CN108311835A - 一种基于视觉测量的动态焊接机械臂系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于视觉测量的动态焊接机械臂系统。它包括控制系统(工控机)、动态监测模块、精确预测模块、机械臂、焊枪和生产线，控制系统分别与动态监测模块、精确预测模块、机械臂和生产线用数据线连接，生产线为移动生产线，生产线上设传送带，传送带上设待焊接工件，机械臂的末端设焊枪；动态监测模块与精确预测模块组合设置，动态监测模块包括全局相机，全局相机固定设在生产线的上方；精确预测模块包括手眼相机，手眼相机固定设在机械臂的轴上。它能够快速的计算出零部件、生产线、机械臂、焊枪等部件之间的空间位姿关系，形成基于三维位姿的视觉闭环控制系统；能够快速准确地完成动态焊接工作任务，从而大幅度地提高生产效率。

Description

一种基于视觉测量的动态焊接机械臂系统
技术领域
本发明涉及一种基于视觉测量的动态焊接机械臂系统。
背景技术
机械臂是"ROBOT"一词的中文译名。根据国家标准，工业机械臂定义为“其操作机是自动控制的，可重复编程、多用途，并可以对3个以上轴进行编程。它可以是固定式或者移动式。在工业自动化应用中使用”。操作机又定义为“是一种机器，其机构通常由一系列相互铰接或相对滑动的构件所组成。它通常有几个自由度，用以抓取或移动物体(工具或工件)”。所以对工业机械臂可能理解为：拟人手臂、手腕和手功能的机械电子装置；它可把任一物件或工具按空间位姿(位置和姿态)的时变要求进行移动，从而完成某一工业生产的作业要求。如夹持焊钳或焊枪，对汽车或摩托车车体进行了点焊或弧焊；搬运压铸或冲压成型的零件或构件；进行激光切割、喷涂装配机械零部件等等。焊接机械臂，它又可分为点焊和弧焊两类。工业机械人(Industrial Robots)简称为IR，它们大多为简单的操作设备，有时会被称为机械臂，例如:进行简单的提起或放下动作，在机器内放入或取出工件等。不过，亦有不少工业机械人可以完全用程序控制，并可进行不同类型工作，例如:寻找，运输，握取，对准，装配，检验等动作。为了明确地描述工业机械人，美国机械人协会在1979年将机械人定义为一个可用程式控制，多功能的操作器，它透过程序控制和多变化的动作设计来移动材料，工件，工具或特别设备，以完成一连串的工作。所以，虽然许多工业机械人并非有人的形态，但只要它们符合机械人的定义，便可以称为机械人。工业机械人虽然已被广泛应用在多种制造行业内，但估计在不久将来还会有数以十万计的工业机械人投入服务。现时，不少研究人员正为机械人研究如何加入视觉和感觉，令机械人可以完成更复杂的工作。而研究机械人的学问称为机械人学。在中国发明专利说明书CN104476549B中公开了一种利用视觉测量对机械臂运动路径补偿的方法，用于视觉引导机械臂的运动。该方法通过视觉测量识别机械臂、航天器、待装位置三者位置与理论模型中理论位置存在差异，补偿机械臂路径规划偏差，达到安全进出狭小空间的控制效果，满足航天器高精度高可靠性的装配需求。采用这种方法，可以对航天器实际位置与理想模型理论位置间存在误差进行识别，对机械臂运动路径进行补偿，使位置及路径控制更为精确，达到安全进出狭小空间的控制效果。目前，基于视觉引导的机械臂很多，在工业中应用也很广泛。但其存在的主要问题是：(1)目标必须静止，机械臂运动至目标位置；(2)缺少全局意识，对机械臂运动过程中的实时状态没有监测；(3)根据单次测量结果，直接引导机械臂到特定位置，进行操作，不考虑由远及近的过程中，测量精度的变化。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题在于提供一种基于视觉测量的动态焊接机械臂系统。它能够快速的计算出零部件、生产线、机械臂、焊枪等部件之间的空间位姿(三维位置和姿态)关系，并将该数据用作机械臂控制的输入量，形成基于三维位姿的视觉闭环控制系统；可以根据目标运动进行操作，避免了生产线上传送带的频繁停止和启动，能够快速准确地完成动态焊接工作任务，从而大幅度地提高生产效率。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于视觉测量的动态焊接机械臂系统。它包括控制系统(工控机)、动态监测模块、精确预测模块、机械臂、焊枪和生产线，控制系统分别与动态监测模块、精确预测模块、机械臂和生产线用数据线连接，控制系统用于控制机械臂和生产线动作；生产线为移动生产线，用于移动待焊接工件，生产线上设传送带，传送带上设待焊接工件，机械臂的末端设焊枪；动态监测模块与精确预测模块组合设置，动态监测模块用于待焊工件的识别和粗定位并动态监测，包括全局相机，全局相机固定设在生产线的上方；精确预测模块用于待焊工件的焊点的精确预测、引导并做相应操作，包括手眼相机，手眼相机固定设在机械臂的轴上。
所述动态监测模块最好是通过全局相机支架固定设在生产线的上方，并进行待焊工件的识别和粗定位，根据识别到的待焊工件类型，确定待焊工件上的焊点位置，并对待焊工件尺寸、工件位置和朝向、生产线的运动速度、加速度等进行初步计算，引导机械臂到合适的焊接位置；同时，在焊接过程中，实时计算焊枪末端和待焊工件之间的相对关系，对焊接过程和焊接质量进行动态监测；通过焊接过程的监测，避免可能出现的异常干扰，从而提高生产效率和安全性。
所述精确预测模块最好是通过手眼相机支架固定设在机械臂的轴上，负责进行焊点的精确定位，并对工件上的焊点位置和生产线的运动状态进行精确预测，引导机械臂上焊枪末端运动至最佳的焊接位置，从而对待焊工件的焊点进行动态焊接操作。
通过所述动态监测模块与精确预测模块的组合设置，即通过全局相机和手眼相机的协作，对待焊工件的运动状态进行精确预测，从而对焊枪末端的运动进行动态规划，保证焊枪末端始终处于最佳的焊接位置，从而快速准确地完成对待焊工件的动态焊接操作。
所述机械臂为工业机械臂，所述机械臂上设机械臂控制器，机械臂的底座固定，有6个运动轴，运动轴均通过数据线连接至机械臂控制器。机械臂控制器通过发送6个轴各自的转动角度，控制机械臂6轴的转动，可以使机械臂末端以特定指向到达空间中的特定位置。机械臂末端的位置和指向，由机械臂6个轴各自的转动角度确定，在运动过程中不断进行动态调整。实践表明，当目标运动速度小于200mm/s时，机械臂可以完成动态待焊工件(目标)追踪，从而保证各种操作的精确、高效执行。
所述机械臂控制器通过数据交换机与控制系统(工控机)最好是通过数据线相连接，机械臂控制器最好是通过数据线与数据交换机相连接。
与现有技术相比，本发明产生的有益效果是：由于采用了上述系统，使用时，该基于视觉测量的动态焊接机械臂系统能够快速的计算出零部件、生产线、机械臂、焊枪等部件之间的空间位姿(三维位置和姿态)关系，并将该数据用作机械臂控制的输入量，形成基于三维位姿的视觉闭环控制系统；可以根据目标运动进行操作，避免了生产线上传送带的频繁停止和启动，能够快速准确地完成动态焊接工作任务，从而大幅度地提高生产效率。
附图说明
图1为本发明工作原理结构示意图；
图2为本发明局部结构示意图；
图中：1动态监测模块、10全局相机、11全局相机支架、2精确预测模块、20手眼相机、21手眼相机支架、3控制系统(工控机)、4数据交换机、5机械臂、6焊枪、7待焊工件和8生产线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1和图2示出了本发明工作原理图和局部结构示意图。如图1所示，本发明提供了一种基于视觉测量的动态焊接机械臂系统。它包括控制系统3(工控机)、动态监测模块1、精确预测模块2、机械臂5、焊枪6和生产线8，控制系统3分别与动态监测模块1、精确预测模块2、机械臂5和生产线8用数据线连接，控制系统3用于控制机械臂5和生产线8动作；生产线8为移动生产线8，用于移动待焊接工件，生产线8上设传送带，传送带上设待焊接工件，机械臂5的末端设焊枪6；动态监测模块1与精确预测模块2组合设置，动态监测模块1用于待焊工件7的识别和粗定位并动态监测，包括全局相机10，全局相机10固定设在生产线8的上方；精确预测模块2用于待焊工件7的焊点的精确预测、引导并做相应操作，包括手眼相机20，手眼相机20固定设在机械臂5的轴(第四轴)上。所述动态监测模块1最好是通过全局相机支架11固定设在生产线8的上方，并进行待焊工件7的识别和粗定位，根据识别到的待焊工件7类型，确定待焊工件7上的焊点位置，并对待焊工件7尺寸、工件位置和朝向、生产线8的运动速度、加速度等进行初步计算，引导机械臂5到合适的焊接位置；同时，在焊接过程中，实时计算焊枪6末端和待焊工件7之间的相对关系，对焊接过程和焊接质量进行动态监测；通过焊接过程的监测，避免可能出现的异常干扰，从而提高生产效率和安全性。所述精确预测模块2最好是通过手眼相机支架21固定设在机械臂5的轴(第四轴)上，负责进行焊点的精确定位，并对工件上的焊点位置和生产线8的运动状态进行精确预测，引导机械臂5上焊枪6末端运动至最佳的焊接位置，从而对待焊工件7的焊点进行动态焊接操作。通过所述动态监测模块1与精确预测模块2的组合设置，即通过全局相机10和手眼相机20的协作，对待焊工件7的运动状态进行精确预测，从而对焊枪6末端的运动进行动态规划，保证焊枪6末端始终处于最佳的焊接位置，从而快速准确地完成对待焊工件7的动态焊接操作。所述机械臂5为工业机械臂5，所述机械臂5上设机械臂5控制器，机械臂5的底座固定，有6个运动轴，运动轴均通过数据线连接至机械臂5控制器。机械臂5控制器通过发送6个轴各自的转动角度，控制机械臂56轴的转动，可以使机械臂5末端以特定指向到达空间中的特定位置。机械臂5末端的位置和指向，由机械臂5的6个轴各自的转动角度确定，在运动过程中不断进行动态调整。实践表明，机械臂5末端最大运动速度为200mm/s。当目标运动速度小于200mm/s时，机械臂5可以完成动态待焊工件7(目标)追踪，从而保证各种操作的精确、高效执行。所述机械臂5控制器通过数据交换机4与控制系统3(工控机)最好是通过数据线相连接，机械臂5控制器最好是通过数据线与数据交换机4相连接。
该基于视觉测量的动态焊接机械臂系统三维位置和姿态关系通过视觉测量算法计算得到，6自由度中前3个为三维位置Τ＝(Tx,Ty,Tz)T，后3个为三维姿态R＝[R1 R2 R3]T。计算公式为：
其中，(x,y)为图像坐标，通过图像处理得到，为三维坐标，通过工件模型得到，f为相机焦距，由相机镜头决定。
引入尺度因子s＝f/Tz，可得：
求解上述方程组，可得sR1、sR2、sTx、sTy，从而最终求得6自由度结果：
R1＝(sR1)/s，R2＝(sR2)/s，R3＝R1×R2
Tx＝(sTx)/s，Ty＝(sTy)/s，Tz＝(sTz)/s
该基于视觉测量的动态焊接机械臂系统，使用时，能够快速的计算出零部件、生产线8、机械臂5、焊枪6等部件之间的空间位姿(三维位置和姿态)关系，并将该数据用作机械臂5控制的输入量，形成基于三维位姿的视觉闭环控制系统3；可以根据目标运动进行操作，避免了生产线8上传送带的频繁停止和启动，能够快速准确地完成动态焊接工作任务，从而大幅度地提高生产效率。传统工业生产线8的操作模式要求目标或工件必须完全静止或者匀速运动，然后机械臂5根据预先设定的运动轨迹才能进行相应的操作。而该基于视觉测量的动态焊接机械臂5系统则可以通过实时监测目标三维位置和姿态、实时规划机械臂5焊枪6末端运动方式、实时分析机械臂5焊枪6末端和待焊工件7(目标)的相对位置，可以根据目标运动进行操作，避免了生产线8上传送带的频繁停止和启动，大幅度提高生产效率；同时，由于基于视觉的动态测量功能的加入，使工件可以在传送带上任意运动，而不再需要特定的工装或夹具进行精确定位固定，使无夹具生产线8成为可能，在降低生产成本的同时，显著提高生产线8的智能化水平和柔性生产能力。该基于视觉测量的动态焊接机械臂5系统的全局相机10和手眼相机20的布局模式，相辅相成，共同完成焊枪6工作任务。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以对其做出种种变化。

Claims (5)

1.一种基于视觉测量的动态焊接机械臂系统，它包括控制系统、动态监测模块、精确预测模块、机械臂、焊枪和生产线，控制系统分别与动态监测模块、精确预测模块、机械臂和生产线用数据线连接，控制系统用于控制机械臂和生产线动作；生产线为移动生产线，用于移动待焊接工件，生产线上设传送带，传送带上设待焊接工件，机械臂的末端设焊枪；其特征在于：所述动态监测模块与精确预测模块组合设置，动态监测模块用于待焊工件的识别和粗定位并动态监测，包括全局相机，全局相机固定设在生产线的上方；精确预测模块用于待焊工件的焊点的精确预测、引导并做相应操作，包括手眼相机，手眼相机固定设在机械臂的轴上。
2.如权利要求1所述的基于视觉测量的动态焊接机械臂系统，其特征在于：所述动态监测模块通过全局相机支架固定设在生产线的上方，并进行待焊工件的识别和粗定位，根据识别到的待焊工件类型，确定待焊工件上的焊点位置，并对待焊工件尺寸、工件位置和朝向、生产线的运动速度、加速度等进行初步计算，引导机械臂到合适的焊接位置。
3.如权利要求1所述的基于视觉测量的动态焊接机械臂系统，其特征在于：所述精确预测模块通过手眼相机支架固定设在机械臂的轴上，负责进行焊点的精确定位，并对工件上的焊点位置和生产线的运动状态进行精确预测，引导机械臂上焊枪末端运动至最佳的焊接位置。
4.如权利要求1所述的基于视觉测量的动态焊接机械臂系统，其特征在于：所述机械臂为工业机械臂，所述机械臂上设机械臂控制器，机械臂的底座固定，有6个运动轴，运动轴均通过数据线连接至机械臂控制器。
5.如权利要求1所述的基于视觉测量的动态焊接机械臂系统，其特征在于：所述机械臂控制器通过数据交换机与控制系统通过数据线相连接，机械臂控制器通过数据线与数据交换机相连接。
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