激光視覺(jué)引導(dǎo)機(jī)器臂焊縫跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用分析

1、激光視覺(jué)引導(dǎo)機(jī)器臂焊縫跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用分析摘要：在實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化的過(guò)程中，焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)是十分關(guān)鍵的一點(diǎn)。本 文以弧焊機(jī)器人系統(tǒng)為例，在其傳統(tǒng)的模式上，設(shè)計(jì)了一種由激光視覺(jué)所引導(dǎo)的 機(jī)器臂焊縫跟蹤系統(tǒng)。本文在了解激光焊縫跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析 了激光焊縫對(duì)于圖像的處理以及激光焊縫跟蹤控制算法，并最終從對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的 分析過(guò)程中證明了激光視覺(jué)焊縫跟蹤系統(tǒng)具有十分廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：激光視覺(jué)；機(jī)器臂；焊縫跟蹤系統(tǒng)；應(yīng)用引言近幾年，我國(guó)的金屬制造業(yè)發(fā)展十分迅速。在加工金屬的過(guò)程中，應(yīng)用最為 普遍的加工方法是焊接技術(shù)，隨著金屬制造業(yè)的大幅度增加，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的金屬 加工具有十分重要的意義。焊縫

2、跟蹤技術(shù)具有十分顯著的作用，主要包括：一是 可以對(duì)焊縫的位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的傳送；二是讓焊炬的運(yùn)動(dòng)控制這一模塊變成一 種自適應(yīng)的閉環(huán)焊接系統(tǒng)，正是由于其所具有的上述優(yōu)點(diǎn)，所以國(guó)內(nèi)外相關(guān)企業(yè) 以及研究機(jī)構(gòu)都對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行了連續(xù)的研究，并在研究的過(guò)程中不斷開(kāi)發(fā)新的 傳感器以及焊縫跟蹤技術(shù)?，F(xiàn)階段視覺(jué)傳感技術(shù)在檢測(cè)圖像以及控制運(yùn)動(dòng)等方面依然是使用的計(jì)算機(jī)平 臺(tái)，因此在控制軟件開(kāi)發(fā)的過(guò)程中存在很大的難度。為解決這一問(wèn)題，有研究者 提出對(duì)于圖片的處理通過(guò)可編程控制器FPGA或者是單片機(jī)平臺(tái)進(jìn)行，但是經(jīng)過(guò) 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這兩種方法都存在低速以及低精度的弊端，此外，對(duì)于這些跟蹤系統(tǒng)來(lái) 說(shuō)，其對(duì)檢測(cè)到的跟蹤偏移量信息

3、的通信過(guò)程是依靠一些比較繁瑣的通信協(xié)議完 成的，因此很難方便的連接到行業(yè)內(nèi)部的主流焊接設(shè)備系統(tǒng)，也就是說(shuō)，這些方 法在實(shí)際應(yīng)用中存在著一定的限制。對(duì)于激光視覺(jué)所引導(dǎo)的傳感跟蹤技術(shù)來(lái)說(shuō)，其特點(diǎn)主要包括以下幾點(diǎn)：第一 點(diǎn)是該技術(shù)包含大量的信息；第二點(diǎn)該技術(shù)其可以實(shí)現(xiàn)在垂直以及水平雙維度上 的跟蹤；第三點(diǎn)是該技術(shù)具有比較高的靈敏度與精確度；第四點(diǎn)是因?yàn)樵摷夹g(shù)不 接觸被焊工件因而其適合任何一種破口的形狀，適用性比較好。正是因?yàn)榧す庖?覺(jué)所引導(dǎo)的傳感跟蹤技術(shù)解決了傳統(tǒng)的電弧傳感方法以及機(jī)械傳感方法的弊端， 因?yàn)槠湓诂F(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用前景是十分廣闊的。本文在了解激光焊縫跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了激光

4、焊縫對(duì)于圖 像的處理以及激光焊縫跟蹤控制算法，并最終從對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析過(guò)程中證明了 激光視覺(jué)焊縫跟蹤系統(tǒng)具有十分廣闊的應(yīng)用前景。激光焊縫跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)本研究中所研究的機(jī)器人系統(tǒng)主要部分有以下幾個(gè)：其一是工業(yè)機(jī)器人本體;其二是ASNAC- XRC控制柜；其三是Motoweld- S350焊機(jī)，此外該系統(tǒng)還包括以 下幾種外部設(shè)備：其一是機(jī)器人供電系統(tǒng)；其二是雙軸變位機(jī)；其三是送絲機(jī)構(gòu) 等。本研究主要是在原有的機(jī)器人系統(tǒng)上增設(shè)了一套激光圖像傳感子系統(tǒng)，可以 在實(shí)際的工作中監(jiān)測(cè)焊縫的位置偏差情況。激光焊縫跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所 示。圖1激光焊縫跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖該激光焊縫跟蹤系統(tǒng)的工作流程主要如圖2所

5、示。圖2激光焊縫跟蹤系統(tǒng)的工作流程激光焊縫對(duì)于圖像的處理對(duì)焊縫的圖像處理主要包括以下幾個(gè)步驟：其一是濾除掉噪音；其二是進(jìn)行 二值化；其三是提取激光條紋的中心線等。從獲得的激光條紋的中心線就可以獲 得焊縫的位置信息。此外，為了能夠進(jìn)一步提高對(duì)焊縫跟蹤的精度，在提取焊縫 相關(guān)特征時(shí)候的進(jìn)度通常要達(dá)到亞像素級(jí)別。在本研究中為了獲取焊縫的圖像信息，使用到的激光檢測(cè)頭類型是MT10,這 是以DSP- DM642為基礎(chǔ)經(jīng)由TI公司擴(kuò)展之后形成的TDS642EVM板來(lái)采集激光焊 縫的圖像信息，并在處理信息完成后輸出焊縫的中心位置。圖3中的（a）圖是 在CO2焊接環(huán)境下所采集到的焊縫原始圖像，在焊接的過(guò)程中會(huì)

6、存在著諸如煙塵、 電弧光以及來(lái)自周邊環(huán)境的電干擾和磁干擾的影響，因而盡管傳感器已經(jīng)安裝濾 光片在透鏡上，可以起到對(duì)反射光的濾波功能，但是原始圖依然會(huì)存在噪音。為 了減少噪音的影響，本實(shí)驗(yàn)對(duì)圖像進(jìn)行了一定的預(yù)處理，預(yù)處理的方式主要有以 下幾種：一種是中值濾波法；另一種是形態(tài)學(xué)運(yùn)算法；還有一種是圖像分割法； 此外還有輪廓提取法等，這些方法可以通過(guò)直線擬合分割后的所有通域的方法來(lái) 實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)值的確定，擬合直線的方法主要有以下幾種：其一是 設(shè)置斜率的范圍；其二是設(shè)置間隙；其三是設(shè)置臺(tái)階尺寸的閾值。相關(guān)的示意圖 如圖3（b）到（d）所示。圖3焊縫圖像處理以及輪廓的提取激光焊縫跟蹤控制算法在

7、激光視覺(jué)所引導(dǎo)的焊縫跟蹤系統(tǒng)中，視覺(jué)檢測(cè)的關(guān)鍵所在指的是處理圖像 的算法，這一過(guò)程主要包括以下幾種操作：一是提取二值化閾值操作；二是濾波 操作；三是提取焊縫特征點(diǎn)操作。對(duì)于焊縫圖像的二值化閾值來(lái)說(shuō)，其主要的作 用實(shí)現(xiàn)激光與背景光和電弧光之間的分離，采取合適的抽取閾值算法將背景光的 強(qiáng)度與電弧光的強(qiáng)度降低到閾值之下，而激光的強(qiáng)度則是調(diào)整帶閾值之上，然后 再對(duì)圖像使用二值化程序進(jìn)行相應(yīng)的處理，從而獲得只存在激光的焊縫特征圖像。 濾波操作的主要目的是去除在經(jīng)過(guò)二值化操作后圖像中還剩下的諸如中值濾波之 類的干擾，并結(jié)合結(jié)構(gòu)光圖像的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)孤立光斑的判斷以及消除，此外，還 應(yīng)該以左右激光的圖像為依據(jù)將

8、中心線提取出來(lái)。對(duì)提取焊縫特征點(diǎn)的過(guò)程來(lái)說(shuō)，主要的內(nèi)容是檢測(cè)線段，因?yàn)樵诤缚p位置處 結(jié)構(gòu)光特別容易出現(xiàn)彎折的情況，所以每一個(gè)破口處的激光圖像都是有所差別的， 在檢測(cè)線段的時(shí)候所采用的算法一般是hough算法，然后再根據(jù)邏輯算法最終定 位出焊縫的中心位置。根據(jù)直線方程所進(jìn)行的空間上的變換設(shè)計(jì)出了 hough變換 計(jì)算法，該算法需要十分大的計(jì)算量以及存貯空間，因此該算法在本實(shí)驗(yàn)中是不 適用的。在分析焊縫圖像特征的時(shí)候，具有傾斜直線的圖像也可以通過(guò)斜率曲線得以 反映，因?yàn)橥恢本€像素點(diǎn)的斜率幾乎是不變的，只有在線段的邊沿位置或者是 線段發(fā)生了轉(zhuǎn)折的情況下才會(huì)出現(xiàn)斜率的大幅度波動(dòng)或者跳變。與hough

9、變換算 法相比，焊縫跟蹤控制算法所具有的優(yōu)勢(shì)主要有以下幾方面：第一方面是在橫向 維度填滿單像素直線的情況下，計(jì)算所有焊縫的一次與二次斜率所消耗的總的時(shí) 間遠(yuǎn)小于hough變換算法所消耗的時(shí)間；第二方面是從存儲(chǔ)的需求角度進(jìn)行分析， 可以發(fā)現(xiàn)斜率分析算法在很大程度上節(jié)約了所需要的內(nèi)存空間。在本實(shí)驗(yàn)中，對(duì) 于一次以及二次斜率的記錄是采用的浮點(diǎn)數(shù)組，為了能夠節(jié)省存貯空間，本文在 計(jì)算焊縫特征信息的時(shí)候是采用的激光視覺(jué)傳感計(jì)算法，這一計(jì)算方法的核心內(nèi) 容是斜率分析計(jì)算，該算法的優(yōu)點(diǎn)是可以十分迅速且準(zhǔn)確的完成對(duì)焊縫特征的提取。焊縫跟蹤控制算法流程圖如圖4所示。在本實(shí)驗(yàn)中所采用的焊縫跟蹤控制算法主要包括以下

10、兩個(gè)階段：一個(gè)階段是 焊縫搜索階段；而另一個(gè)階段則指的是焊縫跟蹤階段。對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)，當(dāng)其運(yùn) 行到事先所設(shè)置的第一個(gè)示教點(diǎn)的時(shí)候，會(huì)將校正準(zhǔn)備信號(hào)發(fā)送給激光圖像傳感 子系統(tǒng)，在完成這一操作后，程序觸發(fā)激光傳感器就可以進(jìn)行采集圖像這一步驟， 并且與此同時(shí)，程序觸發(fā)激光傳感器還應(yīng)該完成下面這一操作，也就是通過(guò)處理 獲得的圖像信息達(dá)到提取焊縫特征信息的目的，如果提取到的焊縫特征信息與標(biāo) 定值之間不匹配，那么接下來(lái)檢測(cè)反饋系統(tǒng)就應(yīng)該將橫向校正量發(fā)送到機(jī)器人的 控制器上，這樣機(jī)器人就可以沿橫向以給定的步長(zhǎng)為依據(jù)交替改變搜索方向，一 直到找到焊縫之后再重新進(jìn)入跟蹤的模式，或者是在達(dá)到給定的搜索次數(shù)之后依

11、然沒(méi)有找到焊縫，那么在這種情況下機(jī)器人就應(yīng)該給出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果本實(shí)驗(yàn)以機(jī)器人為基礎(chǔ)研究了激光視覺(jué)引導(dǎo)機(jī)器臂焊縫跟蹤系統(tǒng)，并對(duì)在了 解激光焊縫跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了激光焊縫對(duì)于圖像的處理以及 激光焊縫跟蹤控制算法。經(jīng)過(guò)研究我們發(fā)現(xiàn)：在焊接的過(guò)程中會(huì)存在著諸如煙塵、 電弧光以及來(lái)自周邊環(huán)境的電干擾和磁干擾的影響，因而盡管傳感器已經(jīng)安裝濾 光片在透鏡上，可以起到對(duì)反射光的濾波功能，但是原始圖依然會(huì)存在噪音。為 了減少噪音的影響，可以通過(guò)中值濾波法、形態(tài)學(xué)運(yùn)算法、圖像分割法以及輪廓 提取法等對(duì)圖像進(jìn)行了一定的預(yù)處理，從而可以通過(guò)直線擬合分割后的所有通域 的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)值的確定；焊縫跟蹤控制算法與hough變換 算法相比可以是在橫向維度填滿單像素直線的情況下，減少計(jì)算所有焊縫的一次 與二次斜率，并且從存儲(chǔ)的需求角度來(lái)看，可以發(fā)現(xiàn)斜率分析算法節(jié)約了所需要 的內(nèi)存空間。結(jié)束語(yǔ)在金屬加工的過(guò)程中，使用最廣泛的方法是焊接技術(shù)，隨著金屬制造業(yè)的大 幅度增加，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的金屬加工具有十