CN108453439A - 基于视觉传感的机器人焊接轨迹自主编程系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于视觉传感的机器人焊接轨迹自主编程系统及方法，可广泛应用于自动化焊接领域。本发明首先利用视觉扫描方法得到待焊工件外观的三维模型；然后通过扫描数据的预处理和点云拟合，得到特征面；之后通过特征面交线得到待焊路径的方程，自动生成焊接轨迹。本发明能够实现焊接免示教编程，较之现有的在线示教方法有明显优势，对不同形状特征的工件有较强适应性，达到生产实际的柔性要求，避免人机联混作业，提高生产效率和安全性。

Description

基于视觉传感的机器人焊接轨迹自主编程系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于视觉传感的机器人焊接轨迹自主编程系统及方法，可广泛应用于自动化焊接领域。

背景技术

随着制造业自动化智能化程度的日益提升，机器人焊接受到了越来越广泛的关注，在焊前对焊接机器人末端夹持的焊枪位置、姿态、移动速度、运动轨迹等进行规划，在实施焊接作业时重复所记忆的运动路径，保证焊接质量。

目前焊接机器人轨迹规划的方法主要有离线编程和在线示教两种：离线编程是通过精确的机器人模型、工具坐标系和工件坐标系模型，实现基于CAD模型生成的实际加工路径规划，对机器人标定、工装精度、加工环境标定等都有极高的精度要求，在实际生产中难以实现；在线示教是由工人操作机器人末端沿实际焊接轨迹运动，逐点记录机器人轨迹，并在施焊时重复所记录的轨迹，即可实现准确的焊接，虽能够保障精度，不受机器人模型和工件模型的影响，但示教耗时长、技术门槛高，导致效率低下，焊接环节无法与其余自动化生产环节有效接续，大大影响了整条产线的自动化程度，且无法避免人机联混作业，不利于安全生产。

公告号为CN102135776B的发明专利提出了一种在机器人末端安装发光标志物的方法，通过多个摄像机拍摄得到发光标志点图像进行计算，得出发光标志点在焊接轨迹各个位置的精确坐标，继而得到焊接轨迹。公开号为CN106625689A的发明专利提出了一种在虚拟空间对机器人进行自动编程并通过自动避障和手动调节进行轨迹调整的方法。前者实质是一种在线示教的方法，需要人为移动标志物进行逐点示教，并需要操作工人在机器人工作空间内停留。后者虽能解决机器人运动轨迹与加工环境、加工工件干涉的问题，但仍然是基于精确模型生成机器人运动轨迹，精度受到实际生产条件的影响。现有的焊接机器人轨迹生成方法，尚难以满足效率和精度的双重要求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于视觉传感的机器人焊接轨迹免示教自主编程系统及方法，实现复杂空间焊缝的焊接轨迹自主生成。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于视觉传感的机器人焊接轨迹自主编程系统，包括：工业机器人手持操作面板1、工业机器人控制器2、工业机器人3、视觉传感装置4、加工台5、待焊工件6、处理器7、计算机8，工业机器人3上装设有末端执行器9、视觉传感装置4，视觉传感装置4位于待焊工件6上方，用于对待焊工件6沿固定轨迹扫描；待焊工件6放置在加工台5上。工业机器人手持操作面板1输出控制工业机器人控制器2，工业机器人控制器2控制工业机器人3动作；视觉传感装置4与处理器7连接。所述工业机器人控制器2、处理器7均与计算机8连接。

为实现上述目的，本发明还采取以下技术方案：一种基于视觉传感的机器人焊接轨迹自主编程方法，包括以下步骤：

系统标定：对工业机器人DH参数进行标定确定机器人基坐标系，对工业机器人末端执行器TCP进行标定确定机器人末端坐标系，继而得到机器人基坐标系与机器人末端坐标系之间的转换矩阵[R(δ),T(δ)]，以及TCP在机器人末端坐标系中的坐标[L_x,L_y,L_z]。TCP在机器人基坐标系中的位置坐标可根据[R(δ),T(δ)]·[L_x,L_y,L_z,1]^T计算得到；

视觉扫描：根据扫描程序由工业机器人3夹持视觉传感装置4在待焊工件6上方沿固定轨迹进行扫描，得到待焊工件6表面多个离散点组成的点云；

特征面拟合：根据所得到的点云，利用霍夫变换方法进行特征面拟合，得到两个特征面在工业机器人3基坐标系中的方程s₁(x,y,z)、s₂(x,y,z)。所述特征面的形状能够用方程描述，如平面、锥面或圆柱面等；

交线提取：联立两个特征面方程，解得两特征面交线的方程，作为待焊焊缝所在的方程l₁₂(x,y,z)；

轨迹生成：通过点云的坐标区间，将两特征面交线上离点云坐标区间上下限最近的点作为待焊焊缝起止点的粗定位结果，根据两特征面交线的方程l₁₂(x,y,z)，通过插补生成起止点之间的机器人焊接轨迹，满足[R(δ_i),T(δ_i)]·[L_x,L_y,L_z,1]^T＝l₁₂(x_i,y_i,z_i)；

焊缝起止点确定：沿待焊焊缝所在的直线，在起止点粗定位结果附近进行起止点寻位，确定焊缝起止点位置。

本发明具有以下优点：

1、利用视觉扫描方法得到待焊工件外观的三维模型，通过扫描数据的预处理和点云拟合，得到特征平面或特征曲面，能够适应不同形状和尺寸的工件，有利于提高制造柔性。

2、通过计算特征平面或特征曲面的交线自动生成焊接轨迹，并通过机器人逆运动学得到机器人各关节运动轨迹，实现免示教，提高编程效率。

3、全程无需工人在机器人工作空间内进行操作，避免人机联混作业，为安全生产提供有力保障。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明一种基于视觉传感的机器人焊接轨迹自主编程系统示意图。

图2是本发明一种基于视觉传感的机器人焊接轨迹自主编程方法流程图。

图3是待焊工件为T型板示意图。

图4是对T型板扫描得到的点云示意图。

图5是待焊工件为90度交角相贯管示意图。

图6对90度交角相贯管扫描得到的点云示意图。

1-工业机器人手持操作面板，2-工业机器人控制器，3-工业机器人

4-视觉传感装置，5-加工台，6-待焊工件

7-处理器，8-计算机，9-末端执行器

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

一种基于视觉传感的机器人焊接轨迹自主编程系统，包括：工业机器人手持操作面板1、工业机器人控制器2、工业机器人3、视觉传感装置4、加工台5、待焊工件6、处理器7、计算机8，工业机器人3上装设有末端执行器9、视觉传感装置4，视觉传感装置4位于待焊工件6上方，用于对待焊工件6沿固定轨迹扫描；待焊工件6放置在加工台5上。工业机器人手持操作面板1输出控制工业机器人控制器2，工业机器人控制器2控制工业机器人3动作；视觉传感装置4与处理器7连接。所述工业机器人控制器2、处理器7均与计算机8连接。

实施例一

请参阅图2、图3和图4，一种基于视觉传感的机器人焊接轨迹自主编程方法用于T型板角焊缝的自动焊接，包含以下步骤：

系统标定：对工业机器人3DH参数进行标定确定机器人基坐标系，对工业机器人末端执行器9TCP进行标定确定机器人末端坐标系，继而得到机器人基坐标系与机器人末端坐标系之间的转换矩阵[R(δ),T(δ)](其中R是旋转矩阵，T是平移矩阵，δ是机器人关节角向量)，以及TCP在机器人末端坐标系中的坐标[L_x,L_y,L_z]。TCP在机器人基坐标系中的位置坐标可根据[R(δ),T(δ)]·[L_x,L_y,L_z,1]^T计算得到；

视觉扫描：根据扫描程序由工业机器人3夹持视觉传感装置4在T型板上方沿固定轨迹进行扫描，得到T型板表面多个离散点组成的点云；

平面拟合：根据所得到的点云，利用霍夫变换方法进行平面拟合，得到垂直面61、水平面62在工业机器人3基坐标系中的平面方程s₁(x,y,z)、s₂(x,y,z)。

交线提取：联立两个平面方程，解得两平面交线的直线方程，作为待焊焊缝所在的直线方程l₁₂(x,y,z)；

轨迹生成：通过点云的坐标区间，将前述直线上离点云坐标区间上下限最近的点作为待焊焊缝起止点的粗定位结果，根据直线方程，通过插补生成起止点之间的机器人焊接轨迹，满足[R(δ_i),T(δ_i)]·[L_x,L_y,L_z,1]^T＝l₁₂(x_i,y_i,z_i)(其中i＝1,2,…,n，表示插补点的序号)；

焊缝起止点确定：沿待焊焊缝所在的直线，在起止点粗定位结果附近进行起止点寻位，确定焊缝起止点位置。

实施例二

请参阅图2、图5和图6，一种基于视觉传感的机器人焊接轨迹自主编程方法用于90度交角相贯管的自动焊接，包括以下步骤：

系统标定：对工业机器人3DH参数进行标定确定机器人基坐标系，对工业机器人末端执行器TCP进行标定确定机器人末端坐标系，继而得到机器人基坐标系与机器人末端坐标系之间的转换矩阵[R(δ),T(δ)](其中R是旋转矩阵，T是平移矩阵，δ是机器人关节角向量)，以及TCP在机器人末端坐标系中的坐标[L_x,L_y,L_z]。TCP在机器人基坐标系中的位置坐标可根据[R(δ),T(δ)]·[L_x,L_y,L_z,1]^T计算得到；

视觉扫描：根据扫描程序由工业机器人3夹持视觉传感装置4在90度交角相贯管上方沿固定轨迹进行扫描，得到90度交角相贯管表面多个离散点组成的点云；

柱面拟合：根据所得到的点云，利用霍夫变换方法进行柱面拟合，得到柱面Ⅰ61’、柱面Ⅱ62’在工业机器人3基坐标系中的柱面方程s₁(x,y,z)、s₂(x,y,z)；

交线提取：联立两个柱面方程，解得两柱面交线的相贯线方程，作为待焊焊缝所在的相贯线方程l₁₂(x,y,z)；

轨迹生成：通过点云的坐标区间，将前述相贯线上离点云坐标区间上下限最近的点作为待焊焊缝起止点的粗定位结果，根据相贯线方程，通过插补生成起止点之间的机器人焊接轨迹，满足[R(δ_i),T(δ_i)]·[L_x,L_y,L_z,1]^T＝l₁₂(x_i,y_i,z_i)(其中i＝1,2,…,n，表示插补点的序号)；

焊缝起止点确定：沿待焊焊缝所在的相贯线，在起止点粗定位结果附近进行起止点寻位，确定焊缝起止点位置。

上述实施例仅用于说明本发明，其中待焊工件形状、视觉传感方式、扫描轨迹等都是可以有所变化的，其中待焊工件可以包含柱面、平面、锥面等多种特征，视觉传感可以使用激光测距仪、工业相机配合单线结构光、多线结构光、编码结构光投影等多种方式实现。凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (4)

1.一种基于视觉传感的机器人焊接轨迹自主编程系统，其特征在于包括：工业机器人手持操作面板(1)、工业机器人控制器(2)、工业机器人(3)、视觉传感装置(4)、加工台(5)、待焊工件(6)、处理器(7)、计算机(8)，工业机器人(3)上装设有末端执行器(9)、视觉传感装置(4)，视觉传感装置(4)位于待焊工件(6)上方，用于对待焊工件(6)沿固定轨迹扫描；待焊工件(6)放置在加工台(5)上；工业机器人手持操作面板(1)输出控制工业机器人控制器(2)，工业机器人控制器(2)控制工业机器人(3)动作；视觉传感装置(4)与处理器(7)连接；所述工业机器人控制器(2)、处理器(7)均与计算机(8)连接。

2.一种基于视觉传感的机器人焊接轨迹自主编程方法，其特征在于利用权利要求1所述的机器人焊接轨迹自主编程系统，包括以下步骤：

系统标定：对工业机器人DH参数进行标定确定机器人基坐标系，对工业机器人末端执行器TCP进行标定确定机器人末端坐标系，继而得到机器人基坐标系与机器人末端坐标系之间的转换矩阵[R(δ),T(δ)]，以及TCP在机器人末端坐标系中的坐标[L_x,L_y,L_z]；TCP在机器人基坐标系中的位置坐标根据[R(δ),T(δ)]·[L_x,L_y,L_z,1]^T计算得到；

视觉扫描：根据扫描程序由工业机器人夹持视觉传感装置在待焊工件上方沿固定轨迹进行扫描，得到待焊工件表面多个离散点组成的点云；

特征面拟合：根据所得到的点云，利用霍夫变换方法进行特征面拟合，得到两个特征面在机器人基坐标系中的方程s₁(x,y,z)、s₂(x,y,z)；

交线提取：联立两个特征面方程，解得两特征面交线的方程，作为待焊焊缝所在的方程l₁₂(x,y,z)；

轨迹生成：通过点云的坐标区间，将两特征面交线上离点云坐标区间上下限最近的点作为待焊焊缝起止点的粗定位结果，根据两特征面交线的方程，通过插补生成起止点之间的机器人焊接轨迹，满足[R(δ_i),T(δ_i)]·[L_x,L_y,L_z,1]^T＝l₁₂(x_i,y_i,z_i)，其中R是旋转矩阵；T是平移矩阵；δ是机器人关节角向量；i＝1,2,…,n，为插补点的序号；

焊缝起止点确定：沿待焊焊缝所在的交线，在起止点粗定位结果附近进行起止点寻位，确定焊缝起止点位置。

3.根据权利要求2所述的基于视觉传感的机器人焊接轨迹自主编程方法，其特征在于所述特征面的形状能够用方程描述，如平面、柱面或锥面。

4.根据权利要求2所述的基于视觉传感的机器人焊接轨迹自主编程方法，其特征在于所述末端执行器为焊枪、喷涂喷枪或装备夹具。