自动观察和引导船体内的移动销焊接外文翻译资料

 2022-07-29 15:31:05

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[1]Iago Vaamonde,Anton Garcia-Diaz,Diego Peacute;rez-Losada.Autonomous viewing and guidance for mobile pin welding inside a ship block.Industrial Technology (ICIT), 2015 IEEE International Conference on.18 June 2015(3282-3287)

自动观察和引导船体内的移动销焊接

Iago Vaamonde, Anton Garcia-Diaz, Diego Peacute;rez-Losada, Aacute;lvaro Souto-Loacute;pez

机器人和控制单元

摘要：本文描述了一种用于针式焊接的移动操纵器的观察和引导的轻量且低成本的方法。目前，这是必要的船舶舾装模块的内部一项艰巨的手动任务。已经开发了一种已开发的视觉系统，能感测隔板，识别加强件位置和窗口，并决定螺柱分布。其结果是，在三维坐标用于向焊接被输送到臂控制器销。开发的系统已经在实验室试验中使用实际尺寸的隔板样品进行测试，显示出在视觉杂波和螺柱定位精度的鲁棒性方面的良好性能。

关键词：移动操纵；机器人视觉；机器人引导

1.引言

造船操作在变化的条件下的大动态空间中进行。这种相对非结构化的环境对基于机器人的自动化提出了严重的挑战。在传统机器人焊接电池中发现的用于工具部件对准的固定装置或制造器在许多情况下没有意义，在造船厂的典型情况下，移动是必须的。这显然是在船体块内的螺柱焊接操作的情况，其中工具是便携式焊枪，并且部件是壁，即隔板。

在本文中，我们描述了一种鲁棒和灵活的方法，舱壁检测和感测，使螺柱（或针）焊接使用自主的移动操纵器。所开发的系统引导操纵器一旦移动平台就能达到足够接近以执行焊接过程的隔板的位置上。

该指南包括：

1.观察操作，其中机器人实现对隔板的适当的相对定向。

2.坚固的检测和定位加强筋。

3.规划销到舱壁的分布。

否则，机器人也应该能够识别禁止的区域，如窗口，不应该在其中焊接。

所提出的系统建立在开源技术和轻量和非常低成本的硬件组件的模块化软件方法的基础上。因此，它可以容易地转移到用于新应用的不同的操纵器。

螺柱焊接是将绝缘防火板固定到舱壁所需的预装配操作。这种隔热是船舱装备以及服务（例如电力，通风）和家具安装的主要问题之一。目前，螺柱焊接是一项艰巨的手工任务，需要熟练的操作员为单个容器焊接一个接一个到几百万个销。因为它是一个预先装备的任务，它发生在不良的人体工程学和环境条件的块内，通常造成安全和健康问题。否则，这些行动的生产力难以提高，但牺牲了工人的工资。因此，这些任务的自动化是非常重要的。

A.造船机器人

用于焊接和其他操作的工业机器人臂以及安装在轨道上的焊接机器人已经在造船厂中使用多年。在第一种情况下，典型的应用是大批量制造重复部件。在第二种情况下，典型的应用是在空隙中焊接长焊接接头。尽管机器人系统的这些用途，船舶仍然是手工和艰苦的工作，具有非常低的自动化程度。主要原因是产生少量的重复部件，以及移动性的特征障碍（例如在具有小人孔的双层船体或封闭船体中）。在中小型造船厂的情况下，这种情况更加恶化，因为长时间的投资回报也阻碍了机器人技术的引进。

最近在机器人技术方面的研究工作已经把这些问题看作是开发用于造船的新方法和概念的机会。否则，妨碍机器人在造船中部署的一个重要问题是在半结构化空间中的移动性，具有重要的杂乱程度[1]。焊接也是造船业的一个核心操作，吸引了许多研究人员的关注，我们可以找到基于轨道的建议，允许机器人运动[2]，但也可以像CLAWAR项目[3]一样攀登和行走。据我们所知，以前没有尝试使用移动操纵器自动化螺柱焊接操作。

2螺柱焊接 - 舾装营运

A当前手动方法

目前，造船运营商在船舱的舱壁上焊接销，包括船员的日常工作和日常生活的地方。这些销需要支撑必须放置在那里的绝缘板。这种板由不同的供应商（例如PAROC）生产，需要由相关船级社通过批准证书批准。通常，这些证书详细描述了板坯可以使用的条件以及如何将其固定到隔板。这种描述包括要使用的销或柱的类型和尺寸，以及它们在隔板上的分布。因此，针对任何批准的板坯（图1），针脚的图案，它们的相对距离和到边界的距离被清楚地限定。

图1：批准证书中引脚分布的有效模式示例。

该描述构成由每个造船厂定义的内部焊接过程的一部分。

在焊接隔板的特定部分之前，操作者检查制造图中的板的类型以及相关的焊接程序。然后，选择销钉，焊接参数，并使用螺柱的指定分布进行焊接。通常，操作者用焊接机或手推车将焊接机移动到目标位置，并将其插入到最近的供电点。一旦就位，他们用螺柱给焊枪充电，然后他们执行焊接，一次又一次地重复这个循环。

B.提出的基于机器人的方法

为了使此任务自动化，CARLoS项目提出使用带有连接到手腕的焊枪的移动操纵器。该系统由两个主要部件组成：负责通过船体导航的移动平台和负责焊接引脚的臂。平台接近舱壁达到400-600mm的距离。此外，为了安全目的，平台负责监视周围区域。一旦就位，手臂就会查看其前面的舱壁部分，并执行该舱壁部分的查看。它定位加强件和其他元素，如窗户和移动，直到摄像机相对于隔板的取向在确保鲁棒性和准确性的范围内。然后，机器人基于在相应证书中指定的模式来确定针分布，并且执行焊接操作。

图2： Carlos移动操纵器。

3操纵器控制和组件

机器人机械手是Schunk Powerball（Iwa4p）。它是一个轻量级的有6个自由度的手臂，在没有附加工具时有效载荷6公斤和重量15公斤。将其集成到软件架构中的通信链路是具有CANOpen协议版本CiA DS402的CAN总线设备。

机器人控制已在ROS Hydro中实施，使用Movelt !, OMPL计划程序和IKfast。视觉软件已经在python中使用Numpy，OpenCV和Scikitlearn软件包进行了原型开发。该软件通过ROS节点与机器人控制器通信。

软件结构如图3所示。其中中央控制器（CARLoS Ctrl）代表开发的主控制程序。它利用来自机器人底座驱动器，力和扭矩传感器测量以及来自视觉系统的激光信息。中央控制器是一个基于Movelt的C 程序！包用于轨迹插值。逆运动学实现为IKFast插件库。工作模式包括关节，笛卡尔和力反馈引导运动。力反馈引导运动基于项目开发的库，包括线性控制器，以实时提高手臂响应。

在CARLoS中央控制器和机器人臂之间，设置了一个接口程序，负责与基于Powerball CAN的分布式电机驱动器（臂控制器）的实时通信。CAN协议是CANOpen DS402，它通过IPA CANOpen通信库实现。

为了执行过程监控和控制，正在开发硬件和软件接口以将焊接机集成到软件体系结构中，如图3所示。

图3：臂控制架构概述。

在螺柱焊接任务中，为机器人感知和手臂导航专门开发了两种不同的工作模式：

1：基于单眼照相机的嵌入式视觉系统负责舱壁感测和销的分布的估计。该系统的操作基于基于隔板的3D形状模型的加强件的定位。基于激光的距离测量用于在需要时确保鲁棒的缩放和定向消歧。

2：已经采用闭环力和转矩控制来驱动臂到舱壁的精细导航。

在本文中，我们专注于对所开发的视觉系统及其性能的描述。

4.视觉系统

视觉系统负责隔板检测以确定针定位。销的分布根据到加强件的距离和针对给定图案的销之间的距离来指定。这个目标需要检测隔板的加强件并确定隔板平面的距离和方向。此外，像窗户或舱口的区域应该被检测为用于螺柱焊接的禁区。

A.非常低成本和轻量级硬件

强调设计要求，如光计算，轻量化和加工鲁棒性，适合于选择低成本和高能效组件。我们使用了Logitech 920高清摄像机，小激光条和BeagleBone黑板作为处理设备。

B.加强板的检测和定位

系统通过使用640x480分辨率的光线方法检测最大帧速率（30fps）的扶强材。过程很简单：平滑，使用高斯加权的自适应阈值处理，长度阈值处理和边缘完成。结果，检测到边缘并且确定相应的取向。另外，基于激光轮廓的距离测量允许确定隔板和加强件的距离，以及哪些线对应于加强件。结果，确定从照相机到舱壁坐标的单应性变换（图4，图5）。

从舱壁的正常视图大约plusmn;0.15sr的相对摄像机舱壁取向和从垂直摄像机轴线的0.2rad的加强件倾斜提供了鲁棒和准确的结果。因此，系统检查相机方向并移动臂直到满足这些条件。

图4：舱壁感测和针分布的示例。

图5：激光测距用于确定舱壁的方向，并确保加强板内边缘的可靠检测。

C.识别窗户和舱口

还应该检测窗户和舱口等元素，以避免在那里进行任何焊接尝试。为了识别这样的禁止区域，我们使用场景的颜色和多尺度表示，然后对每个元素进行二元分类，以将这些元素与其余的隔板区分开。

这种方法有几个优点。最重要的是，给定禁止区域的表征可以通过简单地注释这样的区域的示例来训练相应的分类器来完成。这有助于通过演示简化机器人编程。

在训练阶段中定义适应的色彩空间。通过PCA变换和来自RGB的方差归一化来使颜色变白。这种方法已经被证明可以提供类似于更广泛的方法类似的结果，像使用几乎相关的颜色模型像Lab [4]。这种方法的优点是我们确保目标场景的颜色表示的去相关。

RGB→(PCA)→Z-scores (Z1Z2Z3) (1)

PCA变换被离线学习并进一步作为坐标变换在线应用。

接下来，执行第一主分量的多尺度分解。单基信号通过对数正态带通滤波器在频域中以5个尺度从这样的分量中提取[5] 全文共7173字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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