CN102357716B - 适用移动自主焊接机器人的复合功能双目视觉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用移动自主焊接机器人的复合功能双目视觉传感器，它包括固定在焊接机器人末关节上的夹具，该夹具上装有两个位置和角度均可调的摄像机支架，每个摄像机支架上均装有一个摄像机和一个电机旋转机构，每个电机旋转机构均与一减光滤光系统相连并能带动该减光滤光系统旋转使其转入/转出所述摄像机的视野范围。该传感器具有结构简单、多自由度的特点，能满足移动机器人自主地在非结构空间连续完成起弧前后工作的需要。

Description

适用移动自主焊接机器人的复合功能双目视觉传感器

技术领域

本发明涉及一种焊接技术领域的装置，具体是一种适用移动自主焊接机器人的复合功能双目视觉传感器。

背景技术

在非结构大型装备的制造中，已有的移动机器人焊接作业运动中非柔性把持焊枪运动协调性差，不能满足角焊缝以及复杂轨迹连续运动平稳性要求等问题。在实际焊接中，由热变形等因素导致的实际工件信息与规划焊接轨迹存在偏差，影响焊缝成型。视觉传感方式能够获取大量信息、反应灵敏、精度高，在智能化焊接领域倍受青睐。视觉传感在机器人焊接领域主要应用于宏观环境识别及分析、焊接工件类型的分析、焊缝起始位置的定位及导引、焊缝实时跟踪及熔透控制等方面。主动视觉传感已经在国内外研究比较成熟，但是其结构复杂、价格昂贵等硬性缺陷制约了应用；被动视觉传感则存在受焊接过程的弧光干扰、图像采集质量、焦距自适应调整等劣势，此外现有的传感器尺寸相对较大，且与机器人末关节的配合自由度较少，限制了其应用的场合。

经过现有技术的文献检索发现，申请号为201010543176.3名为“适用机器人焊接的紧凑型多功能视觉传感器”的中国专利申请文件提供了一种单目视觉传感器，该种传感器主要以单个CCD摄像机系统为主体，通过安装支架、电机旋转系统、减光滤光系统及水冷系统，设计一种可应用于焊接中的信息获取与识别、焊缝跟踪与控制的被动视觉传感器。该传感器尺寸较小，通过手动开关控制直流电机可驱动减光滤光机构旋转，可实现起弧前的焊接准备工作和起弧后的控制工作。但是该传感器结构较为复杂，摄像头对焦调节困难，减光滤光机构只通过手动开关直流电机控制，给移动机器人在非结构空间内自主焊接带来不便，单目传感器在相机标定、立体视觉上存在固有缺陷，无法完全满足移动机器人焊接目标多样化的要求，另外该设计给出的传感器与机器人末关节夹持机构功能单一、稳定性差、自由度少，导致传感器在移动机器人上应用的柔性和自主化程度降低。

发明内容

本发明目的是：提供一种具有复合功能的双目视觉传感器，该传感器具有结构简单、多自由度的特点，能满足移动机器人自主地在非结构空间连续完成起弧前后工作的需要。

本发明的技术方案是：一种适用移动自主焊接机器人的复合功能双目视觉传感器，其特征在于：它包括固定在焊接机器人末关节上的夹具，该夹具上装有两个位置和角度均可调的摄像机支架，每个摄像机支架上均装有一个摄像机和一个电机旋转机构，每个电机旋转机构均与一减光滤光系统相连并能带动该减光滤光系统旋转使其转入/转出所述摄像机的视野范围。

所述夹具包括两块左右对称布置的U型固定板，两U型固定板的后侧各自与一夹持侧板固定，该夹持侧板上制有竖槽并通过该竖槽与焊接机器人末关节固定；连接侧板位于两U型固定板的前侧，其上制有两条横槽并通过这两条横槽分别与两U型固定板相连；所述U型固定板上制有用于安装摄像机支架的螺丝孔和弧形槽。

所述竖槽和横槽的长度均为5cm，所述弧形槽的弧度为45°。

所述摄像机支架包括由螺钉固定在U型固定板的螺丝孔和弧形槽上的外壳，该外壳由前、后两个半壳构成，且所述前、后两个半壳通过扉页相连；所述摄像机由螺钉固定在外壳内，并在外壳上开设有便于摄像机对焦的调焦小窗。

所述外壳的内表面涂有缓冲胶质，用来辅助固定摄像机。

所述摄像机的通讯端口与双路图像采集卡的视频输入端口连接，所述双路图像采集卡插装在计算机PCI插槽上。

所述电机旋转系统包括微型大力矩电机，该微型大力矩电机由电机固定架竖直固定在摄像机支架上。

所述电机旋转系统还包括支撑架，该支撑架固定在摄像机支架上并支撑住减光滤光系统以减少减光滤光系统因旋转而导致的变形。

所述减光滤光系统包括多层结构内盒以及将该多层结构内盒固定在所述微型大力矩电机的电机轴上的减光滤光盒支架；其中多层结构内盒为抽屉式结构，由下而上依次为同轴布置的隔热玻璃层、减光层、滤光层、扩展层和橡圈层。

所述的微型大力矩直流电机是通过控制电路来控制其正反转，该控制电路是由达林顿晶体管、二极管、电阻和电源组成。

本发明的优点是：本发明与焊枪都固定在移动机器人的末关节上。在使用前，将摄像机支架固定在夹具上，利用夹具的自由度，调整双目传感器到合适的取像位置和姿态。焊接起弧前，通过电机旋转机构将减光滤光系统旋转出摄像机的视野范围，摄像机直接采集自然光照下的视觉信息，完成标定、被焊工件识别、焊缝起始位置定位与导引工作；焊接过程中，通过电机旋转机构将减光滤光系统旋转入摄像机的视野范围(转到与摄像机同轴)，采集焊缝区域及熔池区域的视觉信息，实现焊缝实时跟踪及焊缝成型控制功能。从而有效地解决了移动机器人在非结构空间内大型设备焊接过程中，利用同一传感器无法通过计算机自主控制连续完整地完成焊接前后工作的问题。同时视觉传感器各部分具有很大的扩展性且便于更换和安装。视觉传感器体积较小，对机器人手臂运动空间限制较少，提高了焊接工作的灵活性。夹具的多自由度设计让传感器可以方便地调整视野(摄像机可上下左右移动并能够旋转)，且能够调整传感器的双目基线距，对后期的三维计算提供方便，能满足更多场合的焊接工作视觉信息采集要求。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步介绍：

图1是本发明实施例的主视图；

图2是本发明实施例的俯视图；

图3是发明实施例中电机的控制电路图；

其中：

1-夹具，11-夹持侧板，12-连接侧板，13-U型固定板，121-横槽，131-螺丝孔，132-弧形槽；

2-摄像机支架，21-外壳，22-扉页，23-调焦小窗；

3-摄像机；

4-电机旋转系统，41-微型大力矩电机，42-电机固定架，43-支撑架；

5-减光滤系统，51-多层结构内盒，52-减光滤光盒支架，53-轴固定挡板，54-方块。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例包括一个夹具1、两个摄像机支架2、两个摄像机3(为CCD摄像机)、两个电机旋转机构4和两个减光滤光系统5。其中：

夹具1固定在焊接机器人末关节上；

两摄像机支架2都安装在夹具1上，每个摄像机支架2上均装有一个所述摄像机3和一个所述电机旋转机构4，且这两个摄像机3以焊枪轴(焊枪也固定在移动机器人末关节上)为中心对称布置；

减光滤光系统5与电机旋转机构4相连并由电机旋转机构4带动其旋转，使减光滤光系统5转入/转出摄像机3的视野范围，具体为：1)在焊接过程中减光滤光系统5“转入”摄像机3的视野范围，此时减光滤光系统与摄像机同轴安放，一个摄像机拍摄前端焊缝，另一个摄像机拍摄动态熔池，实现焊缝实时跟踪及焊缝成型控制功能；2)在焊接前的标定和导引过程中，减光滤光系统5“转出”摄像机3的视野范围，两个摄像机同时采集自然光照下的视觉信息，完成标定、被焊工件识别、焊缝起始位置定位与导引的工作。

所述夹具1采用镂空设计，它由两块U型固定板13、两块夹持侧板11和一块连接侧板12构成，其中：

两U型固定板13左右对称布置，每个U型固定板上均制有用于安装摄像机支架4的螺丝孔131和弧形槽132。每个U型固定板上的弧形槽132有两条，其弧线的圆心为所述螺丝孔131的中心，每条弧形槽的弧度为45°。装配完成后螺丝孔131和弧形槽132中均布置有锁在摄像机支架4上的螺钉从而将摄像机支架固定住。根据需要，我们可通过改变螺钉在弧形槽132中的锁定位置来调整摄像机支架4的角度。

两夹持侧板11的外轮廓都呈L型，分别固定在两U型固定板13的后侧(在此说明：本例中所提到的“前、后、左、右”均是以图1为参照的)。夹持侧板11上设有与焊接机器人末关节固定的接口，该接口是一个长5cm的竖槽(图未示)，安装时用两颗螺钉穿过该竖槽并锁在焊接机器人末关节上，便将本夹持侧板11固定在焊接机器人末关节上了。而且因竖槽的存在，能非常方便地调整夹持侧板11的竖向位置，使夹持侧板具有竖直方向的自由度。

连接侧板12则布置在两U型固定板13的前侧并将这两个U型固定板连接起来，可保证夹具1的结构稳定性。具体的连接方式参照图1所示：连接侧板11上制有两条长5cm的横槽121，螺钉穿过横槽121将连接侧板11锁定在U型固定板上。而且因横槽121的存在，能非常方便地调整U型固定板13的横向位置，使U型固定板具有水平方向的自由度。

由以上内容可知：通过竖槽的结构，夹持侧板11的竖向位置可调；通过横槽121的结构，U型固定板12的水平位置可调；通过弧形槽132的结构，摄像机支架4的角度可调。而U型固定板12装在夹持侧板11，摄像机支架4又装在U型侧板上，也就使得摄像机支架4的位置(竖向位置和横向位置)和角度均可调，进而调整视摄像机3的视野(因摄像机安装在摄像机支架上)。

所述摄像机支架2包括外壳21。摄像机3通过螺钉固定在外壳21内，外壳内表面的形状与摄像机形状相配且在外壳内表面涂有缓冲胶质，以辅助固定摄像机3。如图2所示，为使摄像机3能够非常方便地装到外壳21的内部，本例中的外壳21采用了如下结构：外壳21由前、后两个半壳组成，这两个半壳通过扉页22相连(在扉页22的作用下，两个半壳可很方便地打开和扣合)。安装摄像机3时，先从夹具1上取下摄像机支架2，将扉页连接的前后两半壳打开，放入摄像机3并用螺钉固定后将前后两半壳扣合，再将摄像机支架2装到夹具1上。

此外，在外壳21上、靠近摄像机3的镜头端开有一调焦小窗23，以方便摄像机的对焦(允许手动调整镜头对焦)，正常工作时该调焦小窗通过挡板紧密契合外壳以确保无漏光。

所述摄像机3为体积小的笔筒状工业相机，可自主选择固定焦距或自动变焦镜头，两摄像机3构成双目视觉，其采集的图像为同一时间且有共同视野范围，主要负责对焊接场景、被焊工件以及焊接中焊缝和熔池图像进行采集，摄像机通讯端口与插装在计算机PCI插槽上的双路图像采集卡(两路输入)的视频输入端口连接。

所述电机旋转系统4包括微型大力矩电机41、电机固定架42和支撑架43。其中微型大力矩电机41竖直布置(电机轴朝下)并由电机固定架42固定在摄像机支架2上(具体是固定在摄像机支架的外壳21上)。支撑架43也固定在摄像机支架2上用于支撑减光滤光系统5，以减少减光滤光系统因为重复旋转所导致的变形(支撑架2上制有弧形的导槽，减光滤光系统5上制有突起的方块54，当减光滤光系统5旋转时其上的方块54刚好在所述导槽中滑动)。

所述减光滤光系统5包括多层结构内盒51和减光滤光盒支架52。多层结构内盒51为抽屉式结构，它由下而上依次为隔热玻璃层、减光层、滤光层、扩展层和橡圈层，且隔热玻璃层、减光层、滤光层、扩展层和橡圈层同轴布置，同时橡圈层的顶部采用压紧盖压紧，该压紧盖是一个环状片，环状片中间留有镜头大小的圆孔。其中，扩展层用于复合滤光方案中的额外光学元件放置，隔热玻璃层用于防止焊接时飞溅损坏减光滤光片。减光滤光盒支架52用于将多层结构内盒51固定在微型大力矩电机41的电机轴上，具体结构为：多层结构内盒51通过螺纹孔固定在减光滤光盒支架52上，而减光滤光盒支架52通过半圆柱孔与微型大力矩电机41的电机轴契合并由轴固定挡板53压紧实现两者固定，且减光滤光盒支架52借助所述支撑架43的辅助减少变形。

上述的微型大力矩直流电机41是通过控制电路来驱动的。如图3所示，该控制电路是由四个达林顿晶体管Q1、Q2、Q3、Q4，两个二极管D1、D2，四个电阻R1、R2、R3、R4，以及一个十伏电源VCC构成，该电路通过5V高低电平组合输入来控制微型大力矩直流电机41的正反转。

所述控制电路的工作原理为：达林顿晶体管Q1、Q2、Q3、Q4起组合开关作用，二极管D1、D2起单向通过电流作用，电阻R1、R2、R3、R4起过载保护作用，十伏电源VCC为直流电机提供电流。计算机通过数据采集卡数字端向IN1、IN2端发送高低电平(5V)控制信号。当IN1为高电平、IN2为低电平时，Q2、Q3导通，D1导通，D2截止，从而电机实现正向转动；当IN1为低电平、IN2为高电平时，Q1、Q4导通，D1截止，D2导通，从而电机实现反向转动；当IN1、IN2都为高电平时，Q3、Q4导通，电流不通过电机，电机不转动；当IN1、IN2都为低电平时，Q3、Q4截止，整个电路呈断路状态，电机不转动。所以IN1、IN2的高低电平组合可以实现电机的正向转动、反向转动、静止三种状态控制。

本实施例中，各部分结构均具有模块化的结构，可以单独安装、拆卸、更换、扩展；与外界接口简单方便，可以方便地通过螺钉安装在不同形状的机器人末关节上；具有自动化程度高，结构稳定，柔性强，采像灵活性好，多自由度等特点。

当然，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用移动自主焊接机器人的复合功能双目视觉传感器，其特征在于：它包括固定在焊接机器人末关节上的夹具（1），该夹具上装有两个位置和角度均可调的摄像机支架（2），每个摄像机支架上均装有一个摄像机（3）和一个电机旋转系统（4），每个电机旋转机构均与一减光滤光系统（5）相连并能带动该减光滤光系统旋转使其转入/转出所述摄像机（3）的视野范围；其中，

所述夹具（1）包括两块左右对称布置的U型固定板（13），两U型固定板（13）的后侧各自与一夹持侧板（11）固定，该夹持侧板（11）上制有竖槽并通过该竖槽与焊接机器人末关节固定；连接侧板（12）位于两U型固定板（13）的前侧，其上制有两条横槽（121）并通过这两条横槽分别与两U型固定板（13）相连；所述U型固定板（13）上制有用于安装摄像机支架（2）的螺丝孔（131）和弧形槽（132）。

2.根据权利要求1所述的适用移动自主焊接机器人的复合功能双目视觉传感器，其特征在于：所述竖槽和横槽（121）的长度均为5cm，所述弧形槽（132）的弧度为45°。

3.根据权利要求1所述的适用移动自主焊接机器人的复合功能双目视觉传感器，其特征在于：所述摄像机支架（2）包括由螺钉固定在U型固定板（13）的螺丝孔（131）和弧形槽（132）上的外壳（21），外壳（21）由前、后两个半壳构成，且所述前、后两个半壳通过扉页（22）相连；所述摄像机（3）由螺钉固定在外壳（21）内，并在外壳（21）上开设有便于摄像机对焦的调焦小窗（23）。

4.根据权利要求3所述的适用移动自主焊接机器人的复合功能双目视觉传感器，其特征在于：所述外壳（21）的内表面涂有缓冲胶质。

5.根据权利要求1所述的适用移动自主焊接机器人的复合功能双目视觉传感器，其特征在于：所述摄像机（3）的通讯端口与双路图像采集卡的视频输入端口连接，所述双路图像采集卡插装在计算机PCI插槽上。

6.根据权利要求1所述的适用移动自主焊接机器人的复合功能双目视觉传感器，其特征在于：所述电机旋转系统（4）包括微型大力矩直流电机（41），该微型大力矩电机由电机固定架（42）竖直固定在摄像机支架（2）上。

7.根据权利要求6所述的适用移动自主焊接机器人的复合功能双目视觉传感器，其特征在于：所述电机旋转系统（4）还包括支撑架（43），该支撑架固定在摄像机支架（2）上并支撑住减光滤光系统（5）以减少减光滤光系统因旋转而导致的变形。

8.根据权利要求6所述的适用移动自主焊接机器人的复合功能双目视觉传感器，其特征在于：所述减光滤光系统（5）包括多层结构内盒（51）以及将该多层结构内盒固定在微型大力矩直流电机（41）的电机轴上的减光滤光盒支架（52）；其中多层结构内盒（51）为抽屉式结构，由下而上依次为同轴布置的隔热玻璃层、减光层、滤光层、扩展层和橡圈层。

9.根据权利要求6所述的适用移动自主焊接机器人的复合功能双目视觉传感器，其特征在于：所述的微型大力矩直流电机（41）通过控制电路来控制其正反转，该控制电路是由达林顿晶体管、二极管、电阻和电源组成。

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