的方位，但坐標原點不重合，如圖2 3 所示。坐標系 b ) 相對于坐標系 a ) 的位置用位置矢量爿既來描述，則在坐標系 a ) 中物體月p 的位置矢量 可由矢量相加得出： 4 p = 占p + _ p b ( 2 2 ) 2 旋轉(zhuǎn)變換 圖2 3 坐標平移變換 如果坐標系 a ) 和 b ) 具有相同的坐標原點，但是方位不同，如圖2 _ 4 所示。坐標 系 b ) 相對于坐標系 a ) 的位置用旋轉(zhuǎn)矢量爹r 來描述，則在坐標系 a ) 中物體一p 的位置 矢量可下式2 3 得出： 彳尸2 ；r 曰p ( 2 3 ) 圖2 - 4 坐標旋轉(zhuǎn)變換 西南交通大學碩士研究生學位論文第14 頁 3 復合變換 在大多數(shù)情況下，坐標系 a ) 和 b ) 的坐標原點不會重合，并且方位也不相同，如圖 2 5 所示。這時候任意點p 在 a ) 和 b ) 的坐標中的位置一p 和占p 間的關(guān)系，可以用坐 標系 b ) 相對于坐標系 a ) 的位置矢量和旋轉(zhuǎn)矢量來描述，如式2 - 4 ： a p = ：rbp+apb(2-4) 咒 2 1 3 齊次坐標變換 圖2 5 復合變換 式( 2 - 4 ) 是非齊次的，為了將復合變換表示為齊次坐標的形式，式( 2 - 4 ) 可以用 一州卅 ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中兩邊的兩個列向量表示三維空間的點的齊次坐標，描述的是點在坐標 系 a ) 和 b ：的位置，記為月p 和b 尸。這樣，式( 2 5 ) 可以寫為 月p = b p ( 2 - 6 ) 式( 2 6 ) 中鑼綜合了旋轉(zhuǎn)矩陣和位移矢量，稱為齊次坐標變換矩陣。 足 分o ，fi i i rl，lj p 一 。l 示 表、， 5 - 2l 式f 西南交通大學碩士研究生學位論文第15 頁 i i 1 2 2 工業(yè)機器人運動學 2 2 1 機械臂數(shù)學模型 一般對于工業(yè)機器人來說，可以看作是有通過關(guān)節(jié)連接起來的一組連桿，即具有空 間彎曲軸線的廣義連桿【8 1 。為了能用齊次變換矩陣來描述任意相鄰兩連桿的幾何關(guān)系， 我們可以取任意相連的兩個連桿i l 與i ，以及連桿上的關(guān)節(jié)i 1 、i ，如圖2 - 6 所示： 圖2 - 6 廣義連桿變換的特征參數(shù) 首先將每一個連桿看成是一個剛體，在其上建立一個參考坐標系，如圖2 - 6 所示，連 桿i 的參考坐標系 i ) 的定義如下：i 軸與關(guān)節(jié)i 1 和關(guān)節(jié)i 的兩軸線的公共法線的交點是 坐標原點；關(guān)節(jié)i 的軸線就是坐標系的z 。軸；關(guān)節(jié)i 和關(guān)節(jié)i + 1 的兩軸線的公共法線是坐 標系的軸，方向由關(guān)節(jié)i 指向關(guān)節(jié)i + 1 。 通常用矩陣a 來描述相鄰兩連桿間相對關(guān)系的齊次變換，所以a 矩陣描述的是連 桿坐標系間相對平移和旋轉(zhuǎn)的齊次變換。如果第一個連桿相對于基坐標系的位置和姿態(tài) 用0 4 表示，第二個連桿相對于第一個連桿的位置和姿態(tài)用1 4 表示，以此類推，第i 個 連桿相對于第i 1 個連桿的位置和姿態(tài)用1 4 ，因此，第i 個連桿在基坐標系中的位置 和姿態(tài)變換矩陣4 可由下式求得： 4 = 0 41 4 1 4 ( 2 7 ) 西南交通大學碩士研究生學位論文第16 頁 曼曼鼉蔓鼉皇曼曼皇苧曼曼曼皇i _ i n i 一一 i 六軸工業(yè)機器人是具有6 自由度的空間連桿機構(gòu)，大多數(shù)情況下用 d e n a v i t - h a r t e n b e r g 法( d h 法) 來描述末端執(zhí)行器的空間位置及姿態(tài)。各個連桿相對于固 定參考坐標系的空間幾何關(guān)系用齊次變換來描述，相鄰兩連桿的空間關(guān)系用一個4 4 的齊次變換矩陣來描述，因此就能推導出末端執(zhí)行器坐標系相對于基坐標系的等價齊次 坐標變換矩陣，建立操作臂的運動方程。 定義連桿參數(shù)如下： ( 1 ) 沿軸方向乙一。軸與z 。軸之間的距離用表示； ( 2 ) 繞軸線乙一。軸到z 。軸所旋轉(zhuǎn)的角度用q 。表示； ( 3 ) z n 軸方向x n 一。軸與x n 軸的距離用礬表示； ( 4 ) 繞z 。軸由x n 一。軸到軸所旋轉(zhuǎn)的角度用e 。表示。 則相鄰兩坐標系之間的關(guān)系”1 瓦可以表示為式( 2 8 ) ： 糾互= 4 = 刪二最) 西搿域o ，o 以) 西銷心，o , o ) x r o t ( x , a , , ) s 鼠q i n 曉0 0 s 如紀ic o s f 2 f c 0 s 0 s 訪 o o 2 2 2 運動學正解 s i n 8 , , s i n a 。c o s 紀s m a a ) s o 吸s 曉 如最 0 ( 2 - s ) 對一個給定的機械手在已知關(guān)- o 。- 一9 - 0 ( ，) = ( e l ( ，) + + e 。( ，) ) t 和桿件幾何參數(shù)的條 件下( n 是自由度數(shù)) ，求得手末端執(zhí)行器相對于參考系的位姿的問題稱為機械手運動學 正問題亦稱直接問題。根據(jù)連桿的變化通式和連桿參數(shù)表，可以得到各連桿變化矩陣如 下： 西南交通大學碩士研究生學位論文第17 頁 ：t = = c o , 0s o , 0 s o , 0 - c o , 0 olo0 oo0l c 島0s e ,a 3 c e 3 s o , 0 一c 島口3 s 幺 o l oo o00l ：t = c o , 0s o , 0 s a , 0 - - c o , 0 0 l oo 0ool ! t = c o , 一s 0 2 0 a ：c 0 2 s 馥c 幺0 口：s o , 00l0 000l = ：t = c e 。 s 0 4 0 0 c 或 s o , o 0 0 s o , 0 0 c 見0 10 以 ool s 8 6 c o , 0 0 0 0 0 0 lo 0l 式中c0 。代表c o s 0 。，s0 。代表s i n 0 。根據(jù)運動學正解得定義，將上述坐標變化矩陣 代入公式( 2 8 ) ，可以得到機器人末端相對參考坐標系的位置和姿態(tài)【2 1 】即： 式中： ：丁= 0 。丁! t ；t ；t ：t = 吒l2吒3p 肖 r 2 1r 2 2吃3p y 吒i囈2r 3 3p z oool i r t 。= 墨( e c 6 墨+ c 4 c ) + c l ( 一e 曼，墨+ g ( c 4 e c 6 一只最) ：= c 6 ( g 墨一c t c 2 。墨) 一s 。( c 5 s l 甌+ c l ( c = c 。g 一) 3 = s , s , s 5 + c l ( c 5 s 2 3 + c 2 3 c 4 g ) p x = c i ( 口2 c 2 + n 3 c 2 3 + d 4 ) 旭= 一c , s 。是，墨一c t ( c 5 c 6 c 4 + c 4 ) + c s ( c 4 g c 6 & ) r 2 ：= q ( 一c 4 c 6 + c 5 墨s 6 ) 一s ( 一如s 5 s o + c ：，( c 6 c + c 4 c 5 c 6 ) ( 2 8 ) 1llj 西南交通大學碩士研究生學位論文第18 頁 曼曼苧曼曼曼舅曼曼皇曼曼曼曼! ! ! ! ! ! ! ! 曼! 曼! 曼曼曼! i 一： ； 一 一| l ；u l 1 ； i 曼 吃3 = c ；s ，+ ( c c 4 s l c 。墨) s 0 = s l ( 口2 c 2 + 碼乞+ 以是3 ) 吩。= c 4 c 5 c 6 + c 2 3 c 6 g 一是，墨& ) 耽：= 一c 6 是，只一甌( c 4 g 是，4 - 乞s ，) r 3 3 = - - c , 3 g + c 4 黽墨 芝= 一以+ 口2 是+ 口3 是3 其中c 2 ，= c o s ( 0 ：+ o ，) ，其他同理。式中：t 描述了末端連桿的坐標系，既是機械手相對基 坐標的位姿。 2 2 2 運動學逆解 運動學正解是根據(jù)d h 方法建立的運動學模型，通過變換矩陣求得末端在基坐標下 的唯一坐標值( 包括位置和姿態(tài)) ，相對而言比較簡單。逆運動學的求解過程是根據(jù)已知 的末端抓持器相對于參考坐標系的位姿，求關(guān)節(jié)變量9 。，0 2 ，e ，o 。，0 ，0 。的過程， 它是機器人運動規(guī)劃和軌跡控制的基礎，也是運動學最重要的部分。 運動學逆解是在給定已知的滿足某工作要求時末端執(zhí)行器位置和姿態(tài)以及各桿的結(jié) 構(gòu)參數(shù)的情況下，求解對應的關(guān)節(jié)運動量。在機器人控制中，只有使各關(guān)節(jié)移動( 或轉(zhuǎn)動) 逆解中的值，才能使末端執(zhí)行器達到工作所要求的位置和姿態(tài)，所以運動學逆解是機器 人控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一【2 2 1 。 關(guān)節(jié)變量的耦合關(guān)系表達式組成了機器人的總變化矩陣，直接通過總變化矩陣得到 需要的各個關(guān)節(jié)變量值比較困難。一種可行的求解方法是通過在總變化矩陣左邊乘以坐 標變化矩陣的逆矩陣消除復雜的耦合關(guān)系表達式，比較矩陣相應元素相等逐個求解出關(guān) 節(jié)變量值，具體為在o t = 互乏巧正正t 6 兩邊左乘五的逆：掣。0 一疋r 3 五五瓦，五的逆 西南交通大學碩士研究生學位論文第19 頁 等于互的轉(zhuǎn)置，即： 將貯。代入得： 1 學 s o , l0 s o , 0 _ c 0 1 0 0 o l0 o o 0l 2 3 工業(yè)機器人軌跡規(guī)劃 c o ,s o , 00 ool0 s o , 。c o , 0 0 o0ol l2 眨lk 吩ir r 0o 3p x r 2 3p y 辦 ol = 正五五五蠢 機器人求得完成自身任務解決方案的過程稱為軌跡規(guī)劃。這里所指的任務是指機器 人某個動作( 比如手部或關(guān)節(jié)的某個規(guī)定的運動等) 或者機器人要完成的某一具體任務。 機械臂位姿關(guān)于時間的函數(shù)是軌跡。根據(jù)驅(qū)動元件約束條件和機器人動力學方程，求出 沿一條無沖突路徑機械臂的姿勢和位置的時間經(jīng)歷稱為軌跡規(guī)劃。軌跡規(guī)劃有點位作業(yè) ( p t p ，p o i n t t o - p o i n tm o t i o n ) 和連續(xù)路徑作業(yè)( c p ，c o n t i n u o u s p a t hm o t i o n ) 兩種形式。 在關(guān)節(jié)空間和笛卡兒空間中都可以進行軌跡規(guī)劃。在關(guān)節(jié)空間中進行軌跡規(guī)劃容易 做到控制的實時性，因為其規(guī)劃軌跡時使用運動時的受控關(guān)節(jié)變量，但是這樣的不足之 處是末端抓持器和各桿的位置不好確定，而在笛卡兒坐標空間可以做到這一點，但目前 還沒有一種傳感器可以將末端的抓持器在笛卡兒坐標中的位置測量出來，因此所有的運 算都是在關(guān)節(jié)坐標系中進行的，這樣就需要過求解雅克比逆矩陣在關(guān)節(jié)和直角坐標之間 進行實時變化，但這樣工作量非常大，用時長。 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 0 頁 皇曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼寰曼! ! ! ! 曼曼! 曼曼曼曼曼皇曼寰_ i i 鼉曼曼曼! 曼蔓曼皇曼曼皇皇舅曼曼皇皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼鼉曼 2 3 1 關(guān)節(jié)空間中進行軌跡規(guī)劃 要在關(guān)節(jié)空間進行軌跡規(guī)劃，首先要搭建路徑上的點和關(guān)節(jié)的角度值之間的關(guān)系， 這里要用到逆運動學方程，然后分別用一個函數(shù)來描述關(guān)節(jié)的變化，使之從起始點開始 依次通過所有路徑點直至到目標點【2 4 1 。每個關(guān)節(jié)有相同的運動變化時間，但描述它們變 化的時間函數(shù)之間沒有任何關(guān)聯(lián)。常用的光滑時間函數(shù)有三次多項式以及五次多項式時 間函數(shù)，本節(jié)采用了三次多項式時間函數(shù)對關(guān)節(jié)空間中的軌跡規(guī)劃進行介紹。 三次多項式及其一階導函數(shù)的通式見式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 。 瞑，j = c o + q t + c ：t 2 + q 3 ( 2 9 ) 馥n = c l + 2 c 2 t + 3 c 3 t 2 ( 2 1 0 ) 為確定未知的系數(shù)c o ，c i ，c 2 ，c 3 ，同時對起始位置點和目標位置給出約束條件 列出四個方程式，見式( 2 1 1 ) ( 2 。1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ： 最) = c o + c , t o + c ：如2 + c 3 t 0 3 = c o + c , t ?！縭 + c = t j 2 + c 3 0 3 哦f 0 ) = c l + 2 c 2 氣+ 3 c 3 t 。2 或。) = c l + 2 c 2 t + 3 c 3 t 2 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 式中o ( ，。) e ( 礦) 表示起始位置的關(guān)節(jié)角，e ( 礦) 表示目標位置的關(guān)節(jié)角，o 。( t o ) 表示起 始位置的關(guān)節(jié)角速度，6 ，、目標位置的關(guān)節(jié)角速度。如果設= o ，解得系數(shù)見式( 2 1 5 ) u - ，f 、 v ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 所示： ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 1 頁 c = 墮) 二型竺魚：塑2 t“f g = 墊粵一 假設在起始位置速度為零，既 。：o ，目標位值的起始位置速度為零， v ( t o 、 得到特解如下式( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 、( 4 2 1 ) 、( 2 - 2 2 ) 。 c o2 0 ( r o ) c l = 0 c ，：塑型 tf - 2 ( o , ，) 一只o ) c 3 。午 ( 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) 6 ( 礦) 。o ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 如上所述，在已知始末位置的關(guān)節(jié)角度和角速度的情況下求解多項式的系數(shù)比較 簡單，但是對于路徑中間的位置其角速度并非已知，需要通過機械手末端的運動經(jīng)過雅 克比矩陣的逆變換才能得到，這樣計算量就很大，為了簡化運算提高速度，一般中間點 的瞬時速度用相鄰兩段軌跡角速度平均值來代替。 2 3 2 笛卡爾空間中進行軌跡規(guī)劃 在笛卡爾空間有四個點如圖2 7 所示，由上節(jié)可知，關(guān)節(jié)空間進行軌跡規(guī)劃僅能 保證機械手經(jīng)過四個點，并不能讓其按照一定的軌跡在四個點之間運動，也不能確定在 運動過程中的姿態(tài)，要想使機械手按照圖2 8 所示的軌跡運動，只有在笛卡爾空間進行 規(guī)劃才能完成1 2 5 1 。空間直線、圓弧軌跡規(guī)劃法是笛卡兒坐標常用的規(guī)劃算法，下面是空 間直線規(guī)劃算法的設計。 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 2 頁 曼! 曼曼曼曼曼皇蔓曼曼舅曼曼! ! 曼曼曼! 舅! 曼曼曼曼! 曼! 皇! 曼曼笪曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼j il l 曼曼曼曼曼皇笪曼曼量曼曼曼曼曼舅曼皇皇曼曼曼曼曼 2 3 2 1 空間直線插補算法 2 7 關(guān)節(jié)空間中進行軌跡規(guī)劃圖 2 8 笛卡兒空間中進行軌跡規(guī)劃圖 根據(jù)給定直線兩個端點的位姿求出直線上的中間點的位姿的方法就是空間直線插補。 在插補的過程中，機械手的姿態(tài)從初始位置的姿態(tài)開始，按照一定的步長均勻的變化到 末端位置的姿態(tài)，機械臂的姿態(tài)變化按照給定的步長從初始姿態(tài)均勻向末端點姿態(tài)變 化。假設初始位置的坐標為a ( 置，k ，z 1 ) ，終點位置的坐標為b ( 置，k ，z 2 ) ，如圖2 - 9 。 圖2 - 9 空間直線插補 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 3 頁 直線插補的的具體過程如下所示： ( 1 ) 確定插補周期t s 和沿直線運動的速度v 。 ( 2 ) 計算出插補點間的距離。 ( 3 ) 計算出插補過程用