1、外文原文：http:/ 中文 4370 字 管道焊接机器人的可视焊缝追踪系统 袁立 ,德旭，严志国，和闵谭 1. 综合系统和智能科学重点实验室，自动化协会，中国科学院 2. 北京中国科学院研究生学院， 100080P.R.中国（徐德，李园，谭） 摘要： 人们提出了一种以产生可视光线为基础的焊缝追踪系统，这种系统被应用于管道焊接机器人中。首先，在对焊接表面激光反射和 照相机的位置，激光所在的平面以及焊接后激光条纹图像的效果进行分析的基础上，设计出了视觉传感器。为了防止在焊缝图像中出现严重的反射扰乱，人们开发了图像处理和特征抽取的运算法则
2、。为了对管道焊接进行焊缝追踪，人们采取了一种图像视觉控制系统。人们通过控制管道焊接机器人的焊缝追踪实验来证实这个系统的性能。 1 引言 在涉及机器人焊接的相关问题中，焊缝追踪是其中的一个重要的问题，它也是进行高质量的自动化焊接的基础。工业上的焊接机器人大部分用于教学，并且机器人重复这个路径以满足焊接中光束的位置要求。在焊接机器人的这种工 作模式中存在一些问题，例如焊接位置的不精确性，由热量扩散而导致焊接处的变形与扭曲。这些问题导致光束偏离其理论上的焊接路径，所以在焊接的过程中控制光束的焊缝轨迹是必要的 1。其次，管道焊接机器人不能预先对焊缝进行定义，因为当管道改变方向
3、时，焊缝可能偏离管道内部的位置。焊缝的轨迹可以随着轴线方向上管子的移动而改变。在这种情况下，这种模式就不适合进行管道的焊接，并且焊接机器人需要修正光束和即时焊接时焊缝之间偏移。 为了避免在移动管道时出现焊缝的偏离， Prestion-Eastin Inc.提出了一种程序来控制轴 线方向上管子的移动 2。 Ref3参与讨论了当管道方向改变时管子在轴线方向上移动的原理。解决问题的办法是用三自由度多机械手来升降管子，调整管子的位置，并摆正管子的方向。这两种方法仅和管子的移动有关。事实上，当管子改变方向时，焊缝将偏离其原来的位置。然后，在进行高质量的焊接时就需要焊缝追踪系统。
4、T.-J. Tarn et al. (Eds.):机器人 .焊接 .，智能和自动化， LNCIS 362， pp.391-399， 2007 S Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007 有一些种类的焊缝追踪系统通过不同种类的传感器开发出来。这种以激光作为光线的可视传感器被广泛的应用，因为焊缝具有可靠性以及大量的信息，并且用于焊缝追踪系统的可视传感器被看做为自动焊接中前景很好的一种传感方法 4。严重的干扰会影响可视传感器所形成的光线图像，例如在光亮的表面会有大量的反射，并且在焊接过程中图像会非常模糊。这
5、些干扰会导致加大焊接图像处理和特征抽样的难度，并且会导致其不精确。基于模糊的逻辑和空闲的网络，人们开发了一些运算法则来排除这些干扰并识别焊缝 5-7，但是对于可视信息抽取的可靠性和精确性，目前仍然一些问题和挑战。 在这篇文章中，测量系统中的视觉传感器会在第 2 部分中进行分析；第 3部分讨论图像处理和特征抽取。第 4 部分介绍了管道焊接机器人的控制系统，第5 部分是试验的结果。最后，第 6 部分对这篇文章进行了总结。 2 焊缝追踪的视觉测量系统 焊缝追踪中一种高度发展的技术是可视的构造光线。但是有很多重要的因素对视觉传感器有很大的影响，例如管子表面大量的反射
6、以及管子之间的相对位置。人们需要分析这两方面的因素。 2.1 激光反射的分析 为了改善焊接处的焊接质量 ，焊接处通常需要用磨轮磨平，以便去除焊接处表面的铁锈和杂质。当光束照在光滑的焊接表面时，由于强烈的激光反射，光束散布在管子的表面，这经常会在焊缝图像的反射时产生混乱，并降低视觉传感器图像的质量，使激光条纹变形，并且增加特征抽取的困难。 当光线照在物体的表面上时，反射光线有散射和镜面反射，如图 1 所示。 图 1.物体表面的散射和镜面反射 根据 Ref8,反射光线的强度计算公式如下（ 1）： 2221222221/
7、c o s4 ekIkIrfdrIIIIIsiicicsidissd （ 1） I 是总的反射光线强度； Ii 是部分光线的强度； Id 是散射光线的强度； Is1 是在光滑表面上理想的镜面反射光线的强度，并且反射方向服从反射定律； Is2 是在实际表面上镜面反射光线的强度。事实上，反射表面是由许多微小的镜面组成的。所以反射方向和强度服从 Gaussian 分布。 rd， ks1 和 ks2 是反射率系数； 是表面系数； r 是距离； d 是孔的直径； f 是焦点； c
8、 是照相机的观察角度； c 是光发生散射时的比率的角度。 在上述所有反射中，当视觉传感器中有合适的信号时，散射可以清晰的反映出激光条纹的图像；平面反射通常反映出整个图像，并且会引起图像中条纹所在区域的发光 。所以应对视觉传感器进行定位以避免平面反射，并清晰的呈现出激光条纹的图像。 在公式（ 1）中，可以在一个很大的角度范围内接收到散射；而平面反射仅能在一个很小的范围内被接收到，并且接收方向服从反射定律。所以，为了使图像清晰，照相机应避免出现在反射平面的方向上。 2.2 三角形测量原理 以光线为基础的视觉传感器三角形测量原理如图 2 所示。 L
9、 是激光所在的平面， L是平面反射光线所在的平面； C 是照相机的视觉轴线。 角是照相机的视觉轴线和焊接表面之间的夹角； 是照相机的视觉平面与激光所在平面之间的夹角。 在图像坐标系中槽 d 的深度和宽度可以如下计算得到： sin sind dk d (2) 在公式（ 2）中， d 是焊槽的宽度； kd 图像坐标系的比例系数。 d越大，条纹槽的特征越明显，用角度 和 来清晰的表现条纹图像。 根据以上的讨论和分析，在设计视觉传感器时可以得出以下一些结论： 1.应该避免使照相机的视觉轴线（ C）出现在反射平面的方向上，这样可以减少由于光线的集中对激光条纹图像造成的干 扰。 2. 根据公式（ 2），为了在照相机坐标系中得到有关结合点的适当的形状信息 ，应当适当的选择角度 ， 。当实际的 是 /2， 是 /6， d是 0.58kd，就可以得到合适而又清晰的条纹图像。 视觉传感器的结构如图 3 所示。为了增加传感器的可靠性和信息，人们采用了如下三条条纹。 3 图像处理与特征抽取
