CN107328358A - 铝电解槽位姿的测量系统及测量方法 - Google Patents

铝电解槽位姿的测量系统及测量方法 Download PDF

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Abstract

一种铝电解槽位姿的测量系统，该系统包括视觉平台、工业CCD相机、标准件、磁力座、连接机构、三维测量装置和控制端。本发明在铝电解槽的焊接任务中，可以完成所有焊接工位中焊接工件在三维空间里面位置的测量和纠偏，保证在所有焊接工位中的焊接工件处于相同的姿态。结合特种焊接机器人的离线编程模式，该系统可以很好地完成铝电解槽的批量焊接任务。本发明利用三个激光测距传感器来完成焊接工件的姿态测量，满足焊接机器人离线编程模式的需要，并且本发明仅仅只需要三个激光测距传感器，将激光测距传感器常规的一维测量变成三维测量，实现了测量成本的最低化和测量装置的小型化。

Description

铝电解槽位姿的测量系统及测量方法
技术领域
本发明属于焊接机器人应用领域，尤其是涉及狭窄作业空间下焊接工件的位姿测量和纠偏方法，其能够精确地测量焊接工在焊接工位中的三维姿态信息。
背景技术
在铝电解槽阴极钢棒的焊接环境中，焊接工位位于地下，入口十分狭窄。阴极钢棒和钢板之间的间隙仅有20mm左右，其焊缝往往深达250mm以上，而且两侧又有遮挡物，这些情况都造成了焊接工位复杂狭小，常规的人工焊接无法保证焊接质量，因此，在实际的焊接任务中，特种焊接机器人被用来取代人工作业，该方式不仅可以保证人员的安全，还可以保证焊接质量和焊接效率。由于焊接工位狭窄，工人无法在机器人焊接过程中进行实时监控，无法实时了解当前焊接的具体情况，也无法灵活全面的检测这些变化，进而不能根据实际情况随时调整焊枪的位姿，且由于焊接工位复杂狭窄，无可利用空间来安装相关检测装置。在实际的应用中，机器人的传感编程很难得到应用，因此，在这种情况下，虚拟环境下的示教编程方式取代机器人的传感编程应用在铝电解槽的焊接任务中，即特种焊接机器人的离线编程。这种工作方式极大地减少了机器人的工作时间，但是，这种方式缺乏对环境的自主适应能力，无法适应当前焊接工件的批量焊接任务。特别是在批量的铝电解槽的焊接任务中，不同姿态的焊接工位都需要进行示教编程，将极大地影响焊接机器人的离线编程的效率。因此，提高机器人离线编程模式的三维环境感知能力，将极大提高焊接机器人的生产效率。
目前，焊接环境的三维测量主要分为两类：接触测量和非接触测量。接触测量方法常见的是三坐标机，它的测量速度偏慢，整体测量装置偏大，同时，接触性测量方式有可能损伤焊接工件，而非接触测量方式主要以光学测量为主，常见的光学三维测量方法有单目视觉、双目视觉、激光结构光、编码结构光和深度相机。单目视觉测量方法由于缺乏深度信息，不能直接应用于机器人测量任务，往往需要和力传感器等设备来配合起来，实现机器人的环境感知。双目视觉作为一种常见的三维测量方法，属于被动光学的三角测量的一种。工业机器人的作业环境往往存在纹理单一、结构简单的特点，基于双目视觉的测量方法难以得到适用，同时，基于双目的三维测量的扫描速度偏慢，难以实现快速的三维测量。激光结构光作为一种主动视觉测量技术，也属于三角测量法。激光结构光的缺点是扫描速度比较慢，难以实现快速的三维测量。基于编码结构光的三维测量方法是利用投影仪来取代双目中的一个相机，利用三角化的思想来实现三维测量，可以实现快速的三维建模，但是，基于结构光编码的方法也存在一些问题，三维测量装置往往偏大，不适合狭窄空间的测量，同时，在机器人作业空间中，操作对象往往是金属，金属物体自身的反光特性给测量带来设定的误差。深度相机往往是基于TOF(Time-of-Flight)的思想来实现的。该方法主要的缺点是测量精度低，无法应用于焊接工件的三维测量。由于铝电解槽狭窄的作业空间和相对复杂的作业环境，常规的接触测量方法和非接触测量方法是很难得到应用的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铝电解槽位姿的测量系统及测量方法，以解决以上所述的至少一项技术问题。
根据本发明的一方面，提供一种铝电解槽位姿的测量系统，包括视觉平台、工业CCD相机、标准件、磁力座、连接机构、三维测量装置和控制端，其中：
所述的三维测量装置配置为固定于铝电解槽中两个阴极之间，包括三个激光测距传感器和固定装置，所述三个激光测距传感器用于投射平行的光至待测工件，激光测距传感器通过固定装置固定于视觉平台上；
所述的磁力座用于将三维测量装置固定在铝电解槽中阴极钢棒上的设定位置点；
所述的连接机构的用于连接三维测量装置和磁力座；
所述的工业CCD相机和标准件固定于视觉可调平台上，可通过视觉可调平台调整位置；
所述控制端与所述三维测量装置的各激光测距传感器电性连接。
进一步的，所述的三个激光测距传感器的光轴相互平行的。
进一步的，所述三维测量装置还包括玻璃保护装置，设置于三个激光测距传感器光路之前。
进一步的，所述连接机构设置多个安装孔位，便于对三维测量装置的深度予以调节。
根据本发明的另一方面，提供以上系统进行铝电解槽位姿的三维测量的方法，包括步骤：
步骤1：利用视觉可调平台和标准件来完成激光测距传感器的矫正，将三个激光测距传感器依次固定在视觉平台上，向标准件投射激光束，保证在相同的测量距离下，每个传感器的测量结果满足在设定的误差范围内，即完成激光测距传感器的矫正；
步骤2：利用视觉可调平台、标准件和工业CCD相机，完成激光测距传感器的光轴的平行度标定；
步骤3：安装三维测量装置，并在铝电解槽的阴极钢棒上的设定位置点固定三维测量位置，同时，通过电性连接控制端和三维测量装置；
步骤4：利用控制端上的数据采集软件，结合激光测距传感器的单次测量功能，控制每个激光测距传感器依次向待测工件投射激光束，实现三个激光测距传感器到待测工件的距离测量；
步骤5：根据步骤4的测量结果，结合三个传感器之间的距离信息，以阴极钢棒为基准物体，建立三维坐标系，构建三维测量系统，实现焊接工件三维位姿的显示，同时，结合三个测量点的三维坐标信息，利用最小二乘法实现对三个测量点的平面拟合，根据拟合的平面的结果，计算平面的法向量，实现焊接工件和阴极钢棒之间夹角信息的计算；
步骤6：结合步骤5的三维位置信息和角度信息，对焊接工件的位置进行调整，然后重复步骤4和步骤5，直到测量结果达到实验需求的结果；
步骤7：重复步骤4、5、6和7，完成其他焊接工位下焊接工件的姿态测量和矫正。
进一步的，所述步骤2具体包括以下子步骤：
步骤21：利用标准件来完成工业CCD相机的标定，计算不同高度的标准件下相机的图像像素和实际物理尺寸的比例关系的标定；
步骤22：将三个激光测距传感器分别向标准件投射激光束，同时，CCD相机采集激光点图像，通过Ostu二值化、Canny边沿提取和圆心拟合，结合相机标定的结果，完成三个激光点光心之间物理尺寸的计算；
步骤23：根据三个激光点的间距信息，调整激光测距传感器的姿态，准备下一次测量；
步骤24：重复步骤22和23，保证三个激光点之间的物理尺寸在不同高度的标准件下，激光点之间的实际距离都在设定的误差范围内，即平行度标定完成，
本发明的有益效果是，在狭窄空间下的焊接任务中，针对机器人的传感编程很难得到应用的情况下，利用激光测距传感器设计灵活高精度的焊接工件的姿态测量系统，实现焊接工件的姿态纠偏，保证所有焊接工位下的焊接工件处于相同的姿态。同时，结合特种焊接机器人的离线编程方式，该系统可以很好地实现铝电解槽的批量焊接任务。相比于机器人的传感编程方式，该系统可以很好地应用于狭窄空间下的焊接工件的姿态测量，同时，该系统可以极大地提高生产效率。
附图说明
图1为本发明实施例三维测量装置的示意图；
图2为本发明实施例铝电解槽的结构示意图；
图3为本发明实施例焊接工件位姿的三维测量的流程图；
图4为本发明实施例激光测距传感器平行度标定的流程图；
图5为本发明激光测距传感器平行度标定装置的示意图。
主要附图标记说明：
1：磁力座
2：可调的连接装置
3：测量装置的固定外壳
4：激光测距传感器
5：激光测距传感器
6：激光测距传感器
7：保护玻璃的安装槽
8：焊接工件
9：焊接处
10：阴极钢棒
11：焊接处
12：阴极钢棒
13：PC
14：激光点的中心点
15：激光点的中心点
16：激光点的中心点
17：视觉可调平台
18：三维测量装置
19：工业CCD相机
20：标准件
21：标准件
22：标准件
具体实施方式
根据本发明的基本构思，提供一种包含三个激光测距传感器的三维测量系统，实现对焊接工件的精确测量。结合测量过程中得到的数据，该发明可以对焊接工件的姿态进行位置纠偏，保证所有焊接工件的姿态均处于实验要求的状态。并结合焊接机器人的离线编程模式，可以实现铝电解槽的批量焊接任务，达到提高生产效率的目的。
本发明实施例提供一种狭窄空间下的铝电解槽位姿的三维测量系统包括高精度视觉平台，工业CCD相机，标准件，磁力座、连接机构、三维测量装置和控制端(例如PC)，其中：
所述的三维测量装置由激光测距传感器、固定装置和保护装置构成。为了完成狭窄空间下的铝电解槽的姿态测量任务，三维测量装置被固定在铝电解槽中两个阴极钢棒之间的固定位置中。在三维测量的过程中，三个激光束依次平行投向待测工件，利用激光器之间的位置关系和三个激光测距传感器的测量结果，结合三坐标测量原理来完成焊接工件的三维位姿的测量。在三维测量的过程中，传感器光轴之间的平行度标定是三维测量成功的关键，平行度标定的精度越高，三维测量的误差越小。在铝电解槽的三维测量任务中，利用标准件、高精度视觉可调平台和工业CCD相机完成三维测量装置的平行度标定。同时，在狭窄空间下的三维测量任务中，为了保证激光测距传感器不受损坏，在三个激光测距传感器前加装了相关的玻璃保护装置；
所述的磁力座装置用于将三维测量装置固定在铝电解槽中阴极钢棒上的特定位置点，其目的是保证测量结果稳定性和测量结果的一致性；
所述的连接机构的主要作用是为了连接三维测量装置和磁力座，保证测量装置的稳定。同时，为了适应不同深度的铝电解槽的测量任务，连接机构设置了多个安装孔位，便于对三维测量装置的深度予以调节；
所述的高精度视觉可调平台、标准件和工业CCD相机用于完成激光测距仪的矫正和激光测距传感器光轴的平行度标定；
进一步的，所述的三个激光测距传感器的光轴是相互平行的，这个是铝电解槽三维位姿测量系统的关键部分。传感器的平行度标定是三维姿态测量的前提，平行度误差越大，三维测量的结果的误差就越大；
本发明还提供一种狭窄空间下的铝电解槽位姿的三维测量方法，包括以下步骤：
步骤1：激光测距仪的矫正。不同的激光测距传感器具有不同的光心，激光测距传感器的矫正的目标是保证激光测距传感器的光心处在相同的位置，因此，在实际测量的过程中，激光测距传感器的矫正是三维测量的前提。在本发明中，利用高精度视觉可调平台和标准件来完成激光测距仪的矫正，将三个激光测距传感器依次固定在视觉平台上，向标准件投射激光束，保证在相同的测量距离下，每个传感器的测量结果满足在设定的误差范围内，即完成激光测距仪的矫正；
步骤2：平行度标定。平行度的标定是三维测量的关键。本发明利用单目视觉来完成激光测距传感器光轴的平行度，利用高精度视觉可调平台、标准件和工业CCD相机，完成激光测距传感器的光轴的平行度标定；
步骤3：测量准备。安装三维测量装置，并在铝电解槽的阴极钢棒上的设定位置点固定三维测量位置，同时，通过RS485连接PC和三维测量装置；
步骤4：三维测量。利用PC上的数据采集软件，结合激光测距传感器的单次测量功能，控制每个激光测距传感器依次向待测工件投射激光束，实现三个激光测距传感器到待测工件的距离测量；
步骤5：姿态计算。根据步骤4的测量结果，结合三个传感器之间的距离信息，以阴极钢棒为基准物体，建立三维坐标系，构建三维测量系统，实现焊接工件三维位姿的显示，同时，结合三个测量点的三维坐标信息，利用最小二乘法实现对三个测量点的平面拟合。根据拟合的平面的结果，计算平面的法向量，实现焊接工件和阴极钢棒之间夹角信息的计算；
步骤6：位姿调整。结合步骤5的三维位置信息和角度信息，对焊接工件的位置进行调整，然后重复步骤4和步骤5，直到测量结果达到实验需求的结果；
步骤7：多次测量。重复步骤4、5、6和7，完成其他焊接工位下焊接工件的姿态测量和矫正；
进一步的，所述的平行度标定是三维测量的关键过程，为了实现激光测距传感器的平度标定，本发明利用单目视觉来完成平行度标定，其特征在于，该方法包括一下步骤：
步骤21：相机标定。利用标准件来完成工业CCD相机的标定，计算不同高度的标准件下相机的图像像素和实际物理尺寸的比例关系；
步骤22：激光点的中心提取。将三个激光测距传感器分别向标准件投射激光束，同时，CCD相机采集激光点图像。通过Ostu二值化、Canny边沿提取和圆心拟合，结合相机标定的结果，完成三个激光点光心之间物理尺寸的计算；
步骤23：姿态调整。根据三个激光点的间距信息，调整激光测距传感器的姿态；
步骡24：重复步骡22和23，保证三个激光点之间的物理尺寸在不同高度的标准件下，激光点之间的实际距离都在设定的误差范围内，即平行度标定完成。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1是本发明的铝电解槽中焊接工件的位姿测量和纠偏系统的组成示意图，图1中，1表示磁力座，2，表示长度可调节的连接装置，4、5和6分别表示激光测距传感器，7表示保护玻璃的安装槽。如图1所示，所述的铝电解槽中焊接工件的位姿测量和纠偏系统包括三维测量装置、连接装置和磁力座，其中：
所述的激光测距传感器4、5和6通过四个安装孔位分别安装到对应的位置中，并在测量的过程中，依次投射激光束到待测工件上，同时，所述的三个激光测距传感器的最小量程应该小于10mm，分辨率在量程范围内能达到1mm以内；
所述的磁力座1用于将三维测量装置固定在阴极钢棒上，保证测量装置在测量过程中的稳定；
所述的连接装置2是用于连接三维测量装置到磁力座上，并固定在阴极钢棒上，便于实际的测量；
所述的保护玻璃安装槽7是用于安装玻璃在三维测量装置的前端，保护三个激光测距传感器本身不受外部物体的损伤；
图2是铝电解槽机构示意图，8表示焊接工件，10和12表示阴极钢棒，9和11表示焊接处，所述的铝电解槽机构示意图包括焊接工件和阴极钢棒，其中：
所述的焊接工件8是实际需要测量和调整的目标，通过对焊接工件的三维测量和姿态纠偏，保证所有铝电解槽中的焊接工位处于相同的姿态，结合特种焊接的虚拟示教模式，实现焊接机器人的离线编程；
所述的阴极钢棒10和12具有体积大，质量大的特点，并统一地安装在设定的位置。因此，在实际的焊接过程中，以阴极钢棒的姿态作为参考位置，来调节焊接工件，保证所有的焊接工件处于相同的姿态；
所述的9和11为实际的焊接处，在焊接的过程中，焊接工件8分别和阴极钢棒10和12之间的间隙就是实际焊接处。阴极钢棒10和11和焊接钢工件8之间的间隙仅有20mm左右，其焊缝往往深达250mm以上；
为了实现对狭窄空间下焊接工件的姿态测量和调整，利用阴极钢棒10和12之间的空隙大小，结合激光测距传感器设计了铝电解槽中焊接工件的位姿测量和纠偏系统，该系统安装在阴极钢棒10和12之间，投射激光束到焊接工件8上，实现姿态测量和位置纠偏，图3是根据本发明实施的用于铝电解槽中焊接工件的位姿测量和纠偏的流程图，请同时参考图1和图3，所述用于铝电解槽中焊接工件的位姿测量和纠偏方法包括以下步骤：
步骤1，在焊接工件三维测量之前，激光测距传感器光心的矫正是前提。激光测距传感器矫正的目的是保证，三个激光测距传感器在一维空间中处于相同的位置。利用高精度可调的视觉平台，依次将三个激光测距传感器固定到可调的视觉平台上，并向不同的标准件投射激光束，并调节传感器的测量数据值，保证三个激光测距传感器向不同高度的标准件的测量值都是相同的，即光心矫正完成；
步骤2，测量准备阶段。根据图1的结构示意图组装三维测量装置，三个激光测距传感器通过RS485总线和PC上的上位机程序进行通信，上位机程序控制激光测距传感器的数据采集、数据处理和三维显示；
步骤3，三维测量。将三维测量装置依次固定到阴极钢棒上设定点，利用两个阴极钢棒之间的空隙来实现狭窄空间下焊接工件的姿态的测量和纠偏，并通过上位机程序控制三个激光测距传感器向焊接投射激光束；
步骤4，姿态计算。在三维测量的原理中，利用三坐标测量原理建立三维坐标系，实现三个激光点的三维坐标(xi，yi，zi，(i∈1，2，3))的计算，其中，(xi，yi)的取值可以三个激光成像点之间的位置关系来确定，zi的取值由激光测距传感器的测量距离来确定，同时根据三维测量系统和阴极钢棒之间的位置关系，焊接工件和阴极钢棒之间的在三维空间里面的相对关系可以利用OpenGL等计算机图形学工具显示出来，同时，为了将二者之间的位置关系数值化，利用焊接工件和阴极钢棒之间的夹角的数值反应工件的位置信息。其中，表示基准平面和测量平面之间的夹角，和表示两个平面的法向量；
步骤5：姿态调整。在实际的三维测量中，结合实时的激光传感器的测量距离、图形化的三维位姿和测量角度等信息，对焊接工件的姿态进行调整，直到三维测量结果满足实际的焊接需求；
步骤6，多次测量。针对铝电解槽的批量焊接任务，重复步骤3、4、5和6，完成其他焊接工位下焊接工件的姿态测量和矫正；
在焊接工件位姿的测量任务中，激光测距传感器的平行度标定是焊接工件位姿测量的关键。图5展示了激光测距传感器的平行度标定的装置示意图，14表示PC，用于图像的采集和数据处理，18表示三维测量装置，19表示工业CCD相机，在本发明中，利用基于单目视觉的标定方法来完成激光传感器的平行度标定，具体的实施步骤如下：
步骤21：相机标定。相机标定是平行度标定的前提工作。相机的比例标定的思想被采用，该方法具有标定精度高、标定简单的特点。在相机标定的过程中，利用CCD相机19采集标准件20的二维图像信息，计算不同的标准件下相机的图像像素和实际物理尺寸的比例关系，即完成了工业CCD相机的标定；
步骤22：将三个激光测距传感器18和CCD相机19分别固定在高精度可调视觉实验平台17上并分别向标准件20投射激光束，同时，CCD相机19采集带有激光点的二维图像。通过对二维图像进行Ostu二值化、Canny边沿提取和圆心拟合等操作，可以实现三个激光点的中心15提取。结合相机标定的结果，完成三个激光点光心15之间物理尺寸的计算；
步骤23：根据三个激光点的中心15的间距信息，调整激光测距传感器18的姿态；
步骤24：重复步骤22和23，保证三个激光点15的中心之间的物理尺寸在不同高度的标准件下，激光点的中心之间的实际距离都在设定的误差范围内，即平行度标定完成。
通过上述技术方案，能够更好地适应狭窄空间下的焊接工件的三维测量任务，降低测量成本，本发明实施例不仅能精确地测量焊接工件的三维姿态，而且还能基于测量结果，对焊接工件进行姿态纠偏，以满足焊接机器人离线编程模式的需要，并且本发明仅仅只需要三个激光测距传感器，将测量成本降到了最低。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种铝电解槽位姿的测量系统，其特征在于：包括视觉平台、工业CCD相机、标准件、磁力座、连接机构、三维测量装置和控制端，其中：
所述的三维测量装置配置为固定于铝电解槽中两个阴极之间，包括三个激光测距传感器和磁力座，所述三个激光测距传感器用于投射平行的光至待测工件，激光测距传感器通过磁力座固定于视觉平台上；
所述的磁力座用于将三维测量装置固定在铝电解槽中阴极钢棒上的设定位置点；
所述的连接机构用于连接三维测量装置和磁力座；
所述的工业CCD相机和标准件固定于视觉可调平台上，可通过视觉可调平台调整位置；
所述控制端与所述三维测量装置的各激光测距传感器电性连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的三个激光测距传感器的光轴相互平行。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三维测量装置还包括玻璃保护装置，设置于三个激光测距传感器光路之前。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述连接机构设置多个安装孔位，便于对三维测量装置的深度予以调节。
5.根据权利要求1-4任一项所述的系统进行铝电解槽位姿的三维测量的方法，其特征在于包括步骤：
步骤1：利用视觉可调平台和标准件来完成激光测距传感器的矫正，将三个激光测距传感器依次固定在视觉平台上，向标准件投射激光束，保证在相同的测量距离下，每个传感器的测量结果满足在设定的误差范围内，即完成激光测距传感器的矫正；
步骤2：利用视觉可调平台、标准件和工业CCD相机，完成激光测距传感器的光轴的平行度标定；
步骤3：安装三维测量装置，并在铝电解槽的阴极钢棒上的设定位置点固定三维测量位置，同时，通过电性连接控制端和三维测量装置；
步骤4：利用控制端上的数据采集软件，结合激光测距传感器的单次测量功能，控制每个激光测距传感器依次向待测工件投射激光束，实现三个激光测距传感器到待测工件的距离测量；
步骤5：根据步骤4的测量结果，结合三个传感器之间的距离信息，以阴极钢棒为基准物体，建立三维坐标系，构建三维测量系统，实现焊接工件三维位姿的显示，同时，结合三个测量点的三维坐标信息，利用最小二乘法实现对三个测量点的平面拟合，根据拟合的平面的结果，计算平面的法向量，实现焊接工件和阴极钢棒之间夹角信息的计算；
步骤6：结合步骤5的三维位置信息和角度信息，对焊接工件的位置进行调整，然后重复步骤4和步骤5，直到测量结果达到实验需求的结果；
步骤7：重复步骤4、5、6和7，完成其他焊接工位下焊接工件的姿态测量和矫正。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下子步骤：
步骤21：利用标准件来完成工业CCD相机的标定，计算不同高度的标准件下相机的图像像素和实际物理尺寸的比例关系的标定；
步骤22：将三个激光测距传感器分别向标准件投射激光束，同时，CCD相机采集激光点图像，通过Ostu二值化、Canny边沿提取和圆心拟合，结合相机标定的结果，完成三个激光点光心之间物理尺寸的计算；
步骤23：根据三个激光点的间距信息，调整激光测距传感器的姿态，准备下一次测量；
步骤24：重复步骤22和23，保证三个激光点之间的物理尺寸在不同高度的标准件下，激光点之间的实际距离都在设定的误差范围内，即平行度标定完成。
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