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畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 外文翻譯 英文翻譯題目二： 學(xué) 院 名 稱： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 班 級： 姓 名： 指 導(dǎo) 教 師： 英文題目二 譯內(nèi)容 全文 指導(dǎo)教師評語 文章翻譯基本準(zhǔn)確。 指導(dǎo)教師簽字： 2010 年 2 月 25 日 管道焊接機(jī)器人的可視焊縫追蹤系統(tǒng) 袁立 ,德旭，嚴(yán)志國，和閔 譚 1. 綜合系統(tǒng)和智能科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，自動化協(xié)會，中國科學(xué)院 2. 北京中國科學(xué)院研究生學(xué)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(yīng)用于管道焊接機(jī)器人中。首先，在對焊接表面激光反射和照相機(jī)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(jìn)行分析的基礎(chǔ)上， 設(shè)計(jì)出了視覺傳感器。為了防止在焊縫圖像中出現(xiàn)嚴(yán)重的反射擾亂，人們開發(fā)了圖像處理和特征抽取的運(yùn)算法則。為了對管道焊接進(jìn)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(jī)器人的焊縫追蹤實(shí)驗(yàn)來證實(shí)這個系統(tǒng)的性能。 1 引言 在涉及機(jī)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(jìn)行高質(zhì)量的自動化焊接的基礎(chǔ)。工業(yè)上的焊接機(jī)器人大部分用于教學(xué)，并且機(jī)器人重復(fù)這個路徑以滿足焊接中光束的位置要求。在焊接機(jī)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(kuò)散而導(dǎo)致焊接處的變形與扭曲。這些問題導(dǎo)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(jī)器人不能預(yù)先對焊縫進(jìn)行定義，因?yàn)楫?dāng)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(jìn)行管道的焊接，并且焊接機(jī)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(dāng)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(jī)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(shí)上，當(dāng)管子改變方向時，焊縫將偏離其原來的位置。然后，在進(jìn)行高質(zhì)量的焊接時就需要焊縫追蹤系統(tǒng)。 et (:機(jī)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(yīng)用，因?yàn)楹缚p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(yán)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(dǎo)致加大焊接圖像處理和特征抽樣的難度，并且會導(dǎo)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(yùn)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(jìn)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(jī)器人的控制系統(tǒng)，第5 部分是試驗(yàn)的結(jié)果。最后，第 6 部分對這篇文章進(jìn)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(dāng)光束照在光滑 的焊接表面時，由于強(qiáng)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(dāng)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(qiáng)度計(jì)算公式如下（ 1）： ? ? ? ?? ? 2221222221/c o ???????? ????????? （ 1） I 是總的反射光線強(qiáng)度； 部分光線的強(qiáng)度； 散射光線的強(qiáng)度； 在光滑表面上理想的鏡面反射光線的強(qiáng)度，并且反 射方向服從反射定律； 在實(shí)際表面上鏡面反射光線的強(qiáng)度。事實(shí)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(qiáng)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(diǎn)； θc 是照相機(jī)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(dāng)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(yīng)對視覺傳感器進(jìn)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(jī)應(yīng)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(jī)的視覺軸線。 α角是照相機(jī)的視覺軸線和焊接表面之間的夾角； θ是照相機(jī)的視覺平面與激光所在平面之間的夾角。 在圖像坐標(biāo)系中槽 d’的深度和寬度可以如下計(jì)算得到： ? ??? ??? dk d’(2) 在公式（ 2）中， d 是焊槽的寬度； 像坐標(biāo)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(jì)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(jī)坐標(biāo)系中得到有關(guān)結(jié)合點(diǎn)的適當(dāng)?shù)男螤钚畔ⅲ瑧?yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)倪x擇角度 α， θ。當(dāng)實(shí)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(yùn)算法則 [9,10]。但是在焊接的情況下，很難在有嚴(yán)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(yán)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(yùn)算法則。這個過程包括依次對三條激光條紋進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域的搜索，對適當(dāng)?shù)钠瘘c(diǎn)的選擇，對側(cè)影的提取，這些 側(cè)影是以強(qiáng)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(jī)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(yīng)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(qiáng)度配可以固定 常投影的三個高峰相當(dāng)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(diǎn)把圖像中的條紋分段是合適的。低強(qiáng)度的背景的像素使柱狀圖中的低強(qiáng)度的區(qū)域結(jié)合起來；條紋 上的像素使高強(qiáng)度了的空間結(jié)合起來。 人們計(jì)算出了從高到低的強(qiáng)度水平中每一級的像素的數(shù)量。當(dāng)所積累的像素達(dá)到所指定的數(shù)量時，強(qiáng)度水平被看作是圖像各部分的起點(diǎn)。 通過柱狀物的分配強(qiáng)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(qiáng)度分配依次在三個區(qū)域上計(jì)算出來，最大值的點(diǎn)作為側(cè)影上的點(diǎn)被抽取出來[11]。同時，人們提出了空間上的連續(xù)性的標(biāo)準(zhǔn)來檢測提取點(diǎn)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(diǎn)的強(qiáng)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(diǎn)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(dāng)距離很短時，邊界點(diǎn)和圖像就固定了。然后通過圖像的中心點(diǎn)就可以提取出三個特征點(diǎn)。通過這三個特征點(diǎn)就可以計(jì)算出焊縫圖像中的一般的特征點(diǎn)并增加視覺傳感器的強(qiáng)度。 圖 4 是原始圖像和特征的提取結(jié)果；焊接槽的中心點(diǎn)被依次提取出來。 圖 4 焊縫追蹤控制系統(tǒng) 焊接機(jī)器 人由底座，垂直架，和水平機(jī)械手組成；它由步進(jìn)電動機(jī)來驅(qū)動。激光發(fā)生器和視覺傳感器被安裝在水平機(jī)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(yùn)動的自由度。管道焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 5 所示。 在圖像空間中焊縫的最初的坐標(biāo)系作為焊接前的參考位置被記錄了下來。因?yàn)橐曈X傳感器被安置在焊縫的上方，并且圖像坐標(biāo)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(biāo)系中偏離 u 方向的像素相當(dāng)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(jī)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?yàn)楫?dāng)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(dāng)傳感器和激光發(fā)生器在豎直方向上移動時，由于照相機(jī)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?yàn)楹附犹幍某叽?h 遠(yuǎn)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(dāng)前特征點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的像素坐標(biāo)系的分離來計(jì)算電動機(jī)的輸出脈沖。 5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 用管道焊接機(jī)器人來進(jìn)行的焊接實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程中包含 u 和 v 方向的圖像坐標(biāo)系。圖像坐標(biāo)系的變化低于 3 個像素（ u） 和 6 個像素（ v） ；這證實(shí)了追蹤系統(tǒng)的精確性。 v 方向上的誤差更大是因?yàn)閹в屑す獍l(fā)生器與其他附件的豎直電動機(jī)更重，并且，控制電動機(jī)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(jī)的輸出脈沖。在水平方向上，電動機(jī)的輸出是負(fù)方向的，并且是近似的 直線，因?yàn)楫?dāng)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(jī)的輸出適應(yīng)了管道高度的變化。 這個實(shí)驗(yàn)說明，機(jī)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?yàn)樗哂袕?qiáng)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(dāng)?shù)倪\(yùn)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(jī)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(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了一種視覺傳感器。為了改善在嚴(yán)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(yùn)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(shí)驗(yàn)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(fù)雜形狀的焊縫進(jìn)行追蹤的問題，這是控制系統(tǒng)位置趨勢的焊縫所進(jìn)行的挑戰(zhàn)。在這種情況下，為了調(diào)整焊接機(jī)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(xiàng)目組織（ 2002資金方面給予這項(xiàng)工作的支持，并感謝國家核心項(xiàng)目研究與開發(fā)組織（ 支持。 參考文獻(xiàn) [1]u,家防御工業(yè)出版社，北京， 2000. 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