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畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 外文翻譯 英文翻譯題目二： 學 院 名 稱： 機械工程學院 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級： 姓 名： 指 導 教 師： 英文題目二 譯內(nèi)容 全文 指導教師評語 文章翻譯基本準確。 指導教師簽字： 2010 年 2 月 25 日 管道焊接機器人的可視焊縫追蹤系統(tǒng) 袁立 ,德旭，嚴志國，和閔 譚 1. 綜合系統(tǒng)和智能科學重點實驗室，自動化協(xié)會，中國科學院 2. 北京中國科學院研究生學院， 中國（徐德，李園，譚）@ac,要： 人們提出了一種以產(chǎn)生可視光線為基礎(chǔ)的焊縫追蹤系統(tǒng)，這種系統(tǒng)被應用于管道焊接機器人中。首先，在對焊接表面激光反射和照相機的位置，激光所在的平面以及焊接后激光條紋圖像的效果進行分析的基礎(chǔ)上， 設(shè)計出了視覺傳感器。為了防止在焊縫圖像中出現(xiàn)嚴重的反射擾亂，人們開發(fā)了圖像處理和特征抽取的運算法則。為了對管道焊接進行焊縫追蹤，人們采取了一種圖像視覺控制系統(tǒng)。人們通過控制管道焊接機器人的焊縫追蹤實驗來證實這個系統(tǒng)的性能。 1 引言 在涉及機器人焊接的相關(guān)問題中，焊縫追蹤是其中的一個重要的問題，它也是進行高質(zhì)量的自動化焊接的基礎(chǔ)。工業(yè)上的焊接機器人大部分用于教學，并且機器人重復這個路徑以滿足焊接中光束的位置要求。在焊接機器人的這種工作模式中存在一些問題，例如焊接位置的不精確性，由熱量擴散而導致焊接處的變形與扭曲。這些問題導致光束偏離其理論上的焊接路徑，所以在焊接的過程中控制光束的焊縫軌跡是必要的 [1]。其次，管道焊接機器人不能預先對焊縫進行定義，因為當管道改變方向時，焊縫可能偏離管道內(nèi)部的位置。焊縫的軌跡可以隨著軸線方向上管子的移動而改變。在這種情況下，這種模式就不適合進行管道的焊接，并且焊接機器人需要修正光束和即時焊接時焊縫之間偏移。 為了避免在移動管道時出現(xiàn)焊縫的偏離， 2]。 ]參與討論了當管道方向改變時管子在軸線方向上移動的原理。解決問題的辦法是用三自由度多機械手來升降管子，調(diào)整管子的位置，并擺正管子的方向。這兩種方法僅和管子的移動有關(guān)。事實上，當管子改變方向時，焊縫將偏離其原來的位置。然后，在進行高質(zhì)量的焊接時就需要焊縫追蹤系統(tǒng)。 et (:機器人 ，智能和自動化， 62， 2007 007 有一些種類的焊縫追蹤系統(tǒng)通 過不同種類的傳感器開發(fā)出來。這種以激光 作為光線的可視傳感器被廣泛的應用，因為焊縫具有可靠性以及大量的信息，并且用于焊縫追蹤系統(tǒng)的可視傳感器被看做為自動焊接中前景很好的一種傳感方法 [4]。嚴重的干擾會影響可視傳感器所形成的光線圖像，例如在光亮的表面會有大量的反射，并且在焊接過程中圖像會非常模糊。這些干擾會導致加大焊接圖像處理和特征抽樣的難度，并且會導致其不精確?；谀：倪壿嫼涂臻e的網(wǎng)絡(luò)，人們開發(fā)了一些運算法則來排除這些干擾并識別焊縫 [5但是對于可視信息抽取的可靠性和精確性，目前仍然一些問題和挑戰(zhàn)。 在這篇文章中，測量系統(tǒng)中的視覺傳感器會在第 2 部分中進行分析；第 3部分討論圖像處理和特征抽取。第 4 部分介紹了管道焊接機器人的控制系統(tǒng)，第5 部分是試驗的結(jié)果。最后，第 6 部分對這篇文章進行了總結(jié)。 2 焊縫追蹤的視覺測量系統(tǒng) 焊縫追蹤中一種高度發(fā)展的技術(shù)是可視的構(gòu)造光線。但是有很多重要的因素對視覺傳感器有很大的影響，例如管子表面大量的反射以及管子之間的相對位置。人們需要分析這兩方面的因素。 光反射的分析 為了改善焊接處的焊接質(zhì)量，焊接處通常需要用磨輪磨平，以便去除焊接處表面的鐵銹和雜質(zhì)。當光束照在光滑 的焊接表面時，由于強烈的激光反射，光束散布在管子的表面，這經(jīng)常會在焊縫圖像的反射時產(chǎn)生混亂，并降低視覺傳感器圖像的質(zhì)量，使激光條紋變形，并且增加特征抽取的困難。 當光線照在物體的表面上時，反射光線有散射和鏡面反射，如圖 1 所示。 圖 根據(jù) ],反射光線的強度計算公式如下（ 1）： ? ? ? ?? ? 2221222221/c o ???????? ????????? （ 1） I 是總的反射光線強度； 部分光線的強度； 散射光線的強度； 在光滑表面上理想的鏡面反射光線的強度，并且反 射方向服從反射定律； 在實際表面上鏡面反射光線的強度。事實上，反射表面是由許多微小的鏡面組成的。所以反射方向和強度服從 布。 反射率系數(shù)； θ是表面系數(shù)； r 是距離； d 是孔的直徑； f 是焦點； θc 是照相機的觀察角度； Φc 是光發(fā)生散射時的比率的角度。 在上述所有反射中，當視覺傳感器中有合適的信號時，散射可以清晰的反映出激光條紋的圖像；平面反射通常反映出整個圖像，并且會引起圖像中條紋所在區(qū)域的發(fā)光。所以應對視覺傳感器進行定位以避免平面反射，并清晰的呈現(xiàn)出激光條紋的圖像。 在公式（ 1）中，可以在一個很大的角度范圍內(nèi)接收到散射；而平面反射僅能在一個很小的范圍內(nèi)被接收到，并且接收方向服從反射定律。所以，為了使圖像清晰，照相機應避免出現(xiàn)在反射平面的方向上。 角形測量原理 以光線為基礎(chǔ)的視覺傳感器三角形測量原理如圖 2 所示。 L 是激光所在的平面， L’是平面反射光線所在的平面； C 是照相機的視覺軸線。 α角是照相機的視覺軸線和焊接表面之間的夾角； θ是照相機的視覺平面與激光所在平面之間的夾角。 在圖像坐標系中槽 d’的深度和寬度可以如下計算得到： ? ??? ??? dk d’(2) 在公式（ 2）中， d 是焊槽的寬度； 像坐標系的比例系數(shù)。 d’越大，條紋槽的特征越明顯，用角度 α和 θ來清晰的表現(xiàn)條紋圖像。 根據(jù)以上的討論和分析，在設(shè)計視覺傳感器時可以得出以下一些結(jié)論： C）出現(xiàn)在反射平面的方向上，這樣可以減少由于光線的集中對激光條紋圖像造成的干 擾。 2. 根據(jù)公式（ 2），為了在照相機坐標系中得到有關(guān)結(jié)合點的適當?shù)男螤钚畔?，應當適當?shù)倪x擇角度 α， θ。當實際的 α是 π/2， θ是 π/6， d’是 可以得到合適而又清晰的條紋圖像。 視覺傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。為了增加傳感器的可靠性和信息，人們采用了如下三條條紋。 3 圖像處理與特征抽取 為了探測激光條紋的各部分及其邊緣，人們開發(fā)了一些有關(guān)圖像處理的運算法則 [9,10]。但是在焊接的情況下，很難在有嚴重干擾的同時可靠的提取信息。在這篇文章中，為了防止焊接表面嚴重的反射干擾，尤其是這三條激光條紋之間的相互作用，人們開發(fā)了一種關(guān)于圖像處理和特征提取的運算法則。這個過程包括依次對三條激光條紋進行目標區(qū)域的搜索，對適當?shù)钠瘘c的選擇，對側(cè)影的提取，這些 側(cè)影是以強化了并分配好的柱狀條紋為基礎(chǔ)，以及特征的選擇與提取。 像的處理 照相機中的圖像的尺寸是 640素。為了加快圖像的處理并減小圖像的干擾，應該探測有關(guān)的圖像區(qū)域（ 。在圖像平面中有關(guān)的激光條紋是水平的，根據(jù)強度配可以固定 常投影的三個高峰相當于圖像空間中條紋的圖像位置，通過條紋的位置和假設(shè)的空白，人們推斷出了條紋的三個區(qū)域。 在黑色的背景下，典型的激光圖形可以很清楚的展現(xiàn)出來，通過起點把圖像中的條紋分段是合適的。低強度的背景的像素使柱狀圖中的低強度的區(qū)域結(jié)合起來；條紋 上的像素使高強度了的空間結(jié)合起來。 人們計算出了從高到低的強度水平中每一級的像素的數(shù)量。當所積累的像素達到所指定的數(shù)量時，強度水平被看作是圖像各部分的起點。 通過柱狀物的分配強度，焊接槽的側(cè)影被抽取出來。每一個柱狀物上的像素的強度分配依次在三個區(qū)域上計算出來，最大值的點作為側(cè)影上的點被抽取出來[11]。同時，人們提出了空間上的連續(xù)性的標準來檢測提取點的連續(xù)性。然后采用中央過濾器和均勻過濾器來減少脈沖干擾并測量噪音。 征提取 由于焊接槽中心點的強度和穩(wěn)定性，所以人們選擇它們作為圖像特征來提取。 首 先，通過 移方式探測條紋的主要線段。顯著地是這些主要的線段和條紋側(cè)影可以組成焊接結(jié)合區(qū)域的圖像。邊界上的點是根據(jù)主要線段與條紋側(cè)影之間的距離來探測的。從結(jié)合區(qū)域來搜索條紋側(cè)影，當距離很短時，邊界點和圖像就固定了。然后通過圖像的中心點就可以提取出三個特征點。通過這三個特征點就可以計算出焊縫圖像中的一般的特征點并增加視覺傳感器的強度。 圖 4 是原始圖像和特征的提取結(jié)果；焊接槽的中心點被依次提取出來。 圖 4 焊縫追蹤控制系統(tǒng) 焊接機器 人由底座，垂直架，和水平機械手組成；它由步進電動機來驅(qū)動。激光發(fā)生器和視覺傳感器被安裝在水平機械手的末端；管道設(shè)置在滾軸上。在激光發(fā)生器與焊縫之間有兩個自由度，即水平方向與豎直方向上運動的自由度。管道焊接機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 5 所示。 在圖像空間中焊縫的最初的坐標系作為焊接前的參考位置被記錄了下來。因為視覺傳感器被安置在焊縫的上方，并且圖像坐標系的 v 方向與焊縫的方向一致，所以控制系統(tǒng)被分離成兩個方向。在圖像坐標系中偏離 u 方向的像素相當于在 且 離。以圖像為基礎(chǔ)的追蹤控制系統(tǒng)就是根據(jù)這種相關(guān)關(guān)系開發(fā)出來的。 陣把焊接的空間轉(zhuǎn)換為機器人圖像空間的等式如下（ 3）： ?????????????????????????? 221 1211（ 3） 根據(jù)公式（ 2）， 22不斷的被視覺傳感器定義。因為當視覺傳感器在水平方向上移動時，圖像空間中條紋的高度很難改變， 。當傳感器和激光發(fā)生器在豎直方向上移動時，由于照相機和焊接處的距離不斷變化，條紋的水平位置和高度就會變化。因為焊接處的尺寸 h 遠小于尺寸 z，所以在圖 6 中 值近似 等于 0。那么根據(jù)公式（ 4），由距離變化所引起的水平位置的變化就可以被忽略，所以 。 ? ? 0ta n ??? （ 4） 因此， 陣就可以簡化成一個對角矩陣，以圖像為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)集中在它的工作空間。 可視控制結(jié)構(gòu)如圖 7 所示。在焊接的過程中，根據(jù)當前特征點與參考點之間的像素坐標系的分離來計算電動機的輸出脈沖。 5 實驗結(jié)果 用管道焊接機器人來進行的焊接實驗是為了說明焊縫追蹤系統(tǒng)的有效性。焊接的類型是水下電弧焊接；關(guān)節(jié)類型 是 V 字形；焊接速度是 接物是一個直徑為 為 10油箱。在焊縫追蹤系統(tǒng)中，測量時間被設(shè)置為40制時間被設(shè)置為 200 圖 8 所示的是在焊接實驗過程中包含 u 和 v 方向的圖像坐標系。圖像坐標系的變化低于 3 個像素（ u） 和 6 個像素（ v） ；這證實了追蹤系統(tǒng)的精確性。 v 方向上的誤差更大是因為帶有激光發(fā)生器與其他附件的豎直電動機更重，并且，控制電動機的速度被設(shè)置的相對較低。 圖 9 所示的是在焊接過程中豎直方向與水平方向電動機的輸出脈沖。在水平方向上，電動機的輸出是負方向的，并且是近似的 直線，因為當轉(zhuǎn)變方向時，在軸線方向上管道的移動是穩(wěn)定的。在豎直方向上，電動機的輸出適應了管道高度的變化。 這個實驗說明，機器人能夠穩(wěn)定而又精確的追蹤焊縫。視覺測量系統(tǒng)能夠很好的工作是因為它具有強大的特征提取和信息融合的能力，并且控制系統(tǒng)能夠適當?shù)倪\行，這就說明了以圖像為基礎(chǔ)的控制結(jié)構(gòu)的有效性。 6 結(jié)論 在這篇文章中呈現(xiàn)了以構(gòu)建可視激光為基礎(chǔ)并用于管道焊接機器人的焊縫追蹤系統(tǒng)。對光滑表面的反射及激光測量原理進行了分析，并設(shè)計了一種視覺傳感器。為了改善在嚴重干擾下所形成的焊縫圖像，人們開發(fā)了圖像處理與 特征提取的運算法則。在控制系統(tǒng)中，人們采用了一種以圖像為基礎(chǔ)的焊縫追蹤視覺控制結(jié)構(gòu)。 實驗結(jié)果證明焊縫追蹤系統(tǒng)是穩(wěn)定的，可靠的，精確的，并且它能夠滿足焊接的質(zhì)量要求。 這篇文章討論關(guān)于對復雜形狀的焊縫進行追蹤的問題，這是控制系統(tǒng)位置趨勢的焊縫所進行的挑戰(zhàn)。在這種情況下，為了調(diào)整焊接機器人的位置和姿勢，具有三個激光平面的視覺傳感器將會提供有關(guān)焊縫方向的信息。 鳴謝 感謝中國國家高科技研究與開發(fā)項目組織（ 2002資金方面給予這項工作的支持，并感謝國家核心項目研究與開發(fā)組織（ 支持。 參考文獻 [1]u,家防御工業(yè)出版社，北京， 2000. 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