基于视觉的弧焊机器人焊缝跟踪系统控制研究

发布时间：2017-09-14 19:02

  本文关键词：基于视觉的弧焊机器人焊缝跟踪系统控制研究

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【摘要】：随着视觉技术及控制技术的进步,弧焊机器人的智能化程度越来越高,且弧焊机器人空间结构复杂,机构各关节自由度多,不仅要求各关节不断调节焊缝与焊炬之间的偏差,而且要适时调节焊枪的相对位姿,以使弧焊机器人具备自动跟踪、自主规划的能力。因此,研究基于视觉的弧焊机器人焊缝自动跟踪控制技术具有重要意义。本文主要理论来源和实验数据的获取均是以实验室现有的IRB1400型弧焊机器人为研究对象所获得,在广西科技厅基金项目(0728224)的支持下开始实验,主要研究内容有:(1)焊缝跟踪系统的搭建。本跟踪系统主要由工业机器人和焊缝旋转机构块及CCD摄像机组成。(2)建立工业机器人正运动学的数学模型。对IRB1400工业机器人结构的分析,并根据其已知的关节角和连杆参数求解IRB1400工业机器人末端执行器的相对位姿。(3)对视觉伺服跟踪系统进行了研究。在保证IRB1400型工业机器人的工作角和行走角不变的条件下,研究焊件、焊炬及CCD摄像机之间相对坐标的位置姿态变换关系。(4)对焊缝跟踪系统的控制算法进行研究。研究出最优的控制算法并对视觉跟踪系统进行控制,并通过MATLAB进行仿真试验。(5)对基于视觉的焊缝跟踪系统跟踪控制误差进行研究。确定跟踪系统应用的边界条件,并通过MATLAB进行仿真试验。本文在控制算法上提出了免疫模糊PID算法,将视觉跟踪系统所得到焊缝信息三点中心偏差作为免疫原,将旋转机构的旋转角作为抗体,对跟踪过程进行仿真实验,仿真结果说明跟踪系统能快速跟踪焊缝,且系统的稳定性和准确性能均比较好,并且适用范围比较广。最后本文对视觉跟踪系统的跟踪控制误差进行了分析,并以旋转机构的行走角和工作角为依据,深入分析了焊炬姿态误差,提取了姿态误差的数学模型,然后用MATLAB对此进行仿真。结果表明,当像素位置小于80mm的时侯,焊缝跟踪系统控制的精度能达到焊缝跟踪的目的。由此研究了跟踪系统的自纠误差特性,提出了焊炬姿态误差取决于实际焊缝轨迹与焊炬末端实际轨迹之间的偏差的观点,并以此作为焊缝跟踪系统跟踪控制的边界条件。
【关键词】：CCD摄像机 视觉传感 焊缝跟踪 模糊免疫PID
【学位授予单位】：广西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG441.7;TP242
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 综述8-14
• 1.1 研究的意义8
• 1.2 焊缝跟踪系统控制技术研究进展8-9
• 1.3 焊缝跟踪中的视觉传感技术9-10
• 1.4 弧焊机器人视觉伺服系统的控制10-11
• 1.4.1 弧焊机器人视觉伺服系统结构10-11
• 1.4.2 弧焊机器人视觉伺服系统的不足11
• 1.5 弧焊机器人焊缝跟踪系统控制算法综述11-12
• 1.6 本文主要研究内容12-14
• 第2章 基于视觉控制的焊缝跟踪系统的搭建14-18
• 2.1 引言14
• 2.2 焊缝跟踪系统组成14-15
• 2.3 IRB1400工业机器人15-16
• 2.4 焊缝跟踪信息采集系统16-17
• 2.5 图像采集卡17-18
• 第3章 弧焊机器人正运动学模型的建立18-34
• 3.1 坐标系中点表示18
• 3.2 坐标系中的向量18-19
• 3.3 坐标系中的坐标系19-20
• 3.4 坐标系中矩阵变换20-24
• 3.4.1 纯平移变换20-22
• 3.4.2 绕轴纯旋转变换22-23
• 3.4.3 复合变换23-24
• 3.5 数学模型的建立24-31
• 3.6 IRB1400 机器人正运动学模型的解31-34
• 第4章 焊接机器人作业过程控制34-57
• 4.1 基于视觉的机器人坐标变换基础34-36
• 4.2 CCD摄像机成像的几何模型36-39
• 4.3 CCD摄像机坐标与机器人坐标关系39-40
• 4.4 CCD摄像机坐标与焊炬坐标关系40-46
• 4.4.1 焊炬坐标与焊件坐标41-44
• 4.4.2 Z_c的求解44-46
• 4.5 控制过程的分析46-49
• 4.5.1 理想轴线自转角度46-47
• 4.5.2 随动角度分析47-48
• 4.5.3 自转角度与随动角度符号的判定48-49
• 4.5.4 跟踪性能分析49
• 4.6 焊缝跟踪控制算法研究49-52
• 4.6.1 PID算法50
• 4.6.2 模糊控制算法50-52
• 4.7 免疫学52-53
• 4.7.1 生物学免疫机理52
• 4.7.2 免疫学数学模型52-53
• 4.8 模糊免疫的焊缝跟踪系统PID控制53-57
• 4.8.1 随动系统传递函数53-54
• 4.8.2 免疫控制器54-55
• 4.8.3 仿真试验分析55-57
• 第5章 焊缝跟踪随动系统跟踪误差分析57-75
• 5.1 CCD摄像机的安装位姿误差影响分析58
• 5.2 回转机构的转角误差影响分析58-60
• 5.3 焊炬姿态误差分析60-64
• 5.4 仿真试验64-72
• 5.4.1 工作角和行走角误差对像素位置误差的影响64-66
• 5.4.2 综合误差对图像像素位置误差的影响66-72
• 5.5 随动系统的自纠误差特性分析72-74
• 5.6小结74-75
• 第6章 全文总结与展望75-76
• 参考文献76-78
• 发表论文和参加科研情况说明78-79
• 致谢79

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