CN108857152B - 基于复合激光结构光的全空间位姿检测视觉传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合激光结构光的全空间位姿检测视觉传感器装置，所述传感器装置包括固定座、工业CCD相机、工业镜头、主激光器组件和辅助一字线激光器。固定座适于与焊枪相连，工业CCD相机与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，工业镜头设在工业CCD相机的镜头前端以调节工业CCD相机的光学参数，主激光器组件连接在固定座上且用于向焊接坡口或焊缝投射激光线，辅助一字线激光器适于连接在焊枪的主轴上，且用于向焊接坡口或焊缝与焊枪的延伸方向的交点投射激光线，根据本发明实施例的基于复合激光结构光的全空间位姿检测视觉传感器装置能够实现焊枪相对于工件待焊点任意空间三维位姿参数的检测。

Description

基于复合激光结构光的全空间位姿检测视觉传感器装置

技术领域

本发明涉及焊接机器人设备技术和视觉传感器领域，具体是机器人焊接过程中焊枪相对于待焊点的任意空间位姿参数实时视觉检测技术，尤其是基于复合激光结构光的全空间位姿视觉检测装置。

背景技术

机器人与计算机技术的发展使焊接制造的自动化和智能化程度日益提高。焊接过程中的焊枪相对于待焊点的空间位姿实时检测和控制是实现焊接制造柔性化和智能化、保证焊接接头成形质量的基础和重要手段，高精度、小型化、功能丰富的视觉传感器也是视觉传感技术的发展方向。

为了实现焊接过程中焊枪相对于待焊点的空间位姿参数实时检测，科研工作者已经进行了一些有针对性的研究工作，主要集中在两个方向，一是应用旋转电弧传感器，二是采用多传感器信息融合技术。

经对现有技术的文献检索发现，李湘文等在2013年第34卷第4期的《焊接学报》上刊登的“基于摆动旋转电弧的焊枪空间姿态识别”，以及李月华在其博士论文“旋转电弧传感器焊枪位姿识别方法研究”中都进行了基于旋转电弧传感器的焊枪相对于待焊点的空间姿态识别的研究。通过分析传感器信号与焊枪姿态和弧长之间的关系，利用大量试验建立传感信号与焊枪姿态和弧长之间的数学模型，进而获得焊枪空间姿态，但是其精确的数学模型较难建立，理论上无法获得绝对准确的数学模型，目前该方法仅能实现焊枪单向前后摆动时焊枪相对于待焊点的角度检测，当焊枪存在空间任意姿态摆动时，仅能实现焊枪相对于待焊点姿态的识别而不能具体检测出相对于待焊点各方向的摆动角度。

陈仲盛等在2015年第36卷第8期的《焊接学报》上刊登的“基于多传感器的焊枪定位系统的设计”一文详细介绍了基于三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、光纤传感器和感应线圈等4种传感器来获取焊枪相对于工件的空间位姿的技术方法，该方案将三轴陀螺仪和三轴加速度传感器内置于焊枪中获取焊枪的空间姿态，在焊接工件上施加感应线圈用以获取待焊点坐标，使用光纤传感器测量焊枪距离工件的高度信息，该方案存在结构复杂、需要改造焊枪、实用性较差等问题，目前仅用于焊接培训模拟中。

此外，清华大学朱志明等在申请的发明专利“基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置”(专利申请号：201711060054.7)中所提出的一种新型多功能视觉传感器装置，除了能够实现焊接坡口截面尺寸检测、焊枪高度实时检测和焊缝跟踪外，还能够实现在一定条件下的焊枪空间位姿参数检测。即在焊枪的3个空间自由度中，有1个自由度的值为零的前提下，该装置可以实现对另外2个自由度的值的检测。但是该方案并不能实现焊枪的任意空间3个位姿自由度的值的检测，且受十字线激光器在任意空间位姿倾斜投射时的精度问题影响(十字线激光器在任意空间位姿倾斜投射时，在工件表面形成的十字激光线不是绝对90度正交)。

通过对相关技术的检索可知，目前并无可实际应用的成熟的焊枪相对于工件待焊点的全空间位姿参数检测技术，也未见基于视觉传感器进行相对于待焊点的焊枪全空间位姿参数检测技术。

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全空间位姿检测视觉传感器装置，所述全空间位姿检测视觉传感器装置根据图像处理和三角测量原理，实现焊接过程中的焊枪相对于工件待焊点的空间任意位姿参数的实时检测。

根据本发明实施例的基于复合激光结构光的全空间位姿检测视觉传感器装置，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所述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；主激光器组件，所述主激光器组件通过所述固定架连接在所述固定座上，且用于向所述焊接坡口或所述焊缝投射激光线，所述主激光器组件包括多个一字线激光器；所述多个一字线激光器可投射出多个交叉十字激光平面，并在待焊工件上形成垂直相交的激光线；辅助一字线激光器，所述辅助一字线激光器适于连接在所述焊枪的主轴上，且用于向所述焊接坡口或所述焊缝与所述焊枪的延伸方向的交点投射激光线；其中，所述辅助一字线激光器与所述固定座适于环绕所述焊枪设置，以实现所述焊枪相对于工件待焊点任意空间三维位姿参数的检测。

根据本发明实施例的基于复合激光结构光的全空间位姿检测视觉传感器装置，由于采用多个投射方向交叉的一字线激光器来替代一体化的十字线激光器，避免了现有的一体化的十字线激光器在任意空间位姿倾斜投射被测物表面时所形成的十字激光线不是绝对的90度正交的问题。设置朝向所述焊接坡口或所述焊缝与焊枪的延伸方向的交点投射激光线的辅助一字线激光器，从而实现了焊枪相对于工件待焊点任意空间三维位姿参数的检测。

在一些实施例中，所述主激光器组件包括：第一激光器，所述第一激光器的投射激光线的延伸方向与所述焊接坡口或所述焊缝的延伸方向垂直；第二激光器，所述第二激光器的投射激光线的延伸方向与所述第一激光器的投射激光线的延伸方向平行；第三激光器，所述第三激光器的投射激光线的延伸方向与所述焊接坡口或所述焊缝的中心线的延伸方向重合。

在一些具体的实施例中，所述辅助一字线激光器的投射激光线的延伸方向与所述第一激光器的投射激光线的延伸方向平行。

在一些可选的实施例中，所述辅助一字线激光器位于所述焊枪前进方向的左侧或者右侧。

在一些可选的实施例中，所述工业CCD相机的中心光轴、所述工业镜头的中心光轴、所述第一激光器的中心轴线、所述第二激光器的中心轴线及所述第三激光器的中心轴线均与所述焊枪的中心轴线共面。

在一些具体的实施例中，在所述焊枪的前进方向上，所述工业CCD相机、所述第三激光器、所述第二激光器和所述第一激光器依次设置。

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

在一些实施例中，所述第一激光器、所述第二激光器、所述第三激光器的中心轴线与所述工业CCD相机的中心光轴的夹角均为θ，θ满足关系式0°＜θ≤30°。

在一些实施例中，所述辅助一字线激光器的中心轴线与所述焊枪的中心轴线具有夹角γ，γ满足关系式0°≤γ≤60°。

在一些实施例中，所述基于复合激光结构光的全空间位姿检测视觉传感器装置，还包括：减光系统，所述减光系统设在所述工业镜头下方；滤光系统，所述滤光系统设在所述工业镜头上。

在一些实施例中，所述滤光系统包括：波长650nm，半带宽8nm的窄带滤光片。

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全空间位姿检测视觉传感器装置结构示意图。

图2为焊枪任意空间位姿示意图。

图3为焊枪空间位姿复合后的光路几何关系示意图。

图4为焊枪空间位姿复合后的像平面示意图。

图5为工件上的焊点A点的截面空间几何关系示意图。

附图标记：

全空间位姿检测视觉传感器装置100、

固定座110、

固定架120、

工业CCD相机130、

工业镜头140、

主激光器组件150、

第一激光器151、第二激光器152、第三激光器153，

辅助一字线激光器160、

减光系统170、

滤光系统180、

焊枪200、

第一激光线L1、第二激光线L2、第三激光线L3、辅助激光线L4、

第一激光面S1、第二激光面S2、第三激光面S3、辅助激光面S4。

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5描述根据本发明实施例的基于复合结构光的全空间位姿检测视觉传感器装置100。

如图1所示，根据本发明实施例的基于复合激光结构光的全空间位姿检测视觉传感器装置100包括固定座110、固定架120、工业CCD相机130、工业镜头140、主激光器组件150和辅助一字线激光器160。固定座110适于与焊枪200相连，工业CCD相机130 与固定座110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140 设在工业CCD相机130的镜头前端以调节工业CCD相机130的光学参数，主激光器组件 150通过固定架120连接在固定座110上，且用于向焊接坡口或焊缝投射激光线，主激光器组件150包括多个一字线激光器，多个一字线激光器可投射出多个交叉十字激光平面；辅助一字线激光器160适于连接在焊枪200的主轴上，且用于向焊接坡口或焊缝与焊枪200的延伸方向的交点投射激光线；其中，辅助一字线激光器160与固定座110适于环绕焊枪200设置，以实现焊枪200相对于工件待焊点任意空间三维位姿参数的检测。

可以理解的是，在本发明中主激光器组件150及其包括多个一字线激光器，而多个一字线激光器可以投射出多个交叉激光平面，也就是说本发明采用两个投射激光平面交叉的一字线激光器来替代一体化的十字线激光器，避免了现有的一体化的十字线激光器在任意空间位姿倾斜投射被测物表面时所形成的十字激光线不是绝对的90度正交的问题。相对于采用一体化的十字线激光器方案，采用多个一字线激光器组合投射的方案能够提高传感器的检测精度并避免激光器本身所带来的光路误差。此外，由于本发明中还存在有一个向焊接坡口或焊缝与焊枪200的延伸方向的交点投射激光线的辅助一字线激光器160，这个激光器可以精准地表示工件待焊点的位置，使得通过计算能够得出焊枪 200相对于工件待焊点的高度、相对于焊接工件表面的垂直方向的左右和前后方向的摆动角度，从而实现了焊枪200相对于工件待焊点任意空间三维位姿参数的检测。

根据本发明实施例的基于复合激光结构光的全空间位姿检测视觉传感器装置100，由于采用多个投射激光平面交叉的一字线激光器来替代一体化的十字线激光器，避免了现有的一体化的十字线激光器在任意空间位姿倾斜投射被测物表面时所形成的十字激光线不是绝对的90度正交的问题。设置朝向焊接坡口或焊缝与焊枪200的延伸方向的交点投射激光线的辅助一字线激光器160，从而实现了焊枪200相对于工件待焊点任意空间三维位姿参数的检测。

在一些实施例中，工业CCD相机130采用大恒MER-200工业相机，镜头采用VST6mm焦距工业镜头140。

可选地，主激光器组件150和辅助一字线激光器160功率可调，最大功率为100mw，焦距为150mm。由此用户可以较为方便地调节激光线的亮度。

有利地，主激光器组件150和辅助一字线激光器160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，主激光器组件150包括第一激光器151、第二激光器152和第三激光器153，第一激光器151投射的第一激光线L1的延伸方向与焊接坡口或焊缝的延伸方向垂直，第二激光器152投射的第二激光线L2的延伸方向与第一激光器151投射的第一激光线L1的延伸方向平行。第三激光器153投射的第三激光线L3的延伸方向与焊接坡口或焊缝的延伸方向平行。由此，第三激光器153投射的第三激光线L3分别与第一激光器151投射的第一激光线L1、第二激光器152投射的第二激光线L2分别形成为交叉十字，避免了现有的一体化的十字线激光器在任意空间位姿倾斜投射被测物表面时所形成的十字激光线不是绝对的90度正交的问题。

有利地，第一激光器151投射的第一激光面S1与第二激光器152投射的第二激光面S2平行且分别垂直于平面P，可以理解的是，第一激光器151投射的第一激光面S1与第二激光器152投射的第二激光面S2平行且第一激光器151的中心轴线与第二激光器 152的中心轴线平行。由此，保证了第一激光线L1和第二激光线L2平行且垂直于焊接坡口或焊缝，从而保证了全空间位姿检测视觉传感器装置100的检测精度。

在一些实施例中，全空间位姿检测视觉传感器装置100还包括连接在固定座110上的固定架120，第一激光器151和第二激光器152连接在固定架120中，以保证二者与工业CCD相机130的中心光轴之间的夹角θ。

需要补充说明的是，在一些实施例中，第三激光器153的中心轴线与工业CCD相机130的中心光轴具有夹角δ1，δ1满足关系式0°＜δ1≤30°，在有的实施例中，第三激光器153的中心轴线与第一激光器151的中心轴线具有夹角δ2，δ2满足关系式 0°＜δ2≤30°。也就是说，第三激光器153的中心轴线既可以与工业CCD相机130的中心光轴平行，也可以与第一激光器151的中心轴线平行，还可以与二者均不平行。

在一些具体的实施例中，辅助一字线激光器160投射的辅助激光线L4的延伸方向与第一激光器151投射的第一激光线L1的延伸方向平行。由此，能够降低焊枪200全空间位姿的计算难度。

在一些可选的实施例中，辅助一字线激光器160位于焊枪200前进方向的左侧或者右侧，且辅助一字线激光器160投射的辅助激光面S4过焊枪200的中心轴线。由此，保证了辅助一字线激光器160投射的辅助激光线L4与第三激光器153投射的第三激光线L3的交点为工件上的待焊点。

在一些实施例中，辅助一字线激光器160的中心轴线与焊枪的中心轴线具有夹角γ，γ满足关系式0°≤γ≤60°。

在一些具体的实施例中，在焊枪200的前进方向上，工业CCD相机130、第三激光器153、第二激光器152和第一激光器151依次设置。可以理解的是，工业CCD相机130、第三激光器153、第二激光器152和第一激光器151均位于焊枪200的待焊接侧，工业 CCD相机130可以拍摄待焊接的焊接坡口，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130设在焊枪200的下游，并与焊枪之间有一定倾角，工业CCD相机130则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，工业CCD相机130的中心光轴、工业镜头140的中心光轴与焊枪200的中心轴线相互平行。在计算焊枪200全空间位姿参数时，工业CCD相机130的中心光轴、工业镜头140的中心光轴与焊枪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130的中心光轴、工业镜头140的中心光轴与焊枪200的中心轴线也可以不平行。

在一些实施例中，基于复合激光结构光的全空间位姿检测视觉传感器装置100，还包括减光系统170和滤光系统180，减光系统170设在工业镜头140下方，滤光系统180 设在工业镜头140上。

在一些实施例中，滤光系统180包括波长650nm，半带宽8nm的窄带滤光片。减光系统170参数由外部光照环境和所用焊接方式综合匹配决定。

实施例：

本实施例的基于复合激光结构光的全空间位姿检测视觉传感器装置100包括固定座 110、工业CCD相机130、工业镜头140、主激光器组件150、辅助一字线激光器160、滤光系统180、减光系统170和固定架120。

固定座110适于与焊枪200相连，工业CCD相机130与固定座110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140设在工业CCD相机130的镜头前端以调节工业CCD相机130的光学参数，主激光器组件150通过固定架120连接在固定座110上，且用于向焊接坡口或焊缝投射激光线，主激光器组件150包括多个一字线激光器，辅助一字线激光器160适于连接在焊枪200的主轴上，且用于向焊接坡口或焊缝与焊枪200的延伸方向的交点投射激光线。主激光器组件150包括第一激光器151、第二激光器152和第三激光器153，第一激光器151、第二激光器152和第三激光器153 均为一字线激光器。主激光器组件150设在通过激光器固定架120固定在固定座110上。辅助一字线激光器160与固定座110适于环绕焊枪200设置，以实现焊枪200相对于工件待焊点任意空间三维位姿参数的检测。

将组装后的全空间位姿检测视觉传感器装置100通过固定座110安装固定在焊枪200上，并对光路和安装参数进行校准。需要校准的传感器光路和安装参数如下所述：

(1)全空间位姿检测视觉传感器装置100组装时，确保工业CCD相机130的中心光轴和工业镜头140的中心光轴共轴；然后，确保工业CCD相机130和工业镜头140的中心光轴与第一激光器151、第二激光器152及第三激光器153的中心轴线共面；

(2)全空间位姿检测视觉传感器装置100组装时，确保第一激光器151的中心轴线和第二激光器152的中心轴线平行，确定工业CCD相机130的焦点至第二激光器152的中心轴线的垂直距离D1、确定第一激光器151的中心轴线和第二激光器152的中心轴线之间的距离D2,以及确定第一激光器151的中心轴线、第二激光器152的中心轴线与工业CCD相机130和工业镜头140的中心光轴之间的夹角θ；然后，确定第三激光器153 的中心轴线与工业CCD相机130和工业镜头140的中心光轴的夹角值也等于θ。

(3)全空间位姿检测视觉传感器装置100安装时，确保工业CCD相机130和工业镜头140的中心光轴与焊枪200的中心轴线平行且共面，确定工业CCD相机130的中心光轴和焊枪200的中心轴线之间的距离D0；并确定工业CCD相机130的焦点至过导电嘴末端的垂直于焊枪200的中心轴线的平面的垂直距离H。

(4)全空间位姿检测视觉传感器装置100安装时，确保辅助一字线激光器160的中心轴线与焊枪200的中心轴线共面；确保辅助一字线激光器160的中心轴线与焊枪200 的中心轴线所在平面，和工业CCD相机130与工业镜头140的中心光轴、第一激光器151、第二激光器152与第三激光器153的中心轴线及焊枪200的中心轴线所在平面垂直。

第一激光器151、第二激光器152、第三激光器153、辅助一字线激光器160能够发出第一激光面S1、第二激光面S2、第三激光面S3和辅助激光面S4。而第一激光面S1、第二激光面S2、第三激光面S3和辅助激光面S4投射至工件，且与工件相交并在工件表面(包括坡口表面)形成第一激光线L1、第二激光线L2、第三激光线L3和辅助激光线 L4。这些激光线受到待焊工件坡口的影响，在坡口的边缘和底部形成折弯特征，工业CCD 相机130拍摄并记录这些激光线及其折弯特征。

对工业CCD相机130所拍摄的图像进行处理，辨识获取第一激光线L1、第二激光线L2、第三激光线L3和辅助激光线L4折弯特征点在图像上的坐标值，利用本实施例的全空间位姿检测视觉传感器装置100的内部结构参数和前述安装参数，由三角测量原理导出的焊枪200的空间位姿参数检测算法，可求出焊枪200相对于工件待焊点的实际空间位姿参数。

在焊接机器人的实时反馈控制中，将基于图像处理和三角测量原理导出的检测算法所得到的焊枪200的空间位姿参数与预设定的焊枪200的空间位姿参数进行比较，将差值反馈给机器人控制器，机器人控制器根据差值信号进行焊枪200的空间位姿的反馈控制，可实现焊接机器人基于视觉伺服的焊枪200的三维空间位姿反馈控制。

下面给出根据本实施例全空间位姿检测视觉传感器装置100根据工业CCD相机130所拍摄的图像进行焊枪200的三维空间位姿检测的算法。

由图2所示，焊枪200相对于待焊点的任意空间位姿由3个参数决定：分别是焊枪200沿焊缝(焊接坡口)走向的前后摆角(焊枪200绕Y轴旋转)α；焊枪200沿垂直焊缝(焊接坡口)走向的左右摆角(焊枪200绕X轴旋转)β；焊枪200的导电嘴末端中心在待焊工件表面法线(沿Z轴)方向至工件待焊点的距离h。焊枪200相对于待焊点的任意空间位姿参数的检测即是对这3个参数的检测。

焊枪200空间位姿参数检测算法求解焊枪200相对于待焊点的空间位姿3个参数的顺序为：先求解焊枪200的导电嘴末端中心至待焊点的距离h，然后求解焊枪200的左右摆角β，最后求解焊枪200的前后摆角α。

算法1：焊枪200的高度移动检测算法(导电嘴末端中心至待焊点的距离h)：

如图3所示，假设焊枪200的任意空间位姿为焊枪200的导电嘴末端中心(A0点) 至待焊点(A点)的距离h、前摆角α和右摆角β的复合，焊枪200的前摆角α使工件平面由“工件平面1”变为“工件平面2”的位置，然后焊枪200右摆β角，经过焊枪200的3个空间位姿参数复合后，全空间位姿检测视觉传感器装置100的空间几何关系如图3所示。

经过上述焊枪200的3个空间位姿参数复合后的像平面示意图如图4所示(像平面为工业CCD相机130拍摄到的图像)，图3中的θ角为第一激光器151的中心轴线及第二激光器152的中心轴线相对于工业CCD相机130的中心光轴的夹角，全空间位姿检测视觉传感器装置100组装校准后，θ角为某一确定值(假定θ＝30°)。

如图3-图4所示，A点为工件上的待焊点，是焊枪200的中心轴线与工件的交点， O1点是工业CCD相机130的中心光轴与过A点的垂直于焊枪200的中心轴线的平面的交点，全空间位姿检测视觉传感器装置100在焊枪200上安装固定后，焊枪200的中心轴线与工业CCD相机130的中心光轴的距离AO₁是定值(D0)；A0点是焊枪200的导电嘴末端中心，由于AO₁(D0)是一个定值，工业CCD相机130的焦点到过A0点的垂直于焊枪200的中心轴线的平面的垂直距离H也为定值，因此焊枪200的导电嘴末端中心(A0 点)和工业CCD相机130的相对位置恒定不变。设A点在工业CCD相机130像平面上的成像点A＇距工业CCD相机130中心光轴的距离为ΔA＇，则由光学三角成像原理可知

式(1)中，f为工业CCD相机130的焦距值，在工业CCD相机130选定后，f是一个确定值。A点在工业CCD相机130上的成像点A＇的坐标值由图像处理算法得到，从而可得工业CCD相机130的焦点到过A点的垂直于焊枪200的中轴线的平面的垂直距离 H_A为

进一步，即可获得焊枪200的导电嘴末端中心(A0点)至工件待焊点(A点)的距离h为

式(3)中，f为工业CCD相机130的焦距值，为确定值，AO₁(D0)和H在传感器固定安装在焊枪200上之后，也为确定值，ΔA＇为A点在工业CCD相机130拍摄的CCD 图像中的像点A'的检测值。可见，式(3)导出的检测算法可以由ΔA＇的值直接确定焊枪200的导电嘴末端中心(A0点)至工件待焊点(A点)的距离h的值。

算法2：焊枪200的左右摆角β的检测算法；

以工件待焊点A作为求解焊枪200的左右摆角β的标准点，焊枪200右摆β角后，经过工件待焊点(A点)的辅助激光线L4与坡口边沿的两个交点A1和A2的空间几何关系如图5所示。

焊枪200左摆、右摆的判别方法为：

通过对工业CCD相机130所拍摄的图像进行处理，在图像中分别提取第三激光线L3和第二激光线L2交点的位置坐标P1＇、第三激光线L3在对称V型坡口底部的转折点的位置坐标P0＇，然后计算它们的坐标y＇的差值，即图4中的Δy＇。

若Δy＇<0，则第三激光线L3和第二激光线L2的交点在对称V型坡口底部位置的左侧，焊枪200右摆；

若Δy＇>0，则第三激光线L3和第二激光线L2的交点在对称V型坡口底部位置的右侧，焊枪200左摆。

当焊枪200右摆时，如图5所示，由几何关系知

因为是对称V型焊接坡口，Y_A1＝Y_A2，所以有

进一步，由几何关系可得：

若焊枪200左摆，同理可得

式(8)和式(9)中，f为已知的确定值，ΔA₁＇和ΔA₂＇为辅助激光线L4与对称 V型焊接坡口边沿的两个交点A1和A2在工业CCD相机130拍摄的CCD图像中的像点A₁＇和A₂＇距工业CCD相机130的中心光轴的检测值。可见式(8)和式(9)导出的检测算法可以由ΔA₁＇和ΔA₂＇的值直接确定焊枪200的左右摆角β的值。

事实上，也可采用式(8)或式(9)，通过计算获得的摆角β的值为正值或负值，来判断焊枪200为左摆或右摆。

进一步，对于非对称V型焊接坡口或其它焊接坡口型式，也可以采用基于图像处理和三角测量原理导出对应的检测算法。

算法3：焊枪200的前后摆角α的检测算法：

在图3中，A₀C₀的值由工业CCD相机130的中心光轴和焊枪200的中心轴线的距离D₀、工业CCD相机130的像平面至过待焊点的垂直于焊枪200中心轴线的平面的垂直距离 H、工业CCD相机130的焦点至第二激光器152的中心轴线的垂直距离D₁、第二激光器152 的中心轴线和第一激光器151的中心轴线之间的距离D₂、以及一字线激光器152和151 的中心轴线与工业CCD相机130和工业镜头140的中心光轴之间的夹角θ确定，表达式为

式(10)表明，在传感器的结构参数D₁、D₂、θ和安装参数D₀和H确定的情况下，A₀C₀的值，可以作为已知量(常数)使用。

图3所示给出的是D₁＝Hsinθ特例，此时，式(10)简化为

如图3所示，假设焊枪200不发生前后摆动的情况下，由三角成像原理可知

上式中，ΔA＇C₁＇为AC₁在工业CCD相机130的像平面上的成像距离。

如图3所示，当焊枪200上移时，AC₁＝A₀C₀-h×tanθ，当焊枪200下移时，AC₁＝A₀C₀+h×tanθ。其中，A₀C₀为定值(A₀C₀为全空间位姿检测视觉传感器装置100安装完毕后，第一激光线L1与辅助激光线L4之间的距离)，H_A和h已由算法1的高度解调算法求出，代入式(12)即可求得ΔA＇C₁＇。

但是由于焊枪200会发生前后摆动，因此，工业CCD相机130拍摄的图片中实际的距离为ΔA＇C＇，通过图像处理得到ΔA＇C＇的大小，则焊枪200前后摆动的判据方法为：

若ΔA＇C＇>ΔA＇C₁＇，则焊枪200前摆；

若ΔA＇C＇<ΔA＇C₁＇，则焊枪200后摆；

若焊枪200上移并前摆，如图3所示，针对C点，由几何关系可得

上式中，H_A、H_C分别为A点和C点的成像高度，ΔC＇为C点在工业CCD相机130的像平面内的成像点C＇距工业CCD相机130的中心光轴的距离。X_C为C点距离工业CCD 相机130的中心光轴的距离。

将式(13)代入式(14)可得

由几何关系可知

图3所示给出的是D₁＝Hsinθ特例，此时，式(16)简化为

进一步地，由图3的几何关系可得

将式(13)、(16)代入(18)可得

对于图3所示给出的D₁＝Hsinθ特例，此时，式(19)简化为

由式(15)和式(19)相等可得

对于图3所示给出的D₁＝Hsinθ特例，此时，式(21)简化为

式(22)中，f_C＝f/ΔC'，H_A、h已由前面解调求出，其它参数为传感器内部结构参数(见图3，D2为第一激光器151和第二激光器152的安装间距，θ为第一激光器151 和第二激光器152的入射角度，A₀O＝D0为相机光学中心光轴和焊枪200中心轴线的距离)。

式(22)即为焊枪200的前后摆角α的检测算法。

由上述三个检测算法可知，本实施例的基于复合激光结构光的全空间位姿检测视觉传感器装置100通过对工业CCD相机130拍摄的图像进行处理，可以实现对焊枪200相对于工件待焊点的空间任意位姿参数的检测。与机器人控制系统配合，可以实现焊接过程中的焊枪200的任意空间位姿参数的闭环控制，从而提高机器人的焊接控制精度和焊缝成形质量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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 (11)

1.一种基于复合激光结构光的全空间位姿检测视觉传感器装置，其特征在于，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所述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；

主激光器组件，所述主激光器组件通过固定架连接在所述固定座上，且用于向所述焊接坡口或所述焊缝投射激光线，所述主激光器组件包括多个一字线激光器，所述多个一字线激光器可投射出多个交叉激光平面，并在待焊工件上形成垂直相交的激光线；

辅助一字线激光器，所述辅助一字线激光器适于连接在所述焊枪的主轴上，且用于向所述焊接坡口或所述焊缝与所述焊枪的延伸方向的交点投射激光线；其中，所述辅助一字线激光器与所述固定座适于环绕所述焊枪设置，以实现所述焊枪相对于工件待焊点任意空间三维位姿参数的检测。

2.根据权利要求1所述的基于复合激光结构光的全空间位姿检测视觉传感器装置，其特征在于，所述主激光器组件包括：

第一激光器，所述第一激光器的投射激光线的延伸方向与所述焊接坡口或所述焊缝的延伸方向垂直；

第二激光器，所述第二激光器的投射激光线的延伸方向与所述第一激光器的投射激光线的延伸方向平行；

第三激光器，所述第三激光器的投射激光线的延伸方向与所述焊接坡口或所述焊缝的中心线的延伸方向重合。

3.根据权利要求2所述的基于复合激光结构光的全空间位姿检测视觉传感器装置，其特征在于，所述辅助一字线激光器的投射激光线的延伸方向与所述第一激光器的投射激光线的延伸方向平行。

4.根据权利要求1所述的基于复合激光结构光的全空间位姿检测视觉传感器装置，其特征在于，所述辅助一字线激光器位于所述焊枪前进方向的左侧或者右侧。

5.根据权利要求2所述的基于复合激光结构光的全空间位姿检测视觉传感器装置，其特征在于，所述工业CCD相机的中心光轴、所述工业镜头的中心光轴、所述第一激光器的中心轴线、所述第二激光器的中心轴线及所述第三激光器的中心轴线均与所述焊枪的中心轴线共面。

6.根据权利要求5所述的基于复合激光结构光的全空间位姿检测视觉传感器装置，其特征在于，在所述焊枪的前进方向上，所述工业CCD相机、所述第三激光器、所述第二激光器和所述第一激光器依次设置。

7.根据权利要求1所述的基于复合激光结构光的全空间位姿检测视觉传感器装置，其特征在于，所述工业CCD相机的中心光轴、所述工业镜头的中心光轴与所述焊枪的中心轴线相互平行。

8.根据权利要求2所述的基于复合激光结构光的全空间位姿检测视觉传感器装置，其特征在于，所述第一激光器、所述第二激光器和所述第三激光器的中心轴线与所述工业CCD相机的中心光轴的夹角均为θ，θ满足关系式0°＜θ≤30°。

9.根据权利要求1所述的基于复合激光结构光的全空间位姿检测视觉传感器装置，其特征在于，所述辅助一字线激光器的中心轴线与所述焊枪的中心轴线具有夹角γ，γ满足关系式0°≤γ≤60°。

10.根据权利要求1所述的基于复合激光结构光的全空间位姿检测视觉传感器装置，其特征在于，还包括：

减光系统，所述减光系统设在所述工业镜头下方；

滤光系统，所述滤光系统设在所述工业镜头上。

11.根据权利要求10所述的基于复合激光结构光的全空间位姿检测视觉传感器装置，其特征在于，所述滤光系统包括：波长650nm，半带宽8nm的窄带滤光片。

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