CN109986255B - 混合视觉伺服并联机器人及作业方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合视觉伺服并联机器人及作业方法，该机器人包括移动装置本体、作业装置、摄像装置和控制装置。移动装置本体沿第一方向可移动；作业装置相对于移动装置本体在第一平面内可移动；摄像装置相对于移动装置本体在第二平面内可移动，第二平面与第一平面间隔开；控制装置包括图像视觉伺服模块和位置视觉伺服模块，控制装置处理图像信息，并通过图像视觉伺服模块对摄像装置的运动进行闭环控制；通过位置视觉伺服模块对作业装置的运动进行开环控制。根据本发明的混合视觉伺服并联机器人及作业方法能够结合图像视觉伺服控制方法和位置视觉伺服控制方法的优点，使得移动装置能够较好地适应待作业对象的各项工况条件，以保证作业质量。

Description

混合视觉伺服并联机器人及作业方法
技术领域
本发明属于集装箱技术领域，具体地涉及一种混合视觉伺服并联机器人及作业方法。
背景技术
随着全球制造业的飞速发展，以工业机器人为典型的机器人在制造业中的应用越来越广泛，在装备制造的切割、焊接、装配、喷涂、传送的每个环节，都可以看到工业机器人的身影。但在我国以集装箱为代表的相当一部分传统制造业采用工业机器人技术进行升级改造还有很大空间。
以集装箱行业为典型，发展和应用新型焊接自动化技术并将为研发高效自动化焊接装备积累成功经验，不仅对我国国民经济将起到的推动作用，而且在一定程度上改变我国集装箱制造行业焊接技术水平落后的现状，为制造业焊接的跨越式发展提供自动化、智能化、柔性化的技术支撑。
纵然机器人技术有所发展，但是，就集装箱的生产制造来说，还远远没有实现完全自动化，以侧壁波纹板和侧梁的折现焊缝焊接来说，国内外企业大多数仍采用手工焊或仿形焊，而这显然满足不了快速发展的交通物流行业的发展对于集装箱制造业的需求。其特点是一般用于长、直焊缝的焊接，尤其使用在其单层焊和角焊缝的焊接，如集装箱顶部薄板搭接，而在波纹侧板焊接时探针运动过程中会受到冲击作用，且长时间的使用容易造成磨损，故不宜采用。即便有焊接智能化升级，由波纹板的特征可知，波纹板是一种重复性大，焊接位置复杂的工件，在焊接时焊枪的位置一定要反复调整才能施焊，导致大多停留在半自动电弧焊接或者低端的自动仿形焊接，然后进行人工补焊，人工补焊环境恶劣。
由于市面上通用焊接机器人由于其结构和特点的限制，其针对于中小结构件以及复杂不规则焊缝的焊接，投资过大，对工件尺寸精度有较高的要求。而集装箱侧壁波纹板和侧梁的折现焊缝焊接的焊接工作量主要体现在许多周期性可重复的焊缝的焊接，并且这些焊缝都会很长或者说比较长，同时还要求比较高的焊接速度以提高工作效率，所以对采用一种具有一定柔性的、智能化的焊接机器人来代替人工焊或机械探针仿形焊接，成为企业的迫切需求。
因此，需要提供一种用于集装箱的装配的混合视觉伺服并联机器人及作业方法，以至少部分地解决上述技术问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
为了至少部分地解决上述问题，根据本发明的一个方面，公开了一种混合视觉伺服并联机器人及作业方法，其特征在于，包括：
移动装置本体，所述移动装置本体构造为沿第一方向可移动，所述移动装置本体为平板状结构；
作业装置，所述作业装置与所述移动装置本体相连并能够随所述移动装置本体移动，且所述作业装置相对于所述移动装置本体在垂直于所述第一方向的第一平面内可移动；
摄像装置，所述摄像装置用于获取其附近的图像信息，所述摄像装置与所述移动装置本体相连并能够随所述移动装置本体移动，且所述摄像装置相对于所述移动装置本体在垂直于所述第一方向的第二平面内可移动，所述第二平面与所述第一平面间隔开；以及
控制装置，所述控制装置包括图像视觉伺服模块和位置视觉伺服模块，所述控制装置配置为处理所述图像信息，并通过所述图像视觉伺服模块内置摄像装置运动律对所述摄像装置的运动进行闭环控制；通过所述位置视觉伺服模块对所述作业装置的运动进行开环控制。
根据本方案，混合视觉伺服并联机器人能够使得摄像装置和作业装置并联地被控制，并能够结合图像视觉伺服控制方法和位置视觉伺服控制方法的优点，使得移动装置不仅能够较好地适应待作业对象的各项工况条件，以保证作业质量，提高集装箱制造的生产效率。
优选地，在所述第一平面内形成Y轴-O-Z轴垂直坐标系，在所述第二平面内形成Y1轴-O1-Z1轴垂直坐标系，并且，在空间内还存在第三平面和第四平面，Y轴、Y1轴同时在所述第三平面中，Z轴-Z1轴同时在所述第四平面中，所述第三平面近距离平行于所述移动装置本体的上表面，所述第四平面垂直于所述移动装置本体的上表面、所述第一平面及所述第二平面。
优选地，所述控制装置配置为能够对所述图像信息进行特征提取并得到相应的处理结果，所述位置视觉伺服模块配置为根据所述处理结果进行计算，并根据计算结果控制所述作业装置。
优选地，所述控制装置内预存有图像坐标系和与所述图像坐标系存在映射关系的机械坐标系，所述控制装置配置为从所述图像信息中提取出待作业对象的待作业部分在图像坐标系内的第一轨迹路线，且所述位置视觉伺服模块配置为计算出在所述机械坐标系内的第二轨迹路线，所述第二轨迹路线与所述第一轨迹路线相对应，所述作业装置配置为沿所述第二轨迹路线作业。
优选地，所述位置视觉伺服模块配置为能够结合实际工况而对所述第一轨迹路线进行二次处理，并根据所述二次处理的结果计算所述第二轨迹路线。
优选地，所述控制装置配置为对处理后的图像进行特征提取，并根据提取到的特征点在所述图像坐标系内的坐标、且基于所述摄像装置运动律而控制所述摄像装置以可变的速率沿Z1轴方向和/或Y1轴方向运动。
优选地，所述作业装置为焊接装置。
根据本发明的另一方面，提供了一种运用根据上述任意一项方案所述的混合视觉伺服并联机器人而进行集装箱的装配的及作业方法，包括：
摄像装置获取其附近的图像信息；
控制装置进行对图像信息进行处理；
所述控制装置中的图像视觉伺服模块根据所述图像信息对所述摄像装置进行闭环控制，所述控制装置中的位置视觉伺服模块根据所述图像信息对作业装置进行开环控制。
优选地，所述控制装置对所述图像信息进行特征提取并得到相应的处理结果，所述位置视觉伺服模块根据所述处理结果进行计算，并根据计算结果控制所述作业装置。
优选地，所述控制装置内预存有图像坐标系和与所述图像坐标系存在映射关系的机械坐标系，所述控制装置从所述图像信息中提取出待作业对象的待作业部分在图像坐标系内的第一轨迹路线，所述位置视觉伺服模块结合实际工况而对所述第一轨迹路线进行二次处理，并根据所述二次处理的结果计算所述第二轨迹路线，所述位置视觉伺服模块计算出在所述机械坐标系内的第二轨迹路线，所述第二轨迹路线与所述第一轨迹路线相对应，所述作业装置沿所述第二轨迹路线作业。
优选地，所述作业装置为焊接装置。
附图说明
本发明实施方式的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施方式及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，
图1是本发明的一个优选实施方式中的待焊接的波纹板的俯视示意图；
图2是该实施方式中的混合视觉伺服并联机器人的各部件的行程轨迹示意图；以及
图3是该实施方式的工作原理流程图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底了解本发明实施方式，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。
参考图1至图3，本实施方式提供了一种用于集装箱的焊接的混合视觉伺服并联机器人，混合视觉伺服并联机器人用于焊接如图1所示的波纹板。从波纹板的俯视示意图中可以看到，其具有较多的曲折结构，该结构对焊接装置的限制较多，传统的焊接工具无法智能地对这样的波纹板进行焊接。
本实施方式的混合视觉伺服并联机器人包括移动装置，移动装置又包括移动装置本体、焊接装置(即作业装置)和摄像装置。移动装置本体构造为可移动，且移动装置本体的运动轨迹为直线段；焊接装置与移动装置本体相连并能够随移动装置本体移动，且焊接装置相对于移动装置本体在垂直于直线段的第一平面内可移动；摄像装置用于获取其附近的图像信息，摄像装置与移动装置本体相连并能够随移动装置本体移动，且摄像装置相对于移动装置本体在垂直于直线段的第二平面内可移动，第二平面与第一平面之间存在间隔，且间隔值可调节。这样，摄像装置和焊接装置便能够在两个平面内而被并联操作。
具体的，若将移动装置本体的行进的第一方向作为X轴，那么则存在垂直于X轴的Y轴和Z轴(其中Y轴和Z轴也相互垂直，且Y轴和Z轴的原点为O)，以及平行于Y轴的Y1轴、平行于Z轴的Z1轴(Y1轴和Z1轴的原点为O1)，使得焊接装置在Y轴-O-Z轴所在的平面(即第一平面)内可移动，摄像装置在Y1轴-O1-Z1轴所在的平面(即第二平面)内可移动。本实施方式中，移动装置本体为平板状结构，该平板状结构的上表面为水平的平面。那么可以理解，该平板状结构的上表面与第一平面、第二平面以及Z轴和Z1轴共同所在的平面(即第四平面)均垂直。事实上，该平板状结构的上表面垂直于所有竖直设置的平面。并且，该平板状结构的上表面平行于Y轴和Y1轴共同所在的平面(即第三平面)，且和该平面之间的距离较近。
混合视觉伺服并联机器人还包括控制装置，控制装置包括图像视觉伺服模块和位置视觉伺服模块，控制装置配置为处理图像信息，并通过图像视觉伺服模块对摄像装置的运动进行闭环控制；通过位置视觉伺服模块对焊接装置的运动进行开环控制。本实施方式中，控制装置集成在控制卡内，同时控制卡内还集成有工控机。
在图示实施方式中，移动装置本体包括电机、减速器、齿条和直线导轨，用编码器反馈的位置信息对移动装置进行闭环控制，可使移动装置本体在X轴上的任意位置精确定位。焊接装置、摄像装置的运动机构包括减速器、直线导轨、齿条、电机和滚轴丝杆，运动机构对焊接装置的运动进行开环控制，并用编码器反馈的位置信息对摄像装置的运动进行闭环控制，进而使移动装置本体在X轴上运动时，摄像装置进行焊缝的动态采集，而焊接装置则按照需要进行焊接作业。
此外，图像视觉伺服模块内可以预存有给定信息，图像视觉伺服模块配置为将图像信息与给定信息进行比对并进行计算，并根据计算结果控制摄像装置。
优选地，控制装置配置为对处理后的图像进行特征提取，并根据提取到的特征点在图像坐标系内的坐标、且基于摄像装置运动律而控制摄像装置以可变的速率沿Z1轴方向和/或Y1轴方向运动。
具体地，控制装置能够根据摄像装置所在的区域而控制摄像装置以对应的速率移动。例如，在摄像装置远离焊缝时摄像装置能够具有较大的移动速率，而在摄像装置逐渐靠近焊缝的过程中，摄像装置的速率减小。
优选地，控制装置配置为能够对图像信息进行特征提取并得到相应的处理结果，位置视觉伺服模块配置为根据处理结果进行计算，并根据计算结果控制焊接装置。具体地，控制装置内预存有图像坐标系和机械坐标系(即像素坐标系)，机械坐标系和图像坐标系相对应并存在映射关系，即对于图像坐标系内的任意一个点，机械坐标系内都有且仅有一个点与之对应。
控制装置配置为从图像信息中提取出焊缝(即待作业对象的待作业部分)在图像坐标系内的第一轨迹路线，且位置视觉伺服模块配置为计算出在机械坐标系内的第二轨迹路线，第二轨迹路线与第一轨迹路线相对应，作业装置配置为沿第二轨迹路线作业。
更优选地，位置视觉伺服模块配置为能够结合实际工况而对第一轨迹路线进行二次处理，并根据二次处理的结果(即优化后的第一轨迹路线，将在后文详细描述)得到第二轨迹路线，并控制焊接装置沿第二轨迹路线运动。
结合图3，可以更直观地看到，控制装置的图像视觉伺服模块对移动装置(具体地是对摄像装置)进行控制时，会根据摄像装置所捕捉到的图像结合给定的图像坐标而计算并得出摄像装置运动律。且在图像视觉伺服模块中的伺服驱动环节，摄像装置的位置、速度也会反馈至伺服驱动模块从而使伺服电机调整对摄像装置的控制。即图像视觉伺服模块采用闭环控制的方式对摄像装置进行控制。
而控制装置的位置视觉伺服模块在对移动装置(具体地是焊接装置)进行控制时，根据摄像装置所采集到的图像中的特征信息计算焊缝的三维坐标，并结合实际情况以及原始参数等计算得到焊接装置的运动律。在该控制过程中不存在反馈，即位置视觉伺服模块采用开环控制的方式对焊接装置进行控制。
具体地，在焊接过程中首先给定移动装置本体的伺服电机一定转速运行；采用图像视觉伺服方法控制摄像机的运动，由移动装置本体、摄像装置联动运行，进而实现摄像头沿着波纹板焊缝方向随动仿形，通过识别焊缝的位置信息，来反馈控制摄像头的下一步动作趋势。
在摄像头获取焊缝的位置、宽度等图像信息后，控制装置的位置视觉伺服模块单向地控制焊接装置的操作。优选地，焊接装置的运动轨迹的获取，依据摄像头采集和控制装置计算出来的焊缝位置信息、缝宽信息(即第一轨迹路线)，再结合焊接装置和摄像头之间的偏置关系(标定的)进行计算，即可得到焊枪需要行走的轨迹(即第二轨迹路线)。焊接装置的驱动机构便带动焊接装置沿着该轨迹行走。
而由于焊接过程中随温度的变化飞溅、弧光等影响，会造成对图像采集效果的影响，进而影响控制装置对图像内的焊缝的识别。这样的误差反映到焊接装置的轨迹上，所形成的第二轨迹路线会出现跳点和不规律现象。所以优选地，在原始图像传递给控制装置前应该对图像进行处理。
进一步地，又由于集装箱波纹板一般比较长，焊接距离也有几米，加上焊接过程中移动装置本体、焊接装置自身及波纹板热变形等影响，导致采集并处理后的焊缝轨迹，与焊接装置正在焊接的焊缝轨迹有所差异。而焊缝的缝宽变化呈现规律性，因此更优选地，要考虑实际工况(包括波纹板的特点、混合视觉伺服并联机器人的运行状况以及环境状况)、各项工艺要求而对采集处理而得到的的第一轨迹路线进行第二次的规划处理和设计，使优化后的第一轨迹路线适应焊缝轨迹和缝宽的不规律性变化、适应实际工况，并能达到各项工艺要求。经处理后的第一轨迹路线，再综合与焊枪机构的偏置关系(标定的)进行计算，即得到焊枪机构的行走轨迹。
根据本实施方式的另一方面，还提供了一种运用上述混合视觉伺服并联机器人而进行集装箱的装配的作业，包括：
摄像装置获取其附近的图像信息；
控制装置进行对图像信息进行处理；
控制装置中的图像视觉伺服模块根据图像信息对摄像装置进行闭环控制，控制装置中的位置视觉伺服模块根据图像信息对摄像装置进行开环控制。
其中，控制装置对图像信息进行特征提取并得到相应的处理结果，位置视觉伺服模块根据处理结果进行计算，并根据计算结果控制焊接装置。更优选地，所述控制装置从所述图像信息中提取出待作业对象的待作业部分在图像坐标系内的第一轨迹路线，所述位置视觉伺服模块计算出在所述机械坐标系内的第二轨迹路线，所述第二轨迹路线与所述第一轨迹路线相对应，所述作业装置沿所述第二轨迹路线作业。进一步地，位置视觉伺服模块结合实际工况而对第一轨迹路线进行二次处理，并根据所述二次处理的结果计算第二轨迹路线。
本发明的并联机器人采用混合视觉伺服控制模块和方法来进行操作。这样，便能够结合图像视觉伺服控制方法和位置视觉伺服控制方法的优点，使得移动装置不仅能够适应波纹板折线变化的规律性，还要能够柔性适应焊缝和缝宽的变化，以保证焊接装置时刻对准实时待焊焊缝，进而保证焊接质量，提高集装箱制造的生产效率。
在本实施方式中，作业装置为焊接装置，但在其他未示出的实施方式中，作业装置可以为用于空间条形作业对象(直线、折线、曲线)进行切割、喷涂、焊接、流水线装配等作业的装置。
除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中出现的诸如“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。
本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。

Claims (6)

1.一种混合视觉伺服并联机器人，其特征在于，包括：
移动装置本体，所述移动装置本体构造为沿第一方向可移动，所述移动装置本体为平板状结构；
作业装置，所述作业装置与所述移动装置本体相连并能够随所述移动装置本体移动，且所述作业装置相对于所述移动装置本体在垂直于所述第一方向的第一平面内可移动；
摄像装置，所述摄像装置用于获取其附近的图像信息，所述摄像装置与所述移动装置本体相连并能够随所述移动装置本体移动，且所述摄像装置相对于所述移动装置本体在垂直于所述第一方向的第二平面内可移动，所述第二平面与所述第一平面间隔开；以及
控制装置，所述控制装置包括图像视觉伺服模块和位置视觉伺服模块，所述控制装置配置为处理所述图像信息，并通过所述图像视觉伺服模块内置摄像装置运动律对所述摄像装置的运动进行闭环控制；通过所述位置视觉伺服模块对所述作业装置的运动进行开环控制，其中，
所述控制装置内预存有图像坐标系和与所述图像坐标系存在映射关系的机械坐标系，所述控制装置配置为从所述图像信息中提取出待作业对象的待作业部分在图像坐标系内的第一轨迹路线，所述位置视觉伺服模块配置为能够结合实际工况而对所述第一轨迹路线进行二次处理，并根据所述二次处理的结果计算在所述机械坐标系内的第二轨迹路线，所述作业装置配置为沿所述第二轨迹路线作业，其中所述实际工况包括所述待作业对象的特点、所述混合视觉伺服并联机器人的运行状况和环境状况。
2.根据权利要求1所述的混合视觉伺服并联机器人，其特征在于，在所述第一平面内形成Y轴-O-Z轴垂直坐标系，在所述第二平面内形成Y1轴-O1-Z1轴垂直坐标系，并且，在空间内还存在第三平面和第四平面，Y轴、Y1轴同时在所述第三平面中，Z轴-Z1轴同时在所述第四平面中，所述第三平面近距离平行于所述移动装置本体的上表面，所述第四平面垂直于所述移动装置本体的上表面、所述第一平面及所述第二平面。
3.根据权利要求2所述的混合视觉伺服并联机器人，其特征在于，所述控制装置配置为对处理后的图像进行特征提取，并根据提取到的特征点在所述图像坐标系内的坐标、且基于所述摄像装置运动律而控制所述摄像装置以可变的速率沿Z1轴方向和/或Y1轴方向运动。
4.根据权利要求1所述的混合视觉伺服并联机器人，其特征在于，所述作业装置为焊接装置。
5.一种运用根据权利要求1-4中任意一项所述的混合视觉伺服并联机器人而进行集装箱的装配的作业方法，其特征在于，包括：
摄像装置获取其附近的图像信息；
控制装置进行对图像信息进行处理；
所述控制装置中的图像视觉伺服模块根据所述图像信息通过摄像装置运动律对所述摄像装置进行闭环控制，所述控制装置中的位置视觉伺服模块根据所述图像信息对作业装置进行开环控制，其中，
所述控制装置内预存有图像坐标系和与所述图像坐标系存在映射关系的机械坐标系，所述控制装置从所述图像信息中提取出待作业对象的待作业部分在图像坐标系内的第一轨迹路线，所述位置视觉伺服模块结合实际工况而对所述第一轨迹路线进行二次处理，并根据所述二次处理的结果计算在所述机械坐标系内的第二轨迹路线，所述作业装置沿所述第二轨迹路线作业，其中所述实际工况包括所述待作业对象的特点、所述混合视觉伺服并联机器人的运行状况和环境状况。
6.根据权利要求5所述的作业方法，其特征在于，所述作业装置为焊接装置。
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