CN108015455B - 基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于机器人焊接的基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置及其检测算法。所述视觉传感器装置由工业CCD相机、镜头、辅助相机、十字线激光器、一字线激光器、减光和滤光系统及机械安装机构等组成。其中焊枪的中心轴线、工业CCD相机中心轴线、十字线和一字线激光器中心轴线共面；工业CCD相机中心轴线与焊枪的中心轴线平行，两个激光器中心轴线与焊枪的中心轴线夹角为α(如30°)。通过图像处理和基于三角测量原理的相关检测算法，该装置可以实现焊枪高度检测、焊接坡口截面尺寸检测、焊缝导引与跟踪、焊接过程实时监控等功能。具有体积小、综合成本低、检测功能丰富等优势，可以辅助焊接机器人实现自动化和智能化焊接。

Description

基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置

技术领域

本发明涉及焊接机器人设备技术领域，具体是机器人焊接过程中实时视觉检测技术，尤其是基于激光结构光的视觉检测装置。

背景技术

机器人与计算机技术的发展使得焊接制造的自动化和智能化程度日益提高。其中焊接速度控制、焊接路径规划、工件位置信息和坡口尺寸参数检测是影响焊接质量和效率的重要因素。焊接过程自动化和智能化的发展需要焊枪高度检测、焊接坡口截面尺寸检测、焊枪和焊接坡口偏差识别、焊枪定位与焊缝跟踪技术的相应发展。高精度、小型化、功能丰富的传感器技术是提高焊接机器人智能化程度的重要技术手段。

为了实现焊接自动化和智能化，已经开发出了实时自动地获取焊接坡口尺寸参数、焊枪与焊接坡口相对位置信息的各种传感器技术，如电弧传感器、机械接触式传感器和视觉传感器等，其中视觉传感器由于其非接触性、反应快速、检测精度高、抗干扰能力强等特点受到广泛关注。视觉传感技术分为主动视觉和被动视觉两大类，主动视觉传感技术由于其抗干扰能力强，图像处理相对容易而广泛应用。主动视觉传感技术主要利用激光结构光法或激光扫描方法对焊接工件进行照射，并通过图像处理和三角测量原理获得相应的焊接坡口和工件特征参数信息。常用的激光结构光有点状激光、单线条激光、双线条激光、环形激光、激光条纹等。

现有技术公开了一种基于旁轴CCD的激光焊接质量在线监测装置、一种激光视觉焊缝跟踪系统及一种激光视觉传感器的设计方法及其装置，在此三个专利中的激光视觉传感器皆使用单线条激光。基于单线条的激光视觉传感器存在检测信息量少，仅能实现一维或二维方向上的焊缝定位或跟踪功能。经对现有技术的文献检索发现，毛志伟在2015年2月第36卷第2期的《焊接学报》上刊登的“双线激光传感焊枪定位与焊缝走向识别”一文，文中探讨了使用双线条激光器进行焊枪定位与焊缝走向识别技术。其传感器设计中的两个条形激光器对称布置在CCD两侧，当焊枪高度变动时，会对焊接坡口尺寸信息的检测和焊缝跟踪功能有一定影响，当两条激光在工件表面重合时，检测信息量会明显减少，且此空间布局形式会大大增加传感器体积，给传感器的小型化带来问题。现有技术公开了一种基于环形激光视觉传感的焊缝自动定位方法。该方法使用环形激光器，根据激光锥体坐标系与机器人本体坐标系的矩阵变换实现对焊缝的定位。但是该方法在对焊接坡口尺寸参数检测和焊枪高度信息监测上的功能较弱。

通过对相关技术的检索可知，目前在焊接机器人中使用的基于激光结构光的视觉传感器设计中，并没有使用十字激光和一字激光组合的设计方案，且检测功能相对较单一。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置，所述多功能视觉传感器装置集成程度高，检测功能丰富。

根据本发明实施例的基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置，所述多功能视觉传感器装置包括：固定座，所述固定座适于与焊枪相连；工业CCD相机，所述工业CCD相机与所述固定座相连以拍摄焊枪实施焊接过程的焊接坡口或形成的焊缝；工业镜头，所述工业镜头设在所述工业CCD相机的镜头前端以调节所述工业CCD相机的光学参数；辅助相机，所述辅助相机与所述固定座相连以辅助拍摄实施焊接过程的电弧及熔池临近区域；激光器，所述激光器设在所述固定座上以向所述焊枪实施焊接过程的焊接坡口或形成的焊缝投射激光线，所述激光器包括十字线激光器和一字线激光器，所述十字线激光器的中心轴线与所述一字线激光器的中心轴线相平行。

根据本发明实施例的基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置，采用十字线激光器和一字线激光器结合投射的方案，采用相应的检测算法能够同时实现焊枪高度检测、焊接坡口截面尺寸检测、焊枪与焊接坡口偏差检测等多种功能。此外，多功能视觉传感器装置还具有结构简单，结构紧凑，能够对焊枪的焊接过程实时监测等优点。此外，辅助相机还可用于焊接过程的实时监控，可以人工干预焊接过程，以避免意外突发状况。

在一些实施例中，所述工业CCD相机的光轴、所述工业镜头的光轴、所述辅助相机的光轴及所述激光器的中心轴线均与所述焊枪的中心轴线共面。

在一些实施例中，在所述焊枪的焊接方向上，所述工业CCD相机、所述工业镜头、所述辅助相机及所述激光器均位于所述焊枪的带焊接侧。

在一些实施例中，在所述焊枪的前进方向上，所述工业CCD相机、所述辅助相机和所述激光器依次设置。

在一些实施例中，所述工业CCD相机的光轴、所述工业镜头的光轴与所述焊枪的中心轴线相平行。

具体地，所述辅助相机的光轴与所述激光器的中心轴线相平行，所述辅助相机向下拍摄，在由下到上的方向上，所述辅助相机的光轴朝向远离所述焊枪的方向倾斜。

在一些实施例中，所述的基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置，还包括：减光系统，所述减光系统设在所述工业镜头及所述辅助相机的镜头上；滤光系统，所述滤光系统设在所述工业镜头上。

具体地，所述滤光系统包括：波长650nm，半带宽8nm的窄带滤光片。

在一些实施例中，所述的基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置，还包括：第一调整组件，所述第一调整组件设在所述固定座上，所述第一调整组件与所述工业镜头相连以调整所述工业镜头的光轴的空间位置；第二调整组件，所述第二调整组件设在所述固定座上，所述第二调整组件与所述激光器相连以调整所述激光器的中心轴线的空间位置。

具体地，所述第一调整组件包括：第一调整环，所述第一调整环设在所述固定座上且外套在所述工业镜头上；多个第一调整螺栓，所述多个第一调整螺栓分别螺纹连接在所述第一调整环上，每个所述第一调整螺栓的端部可止抵在所述工业镜头上；所述第二调整组件包括：第二调整环，所述第二调整环设在所述固定座上且外套在所述激光器上；多个第二调整螺栓，所述多个第二调整螺栓分别螺纹连接在所述第二调整环上，每个所述第二调整螺栓的端部可止抵在所述激光器上。

在一些实施例中，所述的基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置，还包括防飞溅挡板，所述防飞溅挡板适于设在所述焊枪和所述工业镜头之间。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置结构示意图。

图2为多功能视觉传感器装置应用于焊接过程示意图。

图3为焊枪中心轴线与工件垂直情况下的视觉传感器检测原理示意图。

图4为焊枪中心轴线与工件垂直但存在横向偏移、焊枪行进方向与焊接坡口中心线方向存在角度偏差时的视觉传感器检测原理示意图。

附图标记：

多功能视觉传感器装置100、

工业CCD相机1、工业镜头2、辅助相机3、

激光器4、十字线激光器4a、一字线激光器4b、

减光系统5、滤光系统6、

第一调整组件7、第一调整环7a、第一调整螺栓7b、

第二调整组件8、第二调整环8a、第二调整螺栓8b、

防飞溅挡板9a、防护镜片9b、固定座10

焊枪200。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面参考图1-图4描述根据本发明实施例的基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置100的具体结构。

如图1所示，根据本发明实施例的基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置100，多功能视觉传感器装置100包括固定座10、工业CCD相机1、工业镜头2、辅助相机3和激光器4。固定座10适于与焊枪200相连，工业CCD相机1与固定座10相连以拍摄焊枪200实施焊接过程的焊接坡口或形成的焊缝。工业镜头2设在工业CCD相机1的镜头前端以调节工业CCD相机1的光学参数。辅助相机3与固定座10相连以辅助拍摄焊枪200实施焊接过程的电弧及熔池临近区域。激光器4设在固定座10上以向焊枪200实施焊接过程的焊接坡口或形成的焊缝投射激光线，激光器4包括十字线激光器4a和一字线激光器4b，十字线激光器4a的中心轴线与一字线激光器4b的中心轴线相平行。

可以理解的是，本发明实施例的基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置100采用十字线激光器4a和一字线激光器4b结合投射的方案，采用工业CCD相机1相应的检测算法能够同时实现焊枪200高度检测、焊接坡口截面尺寸检测、焊枪200与焊接坡口偏差检测等多种功能。此外，本发明实施例的基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置100的结构十分简单，结构紧凑，可以直接连接在焊枪200上且跟随焊枪200移动，从而实现对焊枪200的焊接过程实时监测的功能。此外，辅助相机3还可用于焊接过程的实时监控，可以人工干预焊接过程，以避免意外突发状况。

根据本发明实施例的基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置100，采用十字线激光器4a和一字线激光器4b结合投射的方案，采用工业CCD相机1相应的检测算法能够同时实现焊枪200高度检测、焊接坡口截面尺寸检测、焊枪200与焊接坡口偏差检测等多种功能。此外，多功能视觉传感器装置100还具有结构简单，结构紧凑，能够对焊枪200的焊接过程实时监测等优点。此外，辅助相机3还可用于焊接过程的实时监控，可以人工干预焊接过程，以避免意外突发状况。

在一些实施例中，工业CCD相机1采用大恒MER-200工业相机，镜头采用VST6mm焦距工业镜头2。

可选地，所述的一字线激光器4b和十字线激光器4a功率可调，最大功率为100mw，焦距为150mm。由此用户可以较为方便的调节激光线的亮度。

有利地，一字线激光器4b采用鲍威尔棱镜结构，具有聚焦性好、亮度大的特点。

在一些实施例中，如图1所示，工业CCD相机1的光轴、工业镜头2的光轴、辅助相机3的光轴及激光器4的中心轴线均与焊枪200的中心轴线共面。可以理解的是，在计算焊接坡口或焊缝尺寸、焊枪200高度等参数时，工业CCD相机1的光轴、工业镜头2的光轴、辅助相机3的光轴及激光器4的中心轴线均与焊枪200的中心轴线共面可以使得工业CCD相机1的焦点，激光器4投射的激光线，及焊缝中心线均在同一平面，有利于简化计算，降低参数计算算法的难度。当然，工业CCD相机1的光轴、工业镜头2的光轴、辅助相机3的光轴及激光器4的中心轴线均与焊枪200的中心轴线也可以不共面。

在一些实施例中，如图1所示，在焊枪200的焊接方向上，工业CCD相机1、工业镜头2、辅助相机3及激光器4均位于焊枪200的待焊接侧。需要说明的是，焊枪200的下游是指焊枪200朝向前进方向的一侧。可以理解的是，工业CCD相机1、工业镜头2、辅助相机3及激光器4均位于焊枪200的待焊接侧，工业CCD相机1可以拍摄焊接完成的焊缝，但是如果需要拍摄正在形成的焊缝则有较大的难度。因此，将工业CCD相机1、工业镜头2、辅助相机3及激光器4均设在焊枪200的下游，工业CCD相机1可以直接拍摄正在实施焊接的焊接坡口或已形成的焊缝，从而增强了多功能视觉传感器装置100的检测作用。

在一些实施例中，在焊枪的前进方向上，工业CCD相机1、辅助相机3、激光器4依次设置。由此，工业CCD相机1及辅助相机3距离焊枪200较近，提高了检测精度。

在一些实施例中，如图1所示，工业CCD相机1的光轴、工业镜头2的光轴与焊枪200的中心轴线相平行。在计算焊接坡口焊缝尺寸、焊枪200高度等参数时，工业CCD相机1的光轴、工业镜头2的光轴与焊枪200的中心轴线相平行有利于简化计算，降低计算算法的难度。当然，工业CCD相机1的光轴、工业镜头2的光轴与焊枪200的中心轴线也可以不平行。

具体地，辅助相机3的光轴与激光器4的中心轴线相平行，辅助相机3向下拍摄，在由下到上的方向上，辅助相机3的光轴朝向远离焊枪200的方向倾斜。由此，辅助相机3与工业CCD相机1拍摄的同一点的图像，增加了多功能视觉传感器的检测精度。激光器4投射的激光线可以投射到工业CCD相机1拍摄的范围内，为计算焊接坡口或焊缝、尺寸、焊枪200高度等参数提供了基准线。

在一些实施例中，如图1所示，基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置100还包括减光系统5和滤光系统6，减光系统5设在工业镜头2及辅助相机3的镜头上，滤光系统6设在工业镜头2上。由此，可以降低弧光辅助相机3和工业CCD相机1的拍摄干扰，从而提高多功能视觉传感器装置100的检测精度。

具体地，滤光系统6包括波长650nm，半带宽8nm的窄带滤光片。

具体地，减光系统5包括减光参数为1％的减光片。

需要说明的是，滤光系统6和减光系统5可以根据实际需要选择分别选择不同的滤光片和减光片，以使得工业CCD相机1和辅助相机3具有最佳拍摄效果。

在一些实施例中，如图1所示，基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置100还包括：第一调整组件7和第二调整组件8。第一调整组件7设在固定座10上，第一调整组件7与工业镜头2相连以调整工业镜头2的光轴的空间位置。第二调整组件8设在固定座10上，第二调整组件8与激光器4相连以调整激光器4的中心轴线的空间位置。可以理解的时，在使用过程中，将组装并校准完成后的多功能视觉传感器装置100安装固定在焊枪200上，采用相关标定方法对工业CCD相机1和激光器4进行整体标定使之满足设计参数。当存在安装误差时，用户通过调整工业CCD相机1和激光器4两侧的微调螺栓进一步微调。由此保证了多功能视觉传感器装置100的拍摄精度，从而保证了多功能视觉传感器装置100的检测精度。

具体地，第一调整组件7包括第一调整环7a和多个第一调整螺栓7b，第一调整环7a设在固定座10上且外套在工业镜头2上，多个第一调整螺栓7b分别螺纹连接在第一调整环7a上。

具体地，第二调整组件8包括第二调整环8a和多个第二调整螺栓8b，第二调整环8a设在固定座10上且外套在激光器4上。多个第二调整螺栓8b分别螺纹连接在第二调整环8a上，每个第二调整螺栓8b的端部可止抵在激光器4上。

需要说明的是，第一调整螺栓7b和第二调整螺栓8b既能起到固定作用还可以起到微调作用，这样的结构十分简单且调节操作非常方便。当然第一调整组件7和第二调整组件8的结构形式还可以是其他形式，在此不作赘述。

在一些实施例中，如图1所示，基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置100还包括防飞溅挡板9a，防飞溅挡板9a适于设在焊枪200和工业镜头2之间。由此，可以保证焊接时焊接火花或飞溅不会损害工业镜头2。

在一些实施例中，如图1所示，基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置100还包括防护镜片9b，防护镜片9b设在激光器4下方。由此，可以保证焊接时焊接火花或飞溅不会损害激光器4。

下面参考图1描述本发明一个具体实施例的基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置100。

如图1所示，多功能视觉传感器装置100包括固定座10、工业CCD相机1、工业镜头2、辅助相机3、激光器4、减光系统5、滤光系统6、第一调整组件7、第二调整组件8、防飞溅挡板9a及防护镜片9b。

固定座10适于与焊枪200相连，工业CCD相机1与固定座10相连以拍摄焊枪200实施焊接过程的焊接坡口或焊缝。工业镜头2设在工业CCD相机1的镜头前端以调节工业CCD相机1的光学参数。辅助相机3与固定座10相连以辅助拍摄焊枪200实施焊接过程的电弧及熔池临近区域。激光器4设在固定座10上以向焊枪200实施焊接过程的焊接坡口或形成的焊缝投射激光线，激光器4包括十字线激光器4a和一字线激光器4b，十字线激光器4a的中心轴线与一字线激光器4b的中心轴线相平行。减光系统5设在工业镜头2及辅助相机3的镜头上，滤光系统6设在工业镜头2上。

第一调整组件7设在固定座10上，第一调整组件7与工业镜头2相连以调整工业镜头2的光轴的空间位置。第二调整组件8设在固定座10上，第二调整组件8与激光器4相连以调整激光器4的中心轴线的空间位置。第一调整组件7包括第一调整环7a和四个第一调整螺栓7b，第一调整环7a设在固定座10上且外套在工业镜头2上，四个第一调整螺栓7b分别螺纹连接在第一调整环7a上。第二调整组件8包括第二调整环8a和四个第二调整螺栓8b，第二调整环8a设在固定座10上且外套在激光器4上。四个第二调整螺栓8b分别螺纹连接在第二调整环8a上。

在焊枪200的焊接方向上，工业CCD相机1、工业镜头2、辅助相机3及激光器4均位于焊枪200的待焊接侧；且在焊枪200的前进方向上，工业CCD相机1、辅助相机3、激光器4依次设置。工业CCD相机1的光轴、工业镜头2的光轴、辅助相机3的光轴及激光器4的中心轴线均与焊枪200的中心轴线共面。辅助相机3的光轴与激光器4的中心轴线相平行，辅助相机3向下拍摄，在由下到上的方向上，辅助相机3的光轴朝向远离焊枪200的方向倾斜。

与现有的基于激光结构光的视觉传感器技术相比，本实施例的多功能视觉传感器装置100的有益效果是集成度更高，更加紧凑，所能够实现的检测功能更加丰富，其功能多样性是目前的各种基于激光结构光的视觉传感器所不能同时具有的。

本实施例的多功能视觉传感器装置100具有体积小、精度高、集成度高、检测功能丰富的特点。本实施例的多功能视觉传感器装置100能够解决现有的各种基于激光结构光的视觉传感器的不足，能够辅助焊接机器人进行多种焊接尺寸信息检测，如焊枪200高度检测、焊接坡口截面尺寸检测、焊枪200与焊接坡口偏差检测等，从而实现对焊枪200高度的控制、焊缝的导引和跟踪，提高焊接机器人的自动化程度和焊接效率，进而进一步提高焊接机器人的智能化水平。

需要额外说明的是，本实施例的多功能视觉传感器能够同时实现焊接坡口截面尺寸检测、焊枪200高度信息检测及控制、焊枪200与焊接坡口的横向位置偏差及焊枪200运动方向与焊接坡口中心线方向的角度偏差的检测、焊缝导引及跟踪、焊接过程实时监控等多种检测功能。

本实施例的基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置100可以用于测量多种信息。

下面参考图2-图4描述本实施例的基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置100用于测量焊枪200高度、焊接坡口或焊缝参数的示例。

示例1：焊枪200高度信息检测：

如图2所示，基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置100在焊枪200的焊接运动前进方向上，工件坡口特征会对十字线激光器4a和一字线激光器4b所投影在工件上的十字线激光和一字线激光产生影响，激光线在坡口内延伸形成折弯。激光线的折弯特征经过减光系统5和滤光系统6之后被工业CCD相机1记录，通过进一步运用基于图像处理和基于三角测量原理的相关检测算法，可以提取相关信息，特别是激光线折弯点的坐标信息。

如图3所示，焊枪200的中心轴线和工业CCD相机1的光轴与被焊工件表面垂直，物坐标系为OXYZ，原点O为工业CCD相机1的光轴与工件上表面OXY的交点，Z轴为工业CCD相机1的光轴，相机焦点到物坐标平面OXY的距离为H；像坐标系为O’X’Y’Z’，原点O’为工业CCD相机1的光轴与像平面O’X’Y’的交点，相机焦点到像坐标平面O’X’Y’的距离为焦距f。

工业CCD相机1参数和各部分几何参数如下所示：

CCD相机：

焦距f＝6mm；

后焦距f_r＝17.526mm；

CCD尺寸：1/1.8”

视场角θ：61.9°*48.4°

结构尺寸：

H₀：CCD相机的焦点与导电嘴前端高度

D₀：CCD相机的光轴与焊枪200的中心轴线的距离

D₁：CCD相机的焦点与十字线激光器4a的中心轴线的垂直距离

D₂：十字线激光器4a的中心轴线与一字线激光器4b的轴线的间距

α：激光器4的中线轴线与CCD相机光轴的夹角

根据成像原理，分别确定图3中的特征点(激光线折弯点)1至6的物坐标和像坐标。

点1：物坐标：x₁＝ε,y₁＝b₂,z₁＝0；像坐标：

点2：物坐标：x₂＝ε+d₁,y₂＝b₂,z₂＝0；像坐标：

点3：物坐标：x₃＝ε,y₃＝-b₁,z₃＝0；像坐标：

点4：物坐标：x₄＝ε+d₁,y₄＝-b₁,z₄＝0；像坐标：

点5：物坐标：x₅＝ε-δ₁,y₅＝0,z₅＝-h；像坐标：

点6：物坐标：x₆＝ε-δ₁+d₂＝ε+d₁-δ₂,y₆＝0,z₆＝-h

像坐标：

又有，2条激光平行线在工件表面沿x方向的物距离和像距离分别为：

物距离：

或

像距离：

或

2条平行激光线在焊接坡口底部(z＝-h)沿x方向的物距离和像距离分别为：

物距离：

像距离：

激光线1在焊接坡口底部的点5与焊接坡口边缘的点1和点3之间沿x方向的物距离和像距离分别为：

物距离：δ₁＝δ_5-1＝x₁-x₅＝htanα，或δ₁＝δ_5-3＝x₃-x₅＝htanα

像距离：

或

激光线2在焊接坡口底部的点6与焊接坡口边缘的点2和点4之间沿x方向的物距离和像距离分别为：

物距离：δ₂＝δ_6-2＝x₂-x₆＝htanα，或δ₂＝δ_6-4＝x₄-x₆＝htanα

像距离：

或

由上述各式可以求出工业CCD相机1的焦点与工件表面之间的高度为：

工业CCD相机1的焦点与焊接坡口底部之间的高度为：

由上述各式可求出焊枪200高度(导电嘴末端至电弧末端或焊接坡口底部的高度)为：

上式为焊枪200的中心轴线和工业CCD相机1的光轴与工件表面垂直、且均与焊接坡口中心线相交情况下的焊枪200高度信息检测算法之一。在已知工业CCD相机1焦距f、十字线激光器4a的中心轴线与一字线激光器4b的中心轴线之间的距离D₂、激光器4中心轴线与工业CCD相机1的光轴之间的夹角α、工业CCD相机1的焦点和焊枪200导电嘴末端的距离H₀时，即可由图像处理获得的特征点(激光线折弯点)6和5在工业CCD相机1拍摄的图像上的x坐标值x′₆和x′₅计算确定。

另外，投影在工件上的激光线1偏离物坐标系原点O的距离为：

由此，也可求出工业CCD相机1的焦点与工件表面的距离为：

工业CCD相机1焦点与焊接坡口底部的距离为：

或

或

由上述各式也可求出焊枪200高度(导电嘴末端至电弧末端或焊接坡口底部的高度)为：

上式为焊枪200的中心轴线和工业CCD相机1的光轴与工件表面垂直、且均与焊接坡口中心线相交情况下的焊枪200高度信息检测算法之一。在已知工业CCD相机1焦距f、十字线激光器4a的中心轴线与一字线激光器4b的中心轴线之间的距离D₂、激光器4中心轴线与工业CCD相机1的光轴之间的夹角α、工业CCD相机1的焦点和焊枪200导电嘴末端的距离H₀时，即可由图像处理获得的特征点(激光线折弯点)5在工业CCD相机1拍摄的图像上的x坐标值x′₅计算确定。

示例2：V型焊接坡口尺寸信息检测：

如图3所示，由上文分析可获得焊枪200的中心轴线和工业CCD相机1的光轴与工件表面垂直、且均与焊接坡口中心线相交情况下对V型坡口的深度(h)、宽度(b1、b2和B)和角度(ω₁、ω₂和ω)的相关检测算法如下。

V形坡口深度(h)为：

或

V形焊接坡口宽度(b1、b2和B)为：

或

或

或

V型焊接坡口角度(ω₁、ω₂和ω)为：

或

或

或

上述各式为焊枪200的中心轴线和工业CCD相机1的光轴与工件表面垂直、且均与焊接坡口中心线相交情况下对V型坡口的深度(h)、宽度(b1、b2和B)和角度(ω₁、ω₂和ω)的检测算法。在已知工业CCD相机1焦距f、十字线激光器4a的中心轴线与一字线激光器4b的中心轴线之间的距离D₂、激光器4中心轴线与或工业CCD相机1的光轴间的夹角α时，即可由图像处理获得的特征点(激光线折弯点)1-6在工业CCD相机1拍摄的图像上的坐标值(x_i′,y_i′)(i＝1,2,…,6)计算确定。

示例3：焊枪200与焊接坡口横向位置偏差和焊枪200运动方向与焊接坡口中心线角度偏差检测(实现焊缝引导与跟踪功能)：

如图4所示，焊枪200的中心轴线和工业CCD相机1的光轴与工件表面垂直，但焊枪200运动方向与理论焊接位置(如焊接坡口中心线)同时存在横向偏差和角度偏差，物坐标系为OXYZ，原点O为工业CCD相机1的光轴与工件上表面OXY的交点，Z轴为CCD相机的光轴，相机焦点到物坐标平面OXY的距离为H，焊枪200的中心轴线运动方向与焊接坡口中心线的横向偏差为e，焊枪200的中心轴线前进方向与焊接坡口中心线的夹角为γ₁；像坐标系为O’X’Y’Z’，原点O’为工业CCD相机1的光轴与像平面O’X’Y’的交点，工业CCD相机1焦点到像坐标平面O’X’Y’的距离为焦距f。

工业CCD相机1参数和各部分几何参数如下所示：

CCD相机：

焦距f＝6mm；

后焦距f_r＝17.526mm；

CCD尺寸：1/1.8”

视场角θ：61.9°*48.4°

结构尺寸：

H₀：CCD相机的焦点与导电嘴前端高度

D₀：CCD相机的光轴与焊枪200的中心轴线的距离

D₁：CCD相机的焦点与十字线激光器4a的中心轴线的垂直距离

D₂：十字线激光器4a的中心轴线与一字线激光器4b的轴线的间距

α：激光器4的中线轴线与CCD相机光轴的夹角

根据成像原理，分别确定图4中的特征点1至点8的物坐标和像坐标。

点1：

物坐标：

像坐标：

点2：

物坐标：

像坐标：

点3：

物坐标：x₃＝ε，

像坐标：

点4：

物坐标：

像坐标：

点5：

物坐标：

像坐标：

点6：

物坐标：

像坐标：

点7：

物坐标：

像坐标：

点8：

物坐标：

像坐标：

又有，2条激光平行线在工件表面沿x方向的物距离和像距离分别为：

物距离：

或

像距离：

或

2条平行激光线在焊接坡口底部(z＝-h)沿x方向的物距离和像距离分别为：

物距离：

像距离：

2条平行激光线在纵向激光线上沿x方向的物距离和像距离分别为：

物距离：

像距离：

激光线1在焊接坡口底部的点5与焊接坡口边缘的点1和点3之间沿x方向的物距离和像距离分别为：

物距离：δ₁＝δ_5-1＝x₁-x₅＝htgα

像距离：

物距离：δ₁＝δ_5-3＝x₃-x₅＝htgα

像距离：

激光线2在焊接坡口底部的点6与焊接坡口边缘的点2和点4之间沿x方向的物距离和像距离分别为：

物距离：δ₂＝δ_6-2＝x₂-x₆＝htgα

像距离：

物距离：δ₂＝δ_6-4＝x₄-x₆＝htgα

像距离：

激光线1在纵向激光线上的点7与焊接坡口边缘的点1和点3之间沿x方向的物距离和像距离分别为：

物距离：

像距离：

物距离：

像距离：

激光线2在纵向激光线上的点8与焊接坡口边缘的点2和点4之间在x方向的物距离和像距离分别为：

物距离：

像距离：

物距离：

像距离：

从而有，工业CCD相机1焦点与工件表面的距离为：

或

工业CCD相机1焦点与焊接坡口底部的距离为：

由上述各式可求出焊枪200高度(导电嘴末端至电弧末端或焊接坡口底部的高度)为：

上式为焊枪200的中心轴线和工业CCD相机1的光轴与工件表面垂直，但焊枪200运动方向线与理论焊接位置(如焊接坡口中心线)同时存在横向偏差和角度偏差时的焊枪200高度信息检测算法。在已知工业CCD相机1焦距f、十字线激光器4a的中心轴线与一字线激光器4b的中心轴线之间的距离D₂、激光器4中心轴线与工业CCD相机1的光轴之间的夹角α、工业CCD相机1的焦点和焊枪200导电嘴末端的距离H₀时，即可由图像处理获得的特征点(激光线折弯点)6和5在工业CCD相机1拍摄的图像上的x坐标值x′₆和x′₅计算确定。

该检测算法与焊枪200的中心轴线和工业CCD相机1的光轴与工件表面垂直、且均与焊接坡口中心线相交情况下的焊枪200高度信息检测算法完全一致。换句话说，在焊枪200的中心轴线和工业CCD相机1的光轴与工件表面垂直的情况下，焊枪200高度信息检测算法与焊枪200运动方向线和理论焊接位置(如焊接坡口中心线)之间是否存在横向偏差和角度偏差无关。

由上述格式可求出V型焊接坡口深度(h)为：

或

上式为焊枪200的中心轴线和工业CCD相机1的光轴与工件表面垂直，但焊枪200运动方向线与理论焊接位置(如焊接坡口中心线)同时存在横向偏差和角度偏差时的V型焊接坡口深度(h)检测算法。在已知工业CCD相机1焦距f、十字线激光器4a的中心轴线与一字线激光器4b的中心轴线之间的距离D₂、激光器4中心轴线与或工业CCD相机1的光轴间的夹角α时，即可由图像处理获得的特征点(激光线折弯点)1-6在工业CCD相机1拍摄的图像上的坐标值(x_i′,y_i′)(i＝1,2,…,6)计算确定。

该检测算法与焊枪200的中心轴线和工业CCD相机1的光轴与工件表面垂直、且均与焊接坡口中心线相交情况下的V型焊接坡口深度(h)检测算法也完全一致。换句话说，在焊枪200的中心轴线和工业CCD相机1的光轴与工件表面垂直的情况下，V型焊接坡口深度(h)检测算法与焊枪200运动方向线和理论焊接位置(如焊接坡口中心线)之间是否存在横向偏差和角度偏差无关。

焊枪200的中心轴线运动方向线与焊接坡口中心线的夹角为：

或

或

上式为焊枪200的中心轴线和工业CCD相机1的光轴与工件表面垂直时，焊枪200的中心轴线运动方向与焊接坡口中心线的角度偏差检测算法。只要由图像处理获得的特征点(激光线折弯点)1-6在工业CCD相机1拍摄的图像上的坐标值(x_i′,y_i′)(i＝1,2,…,6)，即可由上式计算确定。而与工业CCD相机1焦距f、十字线激光器4a的中心轴线与一字线激光器4b的中心轴线之间的距离D₂、激光器4中心轴线与或工业CCD相机1的光轴间的夹角α、工业CCD相机1焦点和焊枪200导电嘴末端的距离H₀等参数无关，也与焊枪200运动方向线与理论焊接位置(如焊接坡口中心线)是否存在横向偏差无关。

进一步，V型焊接坡口的宽度(b1、b2和B)为：

或

V型焊接坡口的角度(ω₁、ω₂和ω)为：

上述各式为焊枪200的中心轴线和工业CCD相机1的光轴与工件表面垂直，且焊枪200运动方向线与理论焊接位置(如焊接坡口中心线)同时存在横向偏差和角度偏差时的V型焊接坡口宽度(b1、b2和B)和坡口角度(ω₁、ω₂和ω)的检测算法。该检测算法不仅与图像处理获得的特征点(激光线折弯点)1-6在工业CCD相机1拍摄的图像上的坐标值(x_i′,y_i′)(i＝1,2,…,6)、工业CCD相机1焦距f、十字线激光器4a的中心轴线与一字线激光器4b的中心轴线之间的距离D₂、激光器4中心轴线与或工业CCD相机1的光轴间的夹角α有关，而且与焊枪200运动方向线与理论焊接位置(如焊接坡口中心线)之间的角度偏差(γ₁)有关，但与理论焊接位置(如焊接坡口中心线)是否存在横向偏差(e)无关。

焊枪200的中心轴线与焊接坡口中心线的横向偏差(e)为：

上式为焊枪200的中心轴线和工业CCD相机1的光轴与工件表面垂直时，焊枪200的中心轴线与焊接坡口中心线的横向偏差检测算法。在已知焊枪200的中心轴线和工业CCD相机1的光轴之间的距离D0、十字线激光器4a的中心轴线与一字线激光器4b的中心轴线之间的距离D₂、激光器4中心轴线与或工业CCD相机1的光轴间的夹角α时，在由图像处理获得的特征点(激光线折弯点)1-6在工业CCD相机1拍摄的图像上的坐标值(x_i′,y_i′)(i＝1,2,…,6)计算获得焊枪200运动方向线与理论焊接位置(如焊接坡口中心线)之间的角度偏差(γ₁)之后，可由上述检测算法获得焊枪200的中心轴线与理论焊接位置(如焊接坡口中心线)的横向偏差(e)。

经图像处理和相关检测算法计算得到焊枪200的中心轴线及其运动方向与焊接坡口中心线的横向偏差(e)和角度偏差(γ₁)之后，将横向偏差(e)和角度偏差(γ₁)参数传递给焊接机器人控制器，由机器人控制系统控制机器人进行横向和角度偏差(e和γ₁)补偿，形成闭环控制，实现对焊缝的引导和跟踪功能。

综上所述：本实施例的多功能视觉传感器装置100具有以下功能：

(1)能够实现焊接坡口截面尺寸检测，如焊接坡口的宽度、深度、夹角、坡口形状；

(2)实现焊枪200与焊接坡口横向位置偏差和焊枪200运动方向与焊接坡口中心线方向的角度偏差的检测，进而实现焊缝引导与跟踪功能，如针对直焊缝、斜焊缝的跟踪。

(3)能够检测出焊枪200与初始安装高度之间的移动距离，配合机器人控制系统可以实现焊枪200在运动过程中的高度控制。

由上述三个示例可知，本发明实施例的基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置100通过图像处理并与机器人控制系统进行信息融合，可以辅助焊接机器人实现轨迹规划、焊枪200高度的检测和控制、焊接坡口尺寸及其与焊枪200的偏差信息检测、焊缝导引和跟踪等多种功能，可以提高机器人焊接的高效性和智能性。通过信息融合可以实现控制系统的闭环控制，从而提高机器人的焊接精度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置，其特征在于，所述多功能视觉传感器装置包括：

固定座，所述固定座适于与焊枪相连；

激光器，所述激光器设在所述固定座上，以向所述焊枪实施焊接过程的待焊工件表面和焊接坡口投射激光线，所述激光器包括十字线激光器和一字线激光器，所述一字线激光器向待焊工件表面和焊接坡口投射一字激光线，所述十字线激光器向待焊工件表面和焊接坡口投射十字激光线；

所述一字线激光器投射至焊接坡口的一字激光线和所述十字线激光器投射至焊接坡口的十字激光线，在焊接坡口的边缘和底部产生弯折点；

所述十字线激光器的中心轴线与所述一字线激光器的中心轴线相平行；所述十字线激光器投射在待焊工件表面的十字激光线的一条与所述一字线激光器投射在待焊工件表面的一字激光线平行，十字激光线的另一条与一字激光线垂直，并产生交点；

所述十字线激光器在工件表面投射的十字激光线中的一条与所述一字线激光器在工件表面投射的一字激光线平行，在所述焊枪与待焊工件表面高度变化时，二条平行激光线之间的距离保持不变；

工业CCD相机，所述工业CCD相机与所述固定座相连以拍摄所述焊枪实施焊接过程的焊接坡口及所述激光器投射在工件表面和焊接坡口的激光线；

工业镜头，所述工业镜头设在所述工业CCD相机的镜头前端以调节所述工业CCD相机的光学参数；

所述工业CCD相机的光轴、所述工业镜头的光轴与所述焊枪的中心轴线相平行；

辅助相机，所述辅助相机与所述固定座相连以辅助拍摄所述焊枪实施焊接过程的电弧及熔池临近区域；

所述工业CCD相机的光轴、所述工业镜头的光轴、所述辅助相机的光轴及所述激光器的中心轴线均与所述焊枪的中心轴线共面；

所述工业CCD相机、所述工业镜头、所述辅助相机及所述激光器均位于所述焊枪的前进方向，工件的待焊接侧；

在所述焊枪的前进方向上，所述工业CCD相机、所述辅助相机和所述激光器依次设置；

所述辅助相机的光轴与所述激光器的中心轴线相平行，所述辅助相机向下拍摄，在由下到上的方向上，所述辅助相机的光轴朝向远离所述焊枪的方向倾斜；

所述激光器的中心轴线也朝向远离焊枪的方向倾斜，且倾斜角度为固定值；所述工业CCD相机的焦点至所述十字线激光器的中心轴线的距离为固定值；所述十字线激光器的中心轴线与所述一字线激光器的中心轴线之间的距离也为固定值；

多功能视觉传感器装置还包括：

减光系统，所述减光系统设在所述工业镜头及所述辅助相机的镜头上；

滤光系统，所述滤光系统设在所述工业镜头上；所述滤光系统包括：波长650nm，半带宽8nm的窄带滤光片；

多功能视觉传感器装置还包括：

第一调整组件，所述第一调整组件设在所述固定座上，所述第一调整组件与所述工业镜头相连以调整所述工业镜头的光轴的空间位置；

第二调整组件，所述第二调整组件设在所述固定座上，所述第二调整组件与所述激光器相连以调整所述激光器的中心轴线的空间位置；

所述第一调整组件包括：

第一调整环，所述第一调整环设在所述固定座上且外套在所述工业镜头上；

多个第一调整螺栓，所述多个第一调整螺栓分别螺纹连接在所述第一调整环上，每个所述第一调整螺栓的端部可止抵在所述工业镜头上；

所述第二调整组件包括：

第二调整环，所述第二调整环设在所述固定座上且外套在所述激光器上；

多个第二调整螺栓，所述多个第二调整螺栓分别螺纹连接在所述第二调整环上，每个所述第二调整螺栓的端部可止抵在所述激光器上；

多功能视觉传感器装置还包括防飞溅挡板，所述防飞溅挡板适于设在所述焊枪和所述工业镜头之间。

2.根据权利要求1所述的基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置，其特征在于，采用所述十字线激光器与所述一字线激光器组合投射的方案，在所述工业CCD相机拍摄焊接坡口及所述激光器投射在工件表面和焊接坡口的激光线图像、并通过图像处理获得投射至工件表面和焊接坡口的激光线的特征点的图像坐标后，结合所述多功能视觉传感器装置的内部固有结构参数和安装参数，采用基于三角测量原理的检测算法，可以同时实现所述焊枪的高度检测、焊接坡口的截面尺寸参数检测、所述焊枪的中心轴线及其运动方向与焊接坡口中心线的横向偏差和角度偏差检测功能，进而通过闭环反馈控制，可以实施所述焊枪的高度控制、所述焊枪相对于焊接坡口的横向和角度偏差补偿，以实现对焊枪的引导和焊缝的跟踪；

所述投射至工件表面和焊接坡口的激光线的特征点包括：

所述十字激光线与所述一字激光线的交点，包括所述十字激光线自身的中心交点、所述十字激光线中与所述一字激光线垂直的激光线和所述一字激光线的交点；

所述十字激光线与所述一字激光线在焊接坡口边缘和底部的弯折点；

所述多功能视觉传感器装置的内部固有结构参数包括：

所述工业CCD相机的焦点与所述十字线激光器的中心轴线间的距离；

所述十字线激光器的中心轴线与所述一字线激光器的中心轴线之间的距离；

所述工业CCD相机的焦距；

所述激光器的中心轴线与工业CCD相机的光轴之间的夹角；

所述多功能视觉传感器装置的安装参数包括：

所述多功能视觉传感器装置在焊枪上安装后，所述工业CCD相机的焦点与所述焊枪的导电嘴前端之间的距离；

所述工业CCD相机的光轴与所述焊枪的中心轴线间的距离。

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