CN101486124A - 多结构光双目复合视觉焊缝跟踪方法及装置 - Google Patents

多结构光双目复合视觉焊缝跟踪方法及装置 Download PDF

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本发明涉及一种多结构光双目复合视觉焊缝跟踪方法及装置，涉及自动焊接技术领域，特别是焊接机器人视觉传感技术领域。该装置包括用于向焊缝区域投射结构光条纹的多线激光发生器(10)、装有窄带滤光片(1)和中性减光片A(2)的用于采集焊缝特征激光条纹图像的摄像机A(3)、装有带通滤光片(8)和中性减光片B(9)的用于采集激光条纹以外图像的摄像机B(7)、与摄像机A(3)、摄像机B(7)相连的控制器(11)组成。综合两摄像机的图像信息可以计算出焊枪当前理想位置，得到与实际位置的差值，并由控制器转换成模拟信号或无线通信输出，控制焊枪纠偏电动机，实现焊缝自动跟踪的目的。

Description

多结构光双目复合视觉焊缝跟踪方法及装置
技术领域
本发明涉及一种多结构光双目复合视觉焊缝跟踪方法及装置，涉及自动焊接技术领域，特别是焊接机器人视觉传感技术领域。
技术背景
目前，应用于焊接机器人上的传感方式多种多样，在这些传感方法之中，由视觉传感方式具有信息量大、非接触、快速、高精度及检测范围大等优点，受到广大焊接工作者的喜爱，目前已成为机器人焊接传感器方面的研究热点。目前国内外研究比较成熟的是采用激光或者结构光的视觉传感方式，这种传感方式测量准确，抗干扰能力强，但存在测量点和施焊点有一段距离的不足之处，在跟踪曲线焊缝时易产生导前误差。
经对现有技术文献检索分析，发现谭民等人在专利“一种基于激光结构光的焊缝跟踪视觉传感器”(申请号200410009931.4)中介绍的视觉传感器具有一定的代表性，该发明是一种基于激光结构光的焊缝跟踪视觉传感器，采用激光作为结构光的光源，由激光发生器、摄像机、监视器和处理单元等组成。利用激光束经过柱面镜形成激光平面，投射到焊枪前方的工件焊缝上产生激光条纹，视觉传感器采集焊缝激光图像，通过图像处理计算焊缝位置，并转换成模拟信号或无线通信输出，以达到控制焊接机器人实现焊缝自动跟踪的目的。但由于所计算的焊缝位置是焊枪前方一段距离处的焊缝位置，因此，以此位置作为焊缝跟踪较正基准会使得该传感器在跟踪曲线焊缝时易产生导前误差。吕名昊等人在《机械设计与制造》(2008，No.7：123—125)上发表的“基于结构光的螺旋钢管埋弧焊焊缝跟踪系统研究”中采用了多结构光技术进行焊缝跟踪，但该技术与单结构光技术没有本质差别，仍不能消除在跟踪曲线焊缝时产生的导前误差。周律等人在专利“焊接机器人伺服双目视觉传感器”(申请号200410067328.1)中介绍的视觉传感器虽然使用了双目视觉，但实际上只是把其中一目用于焊缝跟踪，而且，由于该目摄像机采用自然光或电弧光照明，精度低，抗干扰能力差。而把另一目用于焊缝熔透控制，而不是用于焊缝跟踪。
发明内容
本发明的目的在于提供一种跟踪精度高、抗干扰能力强的多结构光双目复合视觉焊缝跟踪方法及装置。
一种多结构光双目复合视觉焊缝跟踪方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、采用三线激光器所发激光照射焊缝，产生激光结构光平面，在焊枪路径前方形成结构光条纹，其中照射在焊缝上的三条结构光条纹与焊缝交叉点依照离焊枪位置由远到近的顺序定义为焊点1、焊点2、焊点3，其中焊点1、焊点2、焊点3、焊枪之间间距相等，设间距为d；
(2)、利用加装滤光透镜的摄像机A以时间间隔t采集、处理焊枪前的焊缝特征激光条纹图像，并由控制器获取和存储焊缝位置关系，即焊点1、焊点2、焊点3的相对坐标，其中激光结构光平面与摄像机A摄像头中心轴线成30°～60°角，镜头朝下；
(3)、利用摄像机B摄取激光条纹以外的其它图像并计算焊枪运动速度与方向，再根据d和t计算并找到与当前焊枪实际位置相对应的焊缝位置关系记录，具体方式为：设Vd为焊枪沿垂直结构光条纹方向的速度分量，n＝(d/Vd)/t，前第n条焊缝位置关系信息记录即为所对应的那条焊缝位置关系记录；
(4)、进一步利用当前三条激光线所反映的焊点2和焊点3的相对位置分别与第(3)步所找到的那条焊缝位置关系记录中焊点1和焊点2相对位置匹配，该条焊缝位置关系记录中所记录的焊点3的位置即为当前焊枪的理想位置；
(5)、焊枪理想位置与焊枪当前实际位置相比较即可获得焊枪的位置偏差，以操控焊接机器人或工件上位置校正系统进行位置校正，实现焊缝跟踪；焊枪当前实际位置可根据焊枪与摄像机之间的固联关系确定；
(6)、上述激光器、摄像机B、摄像机A随焊枪固联系在一起，一起运动。
一种多结构光双目复合视觉焊缝跟踪装置，其特征在于：
包括用于向焊缝区域投射结构光条纹的多线激光发生器、装有窄带滤光片和中性减光片A的用于采集焊缝特征激光条纹图像的摄像机A、装有带通滤光片和中性减光片B的用于采集激光条纹以外图像的摄像机B、与摄像机A、摄像机B相连的控制器组成。
本发明的有益效果是，采用激光结构光作为照明光源，可有效提高焊缝跟踪系统的抗干扰性能；它利用两个摄像机分别获取多线结构光图像与普通图像信息并进行信息熔合，计算出焊枪的位置进行焊缝跟踪，能够有效消除传统结构光视觉系统跟踪曲线焊缝是产生的导前误差问题，能广泛应用于曲线焊缝的焊缝跟踪；并提供模拟量输出接口和网络接口，可以网络设置传感器工作参数，以标准信号或无线网络通信输出焊缝位置；可以适应各种焊缝类型和工艺，提供焊缝位置信号，是通用、灵活和独立的焊缝跟踪视觉传感器；具有结构紧凑、体积小、重量轻、跟踪精度高等优点，可广泛用于机器人或自制自动化焊接设备等。
附图说明
图1是多结构光复合视觉焊缝跟踪装置简图。
图中标号名称：1.窄带滤光片  2.中性减光片A  3.摄像机A  4.焊枪  5.防溅挡板6.工件  7.摄像机B  8.带通滤光片  9.中性减光片B  10.多线激光器  11.控制器。
具体实施方式
如图1所示，本发明的多结构光复合视觉焊缝跟踪装置包括窄带滤光片1，中性减光片A，摄像机A，防溅挡板5，摄像机B，带通滤光片8(能透过波长650nm的光波)，中性减光片B，多线激光器10，控制器11。两个摄像机均采用工业摄像机。其中，激光器、摄像机封装在一起，和焊枪4刚性连接于一框架上，摄像机摄像头带有减光片和滤光片，该焊缝跟踪装置和焊枪固接，两者中心轴线平行，共处于同一平面，该平面与焊缝所成平面相交，且与被焊工件表面垂直；摄像机通过信号线与控制器电缆连接。
上述控制器11，包括计算机及其部件、监视器和信号线，计算机分别与控制面板、监视器和信号线电缆连接，两个摄像机与计算机的图像采集卡相连接，控制器还设有模拟量输出接口和无线网络接口。该接口将(水平方向和竖直方向)焊缝位置偏移量信息以标准模拟信号输出或通过无线网络输出。
计算机还与焊缝图像处理模块电连接，焊缝图像处理模块具有多种焊缝类型的资料，用于提取焊缝特征点坐标，并具有扩展功能。利用网络或通过控制面板按键选择，可针对焊缝类型进行设定、调整。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：传感器以计算机为中心。多线激光器发出的多束线光源，构成多结构光平面，投射到工件表面，形成结构光条纹。两台CCD摄像机接收到结构光图像和普通图像后，将视频信号送入图像采集卡，经过A/D转换成数字信号进行处理。按照焊缝类型和工艺，或通过无线网络设定的系统参数，调用相应的图像处理程序，得到焊缝偏差信号后，经转换得到控制信号，经模拟量输出接口和网络接口，焊缝位置偏移量信息可以以标准模拟信号(1-5V，4～20mA)输出或无线网卡通信输出为执行机构提供控制信号输出，以达到实时偏差调整的目的。激光结构光平面和摄像机经过标定，由结构光条纹特征点的坐标经计算机计算出焊缝的偏移量。

Claims (2)

1、一种多结构光双目复合视觉焊缝跟踪方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、采用三线激光器所发激光照射焊缝，产生激光结构光平面，在焊枪路径前方形成结构光条纹，其中照射在焊缝上的三条结构光条纹与焊缝交叉点依照离焊枪位置由远到近的顺序定义为焊点1、焊点2、焊点3，其中焊点1、焊点2、焊点3、焊枪之间间距相等，设间距为d；
(2)、利用加装滤光透镜的摄像机A以时间间隔t采集、处理焊枪前的焊缝特征激光条纹图像，并由控制器获取和存储焊缝位置关系，即焊点1、焊点2、焊点3的相对坐标，其中激光结构光平面与摄像机A摄像头中心轴线成30°～60°角，镜头朝下；
(3)、利用摄像机B摄取激光条纹以外的其它图像并计算焊枪运动速度与方向，再根据d和t计算并找到与当前焊枪实际位置相对应的焊缝位置关系记录，具体方式为：设Vd为焊枪沿垂直结构光条纹方向的速度分量，n＝(d/Vd)/t，前第n条焊缝位置关系信息记录即为所对应的那条焊缝位置关系记录；
(4)、进一步利用当前三条激光线所反映的焊点2和焊点3的相对位置分别与第(3)步所找到的那条焊缝位置关系记录中焊点1和焊点2相对位置匹配，该条焊缝位置关系记录中所记录的焊点3的位置即为当前焊枪的理想位置；
(5)、焊枪理想位置与焊枪当前实际位置相比较即可获得焊枪的位置偏差，以操控焊接机器人或工件上位置校正系统进行位置校正，实现焊缝跟踪；焊枪当前实际位置可根据焊枪与摄像机之间的固联关系确定；
(6)、上述激光器、摄像机B、摄像机A随焊枪固联系在一起，一起运动。
2、一种多结构光双目复合视觉焊缝跟踪装置，其特征在于：
包括用于向焊缝区域投射结构光条纹的多线激光发生器(10)、装有窄带滤光片(1)和中性减光片A(2)的用于采集焊缝特征激光条纹图像的摄像机A(3)、装有带通滤光片(8)和中性减光片B(9)的用于采集激光条纹以外图像的摄像机B(7)、与摄像机A(3)、摄像机B(7)相连的控制器(11)组成。
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