CN110293345A - 一种基于嵌入式视觉的相贯线焊接机器人 - Google Patents

Abstract

一种基于嵌入式视觉的相贯线焊接机器人，它的特征在于能根据嵌入式视觉系统采集的信息，实现焊接焊缝的定位与避障。本技术领域属于相贯线焊接领域，针对在相贯线焊接领域存在的定位不准确，避障难克服的问题，设计了一种利用双目视觉定位的相贯线焊接机器人。双目视觉模块将采集到的相贯线焊缝的图像，通过三维立体还原算法，进行三维图像还原，然后标定出焊缝在三维图中坐标，将标定的数据传给底层嵌入式系统。嵌入式系统根据定位算法将焊枪精准的定位到焊缝焊接起始位置处，机器人开始工作，直至焊接结束。焊枪和机械臂处均安装有红外传感器，用于定位或焊接时的避障。当红外传感器检测到有障碍物时会自动调整机械臂的姿态，达到避障的效果。

Description

一种基于嵌入式视觉的相贯线焊接机器人

技术领域

本发明专利主要涉及机器人焊接领域，具体涉及一种基于嵌入式视觉的相贯线焊接机器人。

背景技术

现代焊接领域中焊接机器人种类繁多，但是能实现防止碰撞和焊缝定位功能的相贯线焊接机器人少之又少，因此大多数机器人仍采用焊缝固定且位置明确的简单焊接。考虑到焊缝和焊件的位置不明确，机械臂与形成相贯线的插接管道相碰撞等情况，此时焊接机器人应有更高的性能。

发明内容

本发明专利是一种基于嵌入式视觉的相贯线焊接机器人，它的主要特征是能够自动对焊件的焊缝进行识别标定，还能够实现对焊接机器人的防撞。当规划好焊接轨迹后，嵌入式处理器会控制焊枪按照规定的路径进行焊接。当传感器模块在焊接时采集到障碍物信息时，会立马将信息传给嵌入式处理器，嵌入式处理器会立刻做出反应，防止焊接机器人的焊枪模块和焊件之间碰撞。

双目视觉模块安装在机器人的焊枪的前端，在焊枪的各个机械臂上均安装有红外传感器，每个传感器均和嵌入式处理器的输入口相接，焊枪模块安装在焊接机械臂的末端。嵌入式处理器模块安装在焊接机器人的基座里面，电源模块安装在处理器模块的下端。

双目视觉模块将采集到的二维的图像信息传给嵌入式处理器，嵌入式处理器将输入的二维图像信息根据三维图像复原算法进行复原，然后在三维的复原图像中把焊缝的位置进行标定，做到对焊缝的精准的定位。

如图1所示，嵌入式双目视觉的相贯线焊接机器人的外部结构组成分为以下几个部分：外壳7、双目摄像头8、焊枪9、双目摄像头支架10、机械臂11、底盘12、履带式车轮13、电源开关14几部分组成。如图2所示，内部系统由嵌入式处理器模块1；电机驱动模块2；电源模块3；红外传感器模块4；嵌入式双目视觉模块5；显示屏幕6几大部分。如图4所示，相贯线焊缝15是由主管16和支管17插接相成的。核心是嵌入式双目视觉模块5和嵌入式处理器模块1，为检测、定位、跟踪相贯线焊缝提供了非常可靠的解决方案。

采用嵌入式双目视觉模块5，通过采集相贯线焊缝图像信息，识别焊缝的特征信息，通过KEIL编写程序实现对焊缝的识别与定位，从而得到焊缝的位置信息。将位置信息进行处理分析，获取目标的X、Y、Z位置信息，打包发给焊接机器人，从而实现系统对目标物体的识别。

以STM32单片机嵌入式处理器模块作为嵌入式处理器模块1，运动平台获取目标位置信息，通过KEIL编写程序，采用PID调节，使焊接机器人能对焊缝实现精准的定位，提高目标识别速效率，确保实时性。

采用红外传感器模块4，红外传感器安装在焊接机器人的机械臂上，当红外传感器采集到的有障碍物时，需要及时调整焊接机械臂的姿态，防止焊接机器人与焊件相撞。

技术方案

本发明的定位原理，以焊缝作为定位的目标，相贯线焊缝是两个相交管道形成的。根据焊接要求，需要焊接的相贯线焊缝大不一样。因此对焊缝的定位特别重要。

焊缝定位原理如图3所示，通过摄像头检测到焊缝，当摄像头的焦距和焊缝的尺寸已知，利用坐标系和摄像头坐标系间的变换，即可计算出焊缝相对于摄像头坐标系下的三维坐标。建立以焊缝中心为原点，其平面为XY的坐标系的向量空间，当摄像头中心位置与焊缝中心位置重合时，系统获取到的位置坐标信息为(0，0，0)，实际检测到的目标位置信息中Z轴为负值。通过建立目标位置坐标信息，是嵌入式定位系统的基础。

机械臂防撞原理，根据提取的焊缝特征信息进行特征三维的复原。计算出相贯线的实际的高度三维坐标，并通过嵌入式系统与目标物体竖直方向的相对高度差，使嵌入式系统迅速地调整机械臂的位置和姿态。防止机械臂和焊件之间碰撞。

如图2所示，系统内部结构包括嵌入式处理器模块1：采用STM32处理器作为嵌入式处理器模块。电机驱模块2：采用全桥电机驱动芯片，电流最高5A，电压采用24V电源供电。电源模块3：系统采用24V可充放电锂电池供电，并作为电机驱动模块的电源，通过电压转换芯片为系统提供3.3V和5V的电源。红外传感器模块4：采用低功耗的红外传感器模块，本设计中采用的是HC-SR501型号，其工作电压为3.3V。嵌入式双目视觉模块5：采用嵌入式双目视觉模块，它是由一个基于STM32F4嵌入式单片机和摄像头组成的微型机器视觉模块，由5V电源供电。

如图5所示，系统软件主程序流程：嵌入式双目视觉焊接系统的软件设计首先对I/O口、PWM、SPI等进行初始化，并且初始化中断。判断系统是否初始化完毕。当判断为初始化完毕时，串口片选嵌入式双目视觉模块，获取一帧摄像头图像，判断图像中是否含有目标焊缝，当判断为含有时，接收传感器传来的焊缝相对于摄像头的三维坐标数据，解析坐标信息，根据相应的定位算法驱动电机运动，使嵌入式双目视觉焊接系统定位目标并能驱动机械臂准确到达最佳焊接位置处，机器人的运动包括前进、后退、左右移动、左右旋转、绕动。

附图说明

图1嵌入式双目视觉焊接机器人外部结构图

图2嵌入式双目视觉焊接系统内部结构图

图3焊缝定位原理

图4目标焊缝图

图5主程序流程图

图中：1—嵌入式处理器模块；2—电机驱动模块；3—电源模块；4—红外传感器模块；5—嵌入式双目视觉模块；6—显示屏；7—外壳；8—双目摄像头；9—焊枪；10—双目摄像头支架；11—机械臂；12—底盘；13—履带式车轮；14—电源开关；15—相贯线焊缝；16—主管；17—支管。

具体实施方式

外部系统连接：履带式车轮系统13和底盘12组成硬件运动平台，在该平台上固定各个电路模块，机械臂11末端支撑并固定焊枪9，双目摄像头支架10支撑并固定双目摄像头模块8，电源开关14安装在外壳7的侧面。

内部系统连接：电源模块与各个模块相连接，嵌入式处理器模块1的串口与嵌入式双目视觉模块5的串口相连接，嵌入式处理器模块1的通讯口与红外传感器模块4相连接，电机驱动模块2的串口与嵌入式处理器模块1的串口相连接。红外传感器模块采集相贯线的位置信号，转换成数字信号传送给嵌入式处理器模块，通过PID算法转换为PWM输出信号控制电机运动。

通过调试运行，嵌入式双目视觉焊接系统能够稳定工作，并且能实现自主的防撞。对焊缝的识别率较高，能够稳定跟随定位焊缝的运动，并使得焊枪能有最优的位置去焊接焊缝。

Claims (5)

1.一种基于嵌入式视觉的相贯线焊接机器人，其特征在于：它包括嵌入式处理器模块，双目视觉模块，电源模块，传感器模块，焊枪模块。双目视觉模块将采集到的图像信息传送给嵌入式处理器，嵌入式处理模块通过相应的算法将收到的图像进行三维复原，复原之后，从三维图中标定出相贯线焊缝的位置，然后嵌入式处理器将标定出的位置信息传送给焊枪模块，焊枪模块根据嵌入式处理器提供的位置进行焊接，传感器模块用于在焊枪移动时防止和焊接的管碰撞。电源模块和嵌入式处理器模块、双目视觉模块、传感器模块、焊枪模块连接，为这4个模块提供能量。

2.根据权利要求1所述的一种基于嵌入式视觉的相贯线焊接机器人，其特征在于：所述的视觉模块采用树莓派的CM3双目视觉模块，它主要用于对相贯线焊缝的三维的建模，将采集到的图像信息传送给嵌入式处理器。

3.根据权利要求1所述的一种基于嵌入式视觉的相贯线焊接机器人，其特征在于：所述的嵌入式处理模块采用ST系列的单片机，嵌入式处理器模块负责对双目视觉模块和传感器模块采集的图像信息和位置信息进行处理，负责控制焊枪模块。

4.根据权利要求1所述的一种基于嵌入式视觉的相贯线焊接机器人，其特征在与于：所述的传感器模块是红外传感器，当红外传感器模块采集到的障碍物时会将此信息传给嵌入式处理器，嵌入式处理器会立即做出反应，防止机械臂在焊接相贯线时与焊件发生碰撞。

5.根据权利要求1所述的一种基于嵌入式视觉的相贯线焊接机器人，其特征在于：所述的电源模块是能提供24V和12V、5V、3.3V电压的多输出电源，主要负责对其他模块提供能量。