CN101791750A - 用于远程焊接的机器人遥控焊接系统及方法 - Google Patents

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用于远程焊接的机器人遥控焊接系统及方法，它涉及一种机器人遥控焊接系统及方法。本发明的目的是解决解决目前遥控焊接中的焊接过程实时性要求高、自主控制进行遥控焊接的适应性不好、遥控焊接的视觉反馈差以及系统对焊接任务的通用性低的问题。系统方案：中央监控人机界面与机器人控制器连接，机器人控制器分别与激光视觉控制器、机器人和焊接电源连接；方法方案：双目摄像机将焊接环境图像传输给立体视觉显示器，操作者获得远端环境的深度信息，引导焊枪向焊缝起始位置运动；可以分别采用直接控制、遥控示教、激光视觉传感跟踪或人机协作共享控制四种工作方式完成遥控焊接。本发明用于机器人遥控焊接。

Description

用于远程焊接的机器人遥控焊接系统及方法
技术领域
本发明涉及一种机器人遥控焊接系统及方法。
背景技术
在海洋工程的水下施工、核电站的安装和维修、未来太空站的组建，以及极限环境和危险环境下的设备安装、维护和抢修中，焊接应用必不可少。这些极限环境下，操作者不能身临现场直接焊接，必须实施遥控焊接。遥控焊接指人在远离现场的安全环境中，根据现场的各种传感信息对焊接设备和焊接过程进行远程监视和控制，完成焊接作业。遥控焊接与抓取装配等遥控作业有很大区别：焊接过程的实时性要求高，时间延迟严重影响焊接质量；焊接过程中存在烟雾、弧光等，影响视觉反馈的效果；焊接过程中，焊枪与工件没有接触，不能够采用力觉传感器感知环境信息。
遥控作业可以由专机来完成，也可以由遥操作机器人来完成。由于机器人具有多个自由度，运动灵活，应用中常作为远端作业的执行机构，操作者遥控操作机器人引导工具来完成遥控作业。但是由于遥控焊接作业的自身特点，采用机器人进行遥控焊接时存在许多问题：机器人遥操作通常采用直接控制、局部自主控制、人机合作控制及激光视觉传感跟踪四种方式，其中直接控制是把操作者的手部控制命令序列传给远端的机器人控制器，实时控制机器人的运动。直接控制充分利用人的感知、决策和判断能力来增强系统的适应能力，控制过程直观、简单、有效，具有较好的故障恢复能力，但是在遥控焊接中，受弧光、烟雾的影响，对远端环境的传感信息不充分，依赖主端的命令，使底层执行能力不足，并且时延情况下操作不能连续进行，只能采用“运动-等待”的方法，严重时系统不能工作；局部自主控制方式是机器人系统借助传感系统如力觉传感系统、视觉传感系统等来控制机器人末端执行器的位置与姿态，全自主完成作业，但在遥控焊接中，坡口轮廓形式不规则，焊缝不连续、以及焊缝周围存在障碍，目前还没有传感器能完成以下几种情况的焊接；人机合作控制体现的一种人与机器人系统或者传感器在智能层次上的一种“合作”，双方是对等的，但限于机器人智能化水平，这种方式尚在理论研究中，也难以在遥控焊接中应用。综上所述以上几种方式都存在局限性，难以单独的应用完成遥控焊接。目前为止并没有一种系统将能进行上述多种操作方式进行机器人遥控焊接。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前遥控焊接中的焊接过程实时性要求高、自主控制进行遥控焊接的适应性不好、遥控焊接的视觉反馈差以及系统对焊接任务的通用性低的问题，提出了一种用于远程焊接的机器人遥控焊接系统及方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：所述系统由宏观视觉显示器、中央监控人机界面、空间鼠标、液晶光闸眼镜、立体视觉显示器、工业以太网、机器人控制器、激光视觉控制器、机器人、工作平台、第一可控云台、双目摄像机、第二可控云台、宏观变焦摄像机、焊枪、激光视觉传感器工作头和焊接电源构成，所述空间鼠标与中央监控人机界面连接，且中央监控人机界面通过工业以太网与机器人控制器连接，所述液晶光闸眼镜与立体视觉显示器连接，且立体视觉显示器通过工业以太网与双目摄像机连接，所述宏观视觉显示器通过工业以太网与宏观变焦摄像机连接，所述宏观变焦摄像机装在第二可控云台上，所述双目摄像机装在第一可控云台上，所述机器人的末端上装有焊枪，所述焊枪上装有激光视觉传感器工作头，所述机器人控制器的数据输入输出端与激光视觉控制器的数据输出输入端连接，所述激光视觉控制器的电源输出端与激光视觉传感器工作头的电源输入端连接，所述激光视觉传感器工作头的图像输出端与激光视觉控制器的图像输入端连接，所述机器人控制器的运动控制信号输出端与机器人的运动信号输入端连接，所述机器人控制器的电源控制输出端与焊接电源的控制输入端连接，所述焊接电源的电源输出端与焊枪的电源输入端连接，所述工作平台与焊枪对应设置所述方法由以下步骤完成：步骤一：宏观变焦摄像机采集二维视频图像，并通过工业以太网将二维视频图像传给宏观视觉显示器，操作者在本地端的中央监控人机界面中调整视野；
步骤二：操作者操作空间鼠标在中央监控人机界面上发出控制指令，通过工业以太网传给远端的机器人控制器去控制远端机器人的运动，机器人引导焊枪移动达到焊缝上方30-40mm附近，同时机器人控制器实时将焊枪的位姿矩阵通过工业以太网传给本地端的中央监控人机界面，调整界面中虚拟环境的机器人的位姿；
步骤三：工件固定在工作平台上构成远端的焊接环境，焊枪上安装有激光视觉传感器工作头，操作者操作中央监控人机界面经过工业以太网启动激光视觉控制器和激光视觉传感器工作头并启动焊接电源，激光束中心距焊枪尖端横向距离20-30mm，焊枪处于焊接环境空间的任意位置；
步骤四：启动液晶光闸眼镜、立体视觉显示器、第一可控云台和双目摄像机，双目摄像机将获取的焊接环境图像经过工业以太网传输给本地端的立体视觉显示器，操作者佩戴液晶光闸眼镜观察立体视觉显示器通过工业以太网获得远端环境的深度信息，并在中央监控人机界面中通过工业以太网操作第一可控云台从多视角观察，引导焊枪向焊缝起始位置运动；通过在中央监控人机界面中操作，可以分别采用直接控制、遥控示教、激光视觉传感跟踪或人机协作共享控制四种工作方式完成遥控焊接。
本发明具有以下有益效果：1.本系统可进行直接控制、局部自主控制和人机协作控制及激光视觉传感跟踪，能够降低操作者在焊接过程中操作的工作负荷；采用本发明的系统可进行机器人遥控操作的方式进行遥控焊接，整个系统具有通用性和操作灵活性的特点，不但能够适应于危险环境和极限环境下的安装任务，而且适用于安全事故后的紧急抢修；2.本发明方法把操作者的全局规划能力与机器人的局部自主能力有效融合，通过丰富的视觉传感信息，单独实现直接控制、局部自主控制，而且可以实现人机协作控制及激光视觉传感跟踪，完成远端复杂焊接环境、复杂焊缝的遥控焊接。3.本系统在焊接过程中实时性要求高、自主控制进行遥控焊接的适应性好、遥控焊接的视觉反馈好以及系统对焊接任务的通用性高。
附图说明
图1是本发明系统的整体结构示意图，图2是激光视觉传感跟踪中的激光视觉传感工作图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式系统由宏观视觉显示器1、中央监控人机界面2、空间鼠标4、液晶光闸眼镜5、立体视觉显示器6、工业以太网7、机器人控制器8、激光视觉控制器9、机器人10、工作平台11、第一可控云台12、双目摄像机13、第二可控云台15、宏观变焦摄像机16、焊枪17、激光视觉传感器工作头18和焊接电源19构成，所述空间鼠标4与中央监控人机界面2连接，且中央监控人机界面2通过工业以太网7与机器人控制器8连接，所述液晶光闸眼镜5与立体视觉显示器6连接，且立体视觉显示器6通过工业以太网7与双目摄像机13连接，所述宏观视觉显示器1通过工业以太网7与宏观变焦摄像机16连接，所述宏观变焦摄像机16装在第二可控云台15上，所述双目摄像机13装在第一可控云台12上，所述机器人10的末端上装有焊枪17，所述焊枪17上装有激光视觉传感器工作头18，所述机器人控制器8的数据输入输出端与激光视觉控制器9的数据输出输入端连接，所述激光视觉控制器9的电源输出端与激光视觉传感器工作头18的电源输入端连接，所述激光视觉传感器工作头18的图像输出端与激光视觉控制器9的图像输入端连接，所述机器人控制器8的运动控制信号输出端与机器人10的运动信号输入端连接，所述机器人控制器8的电源控制输出端与焊接电源19的控制输入端连接，所述焊接电源19的电源输出端与焊枪17的电源输入端连接，所述工作平台11与焊枪17对应设置；
其中双目摄像机13由2台CCD摄像机构成，CCD摄像机的型号为SANYOVCC-6975P，第一可控云台12的型号为台湾利凌PIH-302，宏观变焦摄像机16的型号为SSV0358/SE1616，空间鼠标4是罗技公司(Logitech Company)的Classic空间鼠标。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的机器人10具有六个自由度。其它组成及步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的方法由以下步骤完成：
步骤一：宏观变焦摄像机16采集二维视频图像，并通过工业以太网7将二维视频图像传给宏观视觉显示器1，操作者3在本地端的中央监控人机界面2中调整视野；
步骤二：操作者3操作空间鼠标4在中央监控人机界面2上发出控制指令，通过工业以太网7传给远端的机器人控制器8去控制远端机器人10的运动，机器人10引导焊枪17移动达到焊缝上方30-40mm附近，同时机器人控制器8实时将焊枪17的位姿矩阵通过工业以太网7传给本地端的中央监控人机界面2，调整界面中虚拟环境的机器人10的位姿；
步骤三：工件14固定在工作平台11上构成远端的焊接环境，焊枪17上安装有激光视觉传感器工作头18，操作者3操作中央监控人机界面2经过工业以太网7启动激光视觉控制器9和激光视觉传感器工作头18并启动焊接电源19，激光束中心距焊枪17尖端横向距离20-30mm，焊枪17处于焊接环境空间的任意位置；
步骤四：启动液晶光闸眼镜5、立体视觉显示器6、第一可控云台12和双目摄像机13，双目摄像机13将获取的焊接环境图像经过工业以太网7传输给本地端的立体视觉显示器6，操作者3佩戴液晶光闸眼镜5观察立体视觉显示器6通过工业以太网7获得远端环境的深度信息，并在中央监控人机界面2中通过工业以太网7操作第一可控云台12从多视角观察，引导焊枪17向焊缝起始位置运动；通过在中央监控人机界面2中操作，可以分别采用直接控制、遥控示教、激光视觉传感跟踪或人机协作共享控制四种工作方式完成遥控焊接。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的直接控制是指操作者3通过液晶光闸眼镜5、立体视觉显示器6、第一可控云台12和双目摄像机13观察焊接过程，用空间鼠标4通过工业以太网7控制机器人10末端的焊枪17的角度、电弧长度和焊接速度完成遥控焊接；本实施例适用于100mm以下的焊缝截面轮廓不规则的短焊缝的遥控焊接修复，焊接精度低，不适合长时间操作。其它组成及步骤与具体实施方式三相同。  
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的遥控示教是指操作者3通过液晶光闸眼镜5、立体视觉显示器6、第一可控云台12和双目摄像机13观察环境，通过操作空间鼠标4通过工业以太网7调整机器人10的位姿，操作空间鼠标4的物理按键，设定速度、插补方式和电弧命令后，记录当前焊缝示教点对应的远端机器人10的关节角，重复此过程，得到示教点序列，并通过工业以太网7在中央监控人机界面2把示教点序列写入遥控示教文件teleteach.tcf中，如果执行空间鼠标5“RUN”命令的物理按键，机器人控制器8则执行指定的示教程序完成焊接；本实施例适合焊缝截面轮廓规则的所有情况的遥控焊接，精度高。其它组成及步骤与具体实施方式三相同。
具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的激光视觉传感跟踪是采用激光视觉传感器工作头18提取焊缝轮廓图像，激光视觉控制器9进行图像处理获取焊缝特征点，根据特征点对焊枪17的位置进行修正，实现焊缝跟踪，激光视觉传感工作头18与焊枪17安装间距20-30mm，事先标定，当激光视觉传感器工作头18工作时，激光视觉传感器工作头18中的激光发射器20发射的激光点通过激光视觉传感器工作头18中的棱镜21转换为激光线条纹，经工件14反射，通过激光视觉传感器工作头18中的滤镜22打到激光视觉传感器工作头18中的CCD 23上，激光视觉传感控制器9对激光视觉传感器工作头18中的CCD 23上的像素点进行处理，获得高密度的点描述的焊缝横截面轮廓，实时计算得到焊缝特征点在传感器坐标系下的位置Pf(x，z)，当机器人10运动到此点时，焊枪17的位置根据此位置进行调整，从而完成视觉传感引导的焊接；本实施例适合焊缝连续，并且焊缝截面轮廓规则的焊缝的遥控焊接，引导焊枪及焊接过程中不需要人的参与，降低了操作者的工作强度。其它组成及步骤与具体实施方式三相同。    
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的人机协作共享控制是指操作者3的直接控制命令与激光视觉传感跟踪的控制命令共同控制与机器人10末端固接的焊枪17的位姿和姿态，焊接过程中，采用激光视觉控制器9和激光视觉传感器工作头18控制焊枪17的高度和横向偏差，操作者3控制焊枪17的姿态；本实施例适合所有类型焊缝的焊接，放宽了对焊缝截面轮廓规则性的要求，大大提高了直接控制的精度，减轻了操作者工作强度。其它组成及步骤与具体实施方式三相同。

Claims (7)

1.一种用于远程焊接的机器人遥控焊接系统，所述系统由宏观视觉显示器(1)、中央监控人机界面(2)、空间鼠标(4)、液晶光闸眼镜(5)、立体视觉显示器(6)、工业以太网(7)、机器人控制器(8)、激光视觉控制器(9)、机器人(10)、工作平台(11)、第一可控云台(12)、双目摄像机(13)、第二可控云台(15)、宏观变焦摄像机(16)、焊枪(17)、激光视觉传感器工作头(18)和焊接电源(19)构成，其特征在于所述空间鼠标4与中央监控人机界面(2)连接，且中央监控人机界面(2)通过工业以太网(7)与机器人控制器(8)连接，所述液晶光闸眼镜(5)与立体视觉显示器(6)连接，且立体视觉显示器(6)通过工业以太网(7)与双目摄像机(13)连接，所述宏观视觉显示器(1)通过工业以太网(7)与宏观变焦摄像机(16)连接，所述宏观变焦摄像机(16)装在第二可控云台(15)上，所述双目摄像机(13)装在第一可控云台(12)上，所述机器人(10)的末端装有焊枪(17)，所述焊枪(17)上装有激光视觉传感器工作头(18)，所述机器人控制器(8)的数据输入输出端与激光视觉控制器(9)的数据输出输入端连接，所述激光视觉控制器(9)的电源输出端与激光视觉传感器工作头(18)的电源输入端连接，所述激光视觉传感器工作头(18)的图像输出端与激光视觉控制器(9)的图像输入端连接，所述机器人控制器(8)的运动控制信号输出端与机器人(10)的运动信号输入端连接，所述机器人控制器(8)的电源控制输出端与焊接电源(19)的控制输入端连接，所述焊接电源(19)的电源输出端与焊枪(17)的电源输入端连接，所述工作平台(11)与焊枪(17)对应设置。
2.根据权利要求1所述用于远程焊接的机器人遥控焊接系统，其特征在于所述机器人(10)具有六个自由度。
3.一种利用权利要求1所述系统进行遥控焊接的方法，其特征在于所述方法由以下步骤完成：
步骤一：宏观变焦摄像机(16)采集二维视频图像，并通过工业以太网(7)将二维视频图像传给宏观视觉显示器(1)，操作者(3)在本地端的中央监控人机界面(2)中调整视野；
步骤二：操作者(3)操作空间鼠标(4)在中央监控人机界面(2)上发出控制指令，通过工业以太网(7)传给远端的机器人控制器(8)去控制远端机器人(10)的运动，机器人(10)引导焊枪(17)移动达到焊缝上方30--40mm附近，同时机器人控制器(8)实时将焊枪(17)的位姿矩阵通过工业以太网(7)传给本地端的中央监控人机界面(2)，调整界面中虚拟环境的机器人(10)的位姿；
步骤三：工件(14)固定在工作平台(11)上构成远端的焊接环境，焊枪(17)上安装有激光视觉传感器工作头(18)，操作者(3)操作中央监控人机界面(2)经过工业以太网(7)启动激光视觉控制器(9)和激光视觉传感器工作头(18)并启动焊接电源(19)，激光束中心距焊枪(17)尖端横向距离20--30mm，焊枪(17)处于焊接环境空间的任意位置；
步骤四：启动液晶光闸眼镜(5)、立体视觉显示器(6)、第一可控云台(12)和双目摄像机(13)，双目摄像机(13)将获取的焊接环境图像经过工业以太网(7)传输给本地端的立体视觉显示器(6)，操作者(3)佩戴液晶光闸眼镜(5)观察立体视觉显示器(6)通过工业以太网(7)获得远端环境的深度信息，并在中央监控人机界面(2)中通过工业以太网(7)操作第一可控云台(12)从多视角观察，引导焊枪(17)向焊缝起始位置运动；通过在中央监控人机界面(2)中操作，可以分别采用直接控制、遥控示教、激光视觉传感跟踪或人机协作共享控制四种工作方式完成遥控焊接。
4.根据权利要求3所述用于远程焊接的机器人遥控焊接方法，其特征在于步骤四中所述直接控制是指操作者(3)通过液晶光闸眼镜(5)、立体视觉显示器(6)、第一可控云台(12)和双目摄像机(13)观察焊接过程，用空间鼠标(4)通过工业以太网(7)控制机器人(10)末端的焊枪(17)的角度、电弧长度和焊接速度完成遥控焊接。
5.根据权利要求3所述用于远程焊接的机器人遥控焊接方法，其特征在于步骤四中所述遥控示教是指操作者(3)通过液晶光闸眼镜(5)、立体视觉显示器(6)、第一可控云台(12)和双目摄像机(13)观察环境，通过操作空间鼠标(4)通过工业以太网(7)调整机器人(10)的位姿，操作空间鼠标(4)的物理按键，设定速度、插补方式和电弧命令后，记录当前焊缝示教点对应的远端机器人(10)的关节角，重复此过程，得到示教点序列，并通过工业以太网(7)在中央监控人机界面(2)把示教点序列写入遥控示教文件teleteach.tcf中，如果执行空间鼠标(5)“RUN”命令的物理按键，机器人控制器(8)则执行指定的示教程序完成焊接。
6.根据权利要求3所述用于远程焊接的机器人遥控焊接方法，其特征在于步骤四中所述激光视觉传感跟踪是采用激光视觉传感器工作头(18)提取焊缝轮廓图像，激光视觉控制器(9)进行图像处理获取焊缝特征点，根据特征点对焊枪(17)的位置进行修正，实现焊缝跟踪，激光视觉传感工作头(18)与焊枪(17)安装间距20--30mm，事先标定，当激光视觉传感器工作头(18)工作时，激光视觉传感器工作头(18)中的激光发射器(20)发射的激光点通过激光视觉传感器工作头(18)中的棱镜(21)转换为激光线条纹，经工件(14)反射，通过激光视觉传感器工作头(18)中的滤镜(22)打到激光视觉传感器工作头(18)中的CCD(23)上，激光视觉传感控制器(9)对激光视觉传感器工作头(18)中的CCD(23)上的像素点进行处理，获得高密度的点描述的焊缝横截面轮廓，实时计算得到焊缝特征点在传感器坐标系下的位置Pf(x，z)，当机器人(10)运动到此点时，焊枪(17)的位置根据此位置进行调整，从而完成视觉传感引导的焊接。
7.根据权利要求3所述用于远程焊接的机器人遥控焊接方法，其特征在于步骤四中所述人机协作共享控制是指操作者(3)的直接控制命令与激光视觉传感跟踪的控制命令共同控制与机器人(10)末端固接的焊枪(17)的位姿和姿态，焊接过程中，采用激光视觉控制器(9)和激光视觉传感器工作头(18)控制焊枪(17)的高度和横向偏差，操作者(3)控制焊枪(17)的姿态。
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