劉巖，劉麗霞，黃寧，王文超，李永強(qiáng)

(1.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094；2.北京市航天器焊接技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100094；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

多分支管路作為空間站、衛(wèi)星等航天器的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)各單機(jī)設(shè)備、閥體之間連接的關(guān)鍵部分，直接關(guān)系航天器功能實(shí)現(xiàn)、使用壽命和航天員在軌安全[1]。其接口關(guān)系復(fù)雜且形狀各異，通用化程度低，同時(shí)長壽命、在軌不可維修等要求增大了管路高精度、高質(zhì)量研制的難度[2-3]。隨著航天器研制需求急劇增長，亟需一種高效、可靠性好的自動管焊技術(shù)替代傳統(tǒng)的手工焊裝，提高生產(chǎn)效率和一次合格率[4]。信息傳感技術(shù)與控制技術(shù)的日趨成熟，使得實(shí)現(xiàn)管路自動焊接成為可能。

目前，基于機(jī)器人離線編程技術(shù)，弧焊機(jī)器人已初步實(shí)現(xiàn)焊縫自主規(guī)劃，但多分支管路系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，焊縫位置、導(dǎo)管姿態(tài)與理論模型存在一定誤差，僅依靠機(jī)器人離線編程難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間管路的精確定位。因此，在進(jìn)行多分支管路系統(tǒng)高精度自動焊接時(shí)需要進(jìn)一步對焊縫位置、導(dǎo)管姿態(tài)進(jìn)行檢測并計(jì)算。目前的圖像處理技術(shù)已經(jīng)較為完善，將機(jī)器人與視覺結(jié)合，可使機(jī)器人擁有感知和判斷的能力，使實(shí)現(xiàn)多分支管路系統(tǒng)高精度智能焊接成為可能[5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

管路系統(tǒng)由多組多分支焊接導(dǎo)管通過接頭螺紋連接組成。首先，本系統(tǒng)從管路系統(tǒng)中提取一組多分支導(dǎo)管模型并進(jìn)行離線編程仿真，得出導(dǎo)管組件的理論焊縫位置信息及機(jī)器人運(yùn)行軌跡。其次，通過控制系統(tǒng)驅(qū)動焊接機(jī)器人，按照仿真軌跡依次到達(dá)每一個(gè)焊縫的預(yù)焊接位置，以滿足雙目視覺系統(tǒng)的測量范圍。然后，系統(tǒng)利用雙目視覺系統(tǒng)對預(yù)焊接位置進(jìn)行拍照檢測，再運(yùn)用圖像處理技術(shù)計(jì)算出導(dǎo)管組件中精確的焊縫空間位置及焊縫兩側(cè)導(dǎo)管姿態(tài)。最后，機(jī)器人系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果到達(dá)精確焊接位置并完成焊接工裝夾持焊縫的動作，進(jìn)而完成導(dǎo)管焊縫的焊接。

2 模型信息提取及路徑規(guī)劃

目前，航天管路采用Pro/E、CATIA和UG等三維模型軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，為管路信息的提取與輸出打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。導(dǎo)管焊縫與通用類零件的相對空間位姿為已知，機(jī)器人焊接系統(tǒng)以管路組件中一個(gè)通用類零件的空間位姿為基準(zhǔn)，根據(jù)管路信息通過離線編程手段規(guī)劃焊接軌跡，使系統(tǒng)到達(dá)每條焊縫的預(yù)焊接位置并確保焊縫處于雙目視覺系統(tǒng)的視場內(nèi)。

3 視覺系統(tǒng)的圖像處理與計(jì)算

為保證鎢極與焊縫的完美對中以及管焊鉗準(zhǔn)確夾持導(dǎo)管，需要利用雙目視覺系統(tǒng)準(zhǔn)確地獲得焊縫管子邊緣，并計(jì)算出焊槍與焊縫及導(dǎo)管的精確相對關(guān)系。

3.1 焊縫管子邊緣識別算法

獲取焊縫管子邊緣是計(jì)算焊接工裝與焊縫、導(dǎo)管相對位置的前提，本文采用先通過圖像定位分割法獲得焊接導(dǎo)管輪廓，再通過特征區(qū)域識別最終獲得導(dǎo)管及焊縫的輪廓信息。

1)圖像分割定位導(dǎo)管區(qū)域

圖像分割只對物體輪廓區(qū)域進(jìn)行分割，其他細(xì)節(jié)不作考慮。本文通過濾波的圖像平滑方法來完整留存導(dǎo)管及焊縫的輪廓信息，其公式如下：

(1)

其中：K(k,l)為卷積核；f(i+k,j+l)為輸入像素值；g(i,j)為輸出像素的值。使用卷積核的不同，產(chǎn)生不同的圖像平滑方式。由于雙邊濾波平滑方法同時(shí)考慮空間臨近度和像素值相似度兩個(gè)變量計(jì)算的權(quán)值，去噪效果良好，因此本文采用雙邊濾波平滑方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[6]。

將導(dǎo)管較亮和較暗區(qū)域分離的方法為二值化，可準(zhǔn)確地將導(dǎo)管初步提取出來。再通過形態(tài)學(xué)處理的方式找到圖像中強(qiáng)度變換明顯的位置，利用邊緣檢測算法提取出圖像的邊緣，采用Canny算子保證邊緣的準(zhǔn)確性。最后根據(jù)邊緣檢測輸出圖像，采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析法計(jì)算圖像中所有的輪廓區(qū)域。圖1為不同導(dǎo)管外徑在不同空間位置下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖1可見，本文的算法能夠準(zhǔn)確地提取出導(dǎo)管的邊緣。

圖1 導(dǎo)管區(qū)域算法測試圖

2)導(dǎo)管特征區(qū)域識別

本文通過立體匹配對導(dǎo)管特征區(qū)域進(jìn)行識別，進(jìn)行立體匹配的前提是先進(jìn)行立體校正，將實(shí)際的雙目系統(tǒng)校正為理想的雙目系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)共面對準(zhǔn)，即兩攝像機(jī)圖像平面在同一平面上，且同一物理點(diǎn)投影到像素坐標(biāo)系的同一行。立體矯正基于Bouguet校正原理，其具體思想為：

1)先進(jìn)行雙目系統(tǒng)標(biāo)定，得到兩相機(jī)之間的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T[7]。

2)左右相機(jī)兩個(gè)圖像平面均旋轉(zhuǎn)一半的R，實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)圖像平面共面。其中rl=R1/2和rr=R-1/2。

3)構(gòu)建一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣Rrect實(shí)現(xiàn)行對準(zhǔn)，Rrect由3個(gè)相互正交的單位向量e1、e2和e3組成。構(gòu)造e1時(shí)以圖像主點(diǎn)為原點(diǎn)，方向與兩相機(jī)之間的平移向量相同；e2選擇主光軸方向與e1叉積；向量e3與向量e1和e2正交，可直接通過叉乘得到。

綜上，兩相機(jī)共面且行對準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)矩陣如下：

Rl=Rrectrl
Rr=Rrectrr

(2)

立體矯正后，就可以通過深度差異矩陣實(shí)現(xiàn)對視差信息的空間恢復(fù)，將圖像像素坐標(biāo)系映射到三維空間。本文使用結(jié)構(gòu)光人工構(gòu)造特征的方式，即將一個(gè)字線激光器在通電之后拍攝到的圖像與沒有激光器拍攝到的圖像作差，從而得到特征區(qū)域的算法結(jié)果。圖2為不同規(guī)格導(dǎo)管的多組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其特征區(qū)域可通過立體匹配算法精確導(dǎo)出。

圖2 雙目立體視覺立體匹配驗(yàn)證圖

3.2 管路空間姿態(tài)計(jì)算及焊縫點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算

為使鎢極對中焊縫及焊接工裝能夠準(zhǔn)確夾緊焊接導(dǎo)管，需要計(jì)算相機(jī)與導(dǎo)管的空間位置夾角及焊縫中心點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

1)管路空間姿態(tài)計(jì)算

需知道焊縫兩側(cè)的管路空間位置信息與相機(jī)空間位置信息之間的關(guān)系才能確保鎢極對中焊縫、焊鉗夾緊焊縫兩端管路，進(jìn)而可知最關(guān)鍵的是計(jì)算出相機(jī)與導(dǎo)管在一個(gè)面上的相對旋轉(zhuǎn)角度及在一個(gè)平行方向的旋轉(zhuǎn)角度(圖3)。

圖3 焊縫兩側(cè)管路與雙目系統(tǒng)的相對位置圖

計(jì)算共面旋轉(zhuǎn)角度時(shí)是通過計(jì)算反光直線的斜率來間接計(jì)算，將每一條反光直線都看作是包含有該直線兩端點(diǎn)橫縱坐標(biāo)4個(gè)元素的數(shù)組，計(jì)算斜率的總公式如下：設(shè)任意一條直線一個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo)為(x1i,y1i)，另一個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)為(x2i,y2i)，將所有篩選出的反光直線的斜率求和再取平均數(shù)，得到最終的共面旋轉(zhuǎn)角度，其中斜率求解公式為

(3)

經(jīng)共面旋轉(zhuǎn)后，雙目系統(tǒng)基線與導(dǎo)管中心軸線共面，再求出平行旋轉(zhuǎn)角度，即可使得雙目相機(jī)正對導(dǎo)管。將檢測到的反光直線按其縱坐標(biāo)大小分為上、下兩類，這兩類反光直線分別與一個(gè)字線激光器投影點(diǎn)相交，得其交點(diǎn)用作立體匹配的二維特征點(diǎn)，通過重投影矩陣計(jì)算其在三維空間中的坐標(biāo)位置。以上反光直線為例，設(shè)上反光直線與激光器左投影點(diǎn)交點(diǎn)的三維世界坐標(biāo)為(X1,Y1,Z1)，上反光直線與激光器右投影點(diǎn)的交點(diǎn)的三維世界坐標(biāo)為(X2,Y2,Z2)，其平行方向的旋轉(zhuǎn)角θ也被認(rèn)為是導(dǎo)管的俯仰角，可通過下式得到：

(4)

2)焊縫點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算

鎢極對中焊縫及焊鉗精準(zhǔn)夾緊導(dǎo)管的前提是準(zhǔn)確地計(jì)算出導(dǎo)管焊縫輪廓中心點(diǎn)的空間位置信息[8]。本文通過控制光源位置，使反光的直線在導(dǎo)管軸的兩邊分布。分別計(jì)算出上、下兩條反光直線與焊縫直線的交點(diǎn)，再計(jì)算出上、下反光直線到達(dá)中心軸線的距離與權(quán)值，最終得出導(dǎo)管焊縫中點(diǎn)的像素值。

解算出導(dǎo)管焊縫中點(diǎn)的像素值，還需要將其還原到三維空間。假設(shè)得到的導(dǎo)管焊縫中點(diǎn)二維坐標(biāo)為(x，y)，該點(diǎn)的關(guān)聯(lián)視差為d，可通過重投影矩陣Q映射到三維空間，該深度差異映射矩陣公式如下：

(5)

在該公式中除c′x的所有參數(shù)都來自于左圖像，c′x是主點(diǎn)在右圖像上的x坐標(biāo)，基于重投影矩陣Q的像素位姿轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

(6)

其中焊縫中點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)為(X/W，Y/W，Z/W)。通過圖像處理核心算法模塊找到焊縫中點(diǎn)的二維坐標(biāo)后，就可以作以上轉(zhuǎn)換得到其三維位姿，使機(jī)械臂末端焊鉗能夠準(zhǔn)確夾持導(dǎo)管焊縫。

4 工藝驗(yàn)證

為驗(yàn)證雙目視覺機(jī)器人自動焊接系統(tǒng)，本文采用Φ4×0.8 mm、Φ6×1 mm、Φ8×0.8 mm 3種鈦合金導(dǎo)管試驗(yàn)件進(jìn)行焊接試驗(yàn)。測試結(jié)果滿足以下要求：

1)雙目立體視覺可精確識別<0.05 mm的焊縫裝配間隙，且能精確計(jì)算出導(dǎo)管空間位置及焊縫點(diǎn)位置，并引導(dǎo)焊接機(jī)器人完成焊接工裝位姿的調(diào)整、鎢極對中及工裝夾緊。鎢極對中精度高達(dá)0.2 mm，優(yōu)于人工對中精度，整個(gè)過程用時(shí)僅15 s，僅為人工操作用時(shí)間的1/20。

2)3種試驗(yàn)件外觀及內(nèi)部質(zhì)量均優(yōu)于QJ2865中I級焊縫要求，且3種試驗(yàn)件焊縫的拉伸強(qiáng)度達(dá)到母材的90%以上。

5 結(jié)語

本文將三維模型驅(qū)動的雙目立體視覺系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用到多分支管路焊接，利用離線編程手段找到預(yù)焊接位置，利用雙目立體視覺系統(tǒng)計(jì)算出待焊接導(dǎo)管相對于焊接卡鉗的空間姿態(tài)和焊縫的空間位置坐標(biāo)信息，引導(dǎo)機(jī)器人到達(dá)精確焊接位置，最終使用末端焊接執(zhí)行器夾持導(dǎo)管，配合焊接系統(tǒng)完成焊接工作。該系統(tǒng)可以提高多分支管路焊接效率30%以上，提高管路焊接質(zhì)量，保證焊接質(zhì)量的一致性，降低焊接工作人員的勞動強(qiáng)度，滿足國家重大工程專項(xiàng)的研制需求。