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第1章 绪论1

1.1 智能机器人的技术范畴1

1.1.1 机器人的分类2

1.1.2 智能机器人技术的研究领域3

1.2 焊接机器人与机器人焊接技术的发展现状4

1.2.1 焊接机器人的分类5

1.2.2 目前焊接机器人的特点6

1.3 机器人焊接智能化技术范畴7

1.4 焊接机器人智能化的主要问题7

1.4.1 智能机器人体系结构8

1.4.2 机器人焊接任务自主规划与离线编程9

1.4.3 焊接机器人初始焊位视觉识别与焊缝跟踪10

1.4.4 机器人焊接熔池动态过程的视觉传感、建模与智能控制11

1.4.5 智能化机器人焊接柔性制造单元／系统13

1.4.6 焊接机器人系统网络化与远程控制14

参考文献15

第2章 智能焊接机器人的系统构成19

2.1 引言19

2.2 智能焊接机器人的基本功能19

2.3 智能焊接机器人的主要子系统功能20

2.3.1 基于视觉传感的初始焊位识别与导引子系统20

2.3.2 基于视觉传感的焊缝跟踪子系统21

2.3.3 基于视觉传感的焊缝熔透实时控制子系统22

2.3.4 焊接机器人离线编程与仿真子系统22

2.3.5 机器人焊接知识库子系统22

2.4 智能焊接机器人系统的分层递阶智能结构23

2.5 智能焊接机器人系统的硬件构成25

2.6 智能焊接机器人系统的软件构成26

2.7 本章小结27

参考文献28

第3章 机器人焊接的初始焊接位置的视觉识别29

3.1 引言29

3.2 模板匹配法初始焊接位置的视觉识别30

3.2.1 模板匹配的基本原理30

3.2.2 焊缝区域的识别32

3.2.3 动态变区域模板匹配34

3.2.4 数字图像处理技术37

3.2.5 初始焊接位置的确定37

3.3 图像特征跟踪算法研究39

3.3.1 图像特征定义及其跟踪算法研究概述40

3.3.2 一种改进的SSD图像特征跟踪算法43

3.3.3 图像特征跟踪算法实验45

3.4 本章小结46

参考文献47

第4章 基于视觉信息的机器人焊接初始焊接位置导引48

4.1 引言48

4.2 基于主动单目立体视觉初始焊接位置的导引48

4.2.1 视觉系统的标定48

4.2.2 焊接机器人的手眼关系标定53

4.2.3 焊接机器人的立体视觉模型54

4.2.4 初始焊接位置的空间定位56

4.2.5 初始焊接位置的导引58

4.3 基于视觉伺服的初始焊接位置导引62

4.3.1 动态估算图像雅可比矩阵的无标定视觉伺服控制方法62

4.3.2 最大条件数法对无标定视觉伺服控制方法的改进64

4.3.3 初始焊位导引控制算法的系统实验验证68

4.4 本章小结79

参考文献79

第5章 焊接工件与焊缝曲线的视觉识别计算81

5.1 引言81

5.2 焊缝边缘特征提取82

5.2.1 基于Zernike矩亚像素边缘提取的改进算法82

5.2.2 基于Zernike矩的直线提取算法88

5.2.3 焊缝边缘提取系统的设计89

5.3 弧焊机器人手眼关系标定和摄像机标定91

5.3.1 摄像机光心的标定91

5.3.2 弧焊机器人手眼关系的标定92

5.3.3 标定实验93

5.4 弧焊机器人立体视觉模型分析94

5.4.1 模型的几何原理95

5.4.2 模型的可视范围96

5.4.3 模型误差98

5.5 获取焊缝空间位置信息的匹配算法99

5.5.1 直线的整体匹配技术99

5.5.2 基于极线的立体匹配101

5.5.3 匹配方法102

5.6 获取焊缝空间位置信息实验104

5.6.1 弧焊机器人焊缝空间位置信息获取系统硬件组成104

5.6.2 实验结果105

5.7 本章小结108

参考文献109

第6章 基于视觉信息的机器人焊接的自主焊缝跟踪110

6.1 引言110

6.1.1 焊缝跟踪过程中使用的传感器110

6.1.2 机器人视觉焊缝跟踪发展现状112

6.2 机器视觉及其图像处理方法113

6.3 LAIWR系统伺服双目视觉传感器设计114

6.4 非起弧条件下的焊缝轨迹规划和摄像机的取像位置规划116

6.4.1 试验装置及焊缝轨迹规划方法116

6.4.2 焊缝图像处理的基本过程117

6.4.3 标定和特征提取118

6.4.4 机器人的控制策略120

6.4.5 焊缝轨迹规划和摄像机取像角度规划的试验结果123

6.5 起弧条件下焊缝视觉跟踪124

6.6 本章小结126

参考文献126

第7章 机器人焊接过程熔池动态特征参数的提取128

7.1 引言128

7.2 焊接熔池动态过程视觉传感系统设计130

7.2.1 熔池正反面视觉传感光路系统130

7.2.2 熔池正反面同时同幅图像获取131

7.2.3 熔池正反面典型图像134

7.3 铝合金脉冲GTAW熔池二维视觉信息提取134

7.3.1 熔池图像分类135

7.3.2 铝合金GTAW熔池图像数据特征分析136

7.3.3 非退化图像处理136

7.3.4 退化图像复原139

7.3.5 完整的图像处理流程140

7.4 脉冲GTAW熔池表面三维信息提取141

7.4.1 从阴影恢复形状方法的比较141

7.4.2 熔池表面反射图建模142

7.4.3 反射图方程的求解146

7.5 熔池表面高度的计算及验证152

7.5.1 低碳钢典型熔池表面高度计算结果及试验验证153

7.5.2 不锈钢典型熔池表面高度计算结果及试验验证156

7.5.3 铝合金典型熔池表面高度计算结果及试验验证159

7.6 智能机器人铝合金脉冲GTAW过程熔池图像传感与特征参数提取163

7.6.1 智能机器人系统中图像获取与处理163

7.6.2 观测方向变化对熔池特征参数获取的影响164

7.7 本章小结165

参考文献166

第8章 弧焊熔池动态过程的知识建模方法167

8.1 引言167

8.2 基于粗糙集理论的知识建模方法168

8.2.1 知识模型的概念168

8.2.2 粗糙集建模方法的主要步骤169

8.2.3 粗糙集建模方法的关键算法175

8.3 开环系统铝合金脉冲TIG焊动态过程建模178

8.3.1 焊接知识模型的获得178

8.3.2 焊接知识模型的验证180

8.4 闭环系统铝合金脉冲TIG焊动态过程建模182

8.4.1 PID控制器作用下的知识建模182

8.4.2 最小方差自适应控制器作用下的知识建模185

8.4.3 开环和闭环情况下的知识模型比较187

8.5 本章小结187

参考文献188

第9章 机器人焊接熔池动态特征的实时控制方法189

9.1 引言189

9.2 焊接熔池动态过程与焊缝成形的实时控制方法189

9.2.1 焊接熔池动态过程的模糊控制方法189

9.2.2 焊接熔池动态过程的人工神经网络控制方法190

9.2.3 焊接熔池动态过程的专家系统等多种控制方法结合应用190

9.3 铝合金脉冲GTAW熔池动态过程与焊缝成形实时控制191

9.3.1 铝合金脉冲GTAW焊接过程时变模型在线辨识191

9.3.2 铝合金脉冲GTAW背面熔宽PID控制192

9.3.3 铝合金脉冲GTAW焊接动态过程自适应控制197

9.4 基于视觉传感的机器人焊接熔池与焊缝成形实时控制205

9.4.1 基于视觉传感的机器人焊接过程控制系统205

9.4.2 机器人焊接动态过程控制方案208

9.4.3 机器人脉冲GTAW熔池动态过程实时控制验证试验211

9.5 本章小结216

参考文献216

第10章 智能化焊接机器人系统集成与通信管理219

10.1 引言219

10.2 智能化焊接机器人系统集成219

10.2.1 焊接加工过程信息流特征描述220

10.2.2 系统集成通信的硬件实现221

10.2.3 系统集成通信规范定义及流程221

10.2.4 基于分级递阶结构的智能化焊接机器人系统集成229

10.3 中央监控管理平台229

10.4 系统集成控制实验232

10.4.1 实验工艺条件232

10.4.2 智能化焊接机器人初始焊接位置导引实验232

10.4.3 智能化焊接机器人焊缝视觉自动跟踪实验232

10.4.4 自适应神经网络——PID熔透控制实验233

10.5 本章小结233

参考文献233

第11章 智能焊接机器人柔性加工系统的Petri网建模与控制234

11.1 引言234

11.2 柔性制造系统Petri网模型的基本概念235

11.2.1 Petri网简介235

11.2.2 Petri网定义235

11.3 智能焊接机器人柔性加工单元WFMC的WAPN模型236

11.3.1 智能焊接机器人柔性加工单元特点236

11.3.2 WFMC自动Petri网建模237

11.4 局部自主智能焊接机器人系统的WTCPN模型243

11.4.1 硬件系统243

11.4.2 系统WTCPN模型244

11.4.3 模型性能分析246

11.5 基于Petri网模型的WFMC和LAIWR系统的调度与控制248

11.5.1 智能化焊接弧焊机器人单元WFMC系统模型的调度控制248

11.5.2 局部自主智能焊接机器人系统LAIWR的调度控制248

11.5.3 基于LAIWR为核心的三机器人PN模型及控制250

11.6 WTCPN模型系统和MTCPN模型系统仿真253

11.7 本章小结254

参考文献255

第12章 焊接柔性制造系统的多智能体协调控制257

12.1 引言257

12.2 多智能体系统及其协调协作技术257

12.2.1 智能体与多智能体系统257

12.2.2 智能体模型及多智能体系统结构258

12.2.3 多智能体的协作260

12.2.4 多智能体的联合意图261

12.2.5 基于时间约束联合意图的协作模型261

12.2.6 多智能体技术在柔性制造系统中的应用262

12.3 基于多智能体协作技术的焊接柔性制造单元系统262

12.3.1 焊接柔性制造单元焊接生产过程的任务描述262

12.3.2 焊接柔性制造单元多智能体控制系统的结构264

12.3.3 焊接柔性制造单元多智能体协作任务规划及分配过程267

12.3.4 焊接柔性制造单元多智能体协作任务求解过程267

12.3.5 焊接柔性制造单元多智能体监控系统的实现269

12.4 基于多智能体系统的焊接柔性制造单元系统的实现273

12.4.1 基于多智能体协作控制的激光焊缝跟踪控制274

12.4.2 基于多智能体协作控制的焊接熔池熔透控制274

12.4.3 基于多智能体协作控制的多机器人协调运动轨迹控制276

12.5 本章小结276

参考文献277

第13章 基于网络的机器人焊接系统远程控制技术279

13.1 引言279

13.2 基于CORBA-CGI的LAIWR机器人远程控制279

13.2.1 基于CORBA-CGI的LAIWR远程控制的原理279

13.2.2 基于CORBA-CGI的LAIWR机器人远程控制硬件系统配置279

13.2.3 基于CORBA-CGI的LAIWR远程控制软件系统结构及开发281

13.3 基于CLI-IGRIP-IWRSVR的LAIWR远程控制283

13.3.1 基于CLI-IGRIP-IWRSVR的LAIWR远程控制原理283

13.3.2 基于CLI-IGRIP-IWRSVR的LAIWR远程控制硬件系统配置285

13.3.3 基于CLI-IGRIP-IWRSVR的LAIWR远程控制运动通道组件开发285

13.4 焊接机器人远程控制实验287

13.5 远程控制方法的多机器人系统扩展289

13.6 网络传输时延特性的分析及解决办法291

13.6.1 延时及其不确定性产生的原因分析291

13.6.2 减少时延和提高实时性的措施291

13.7 两种远程控制方法的比较292

13.8 焊接机器人远程监控管理功能293

13.9 本章小结293

参考文献293

第14章 智能化焊接机器人关键技术应用实例295

14.1 引言295

14.2 背景和需求295

14.3 应用实例297

14.4 应用前景301

参考文献301

结束语302