CN114101850A - 一种基于ros平台的智能化焊接系统及其工作方法 - Google Patents

一种基于ros平台的智能化焊接系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于ROS平台的智能化焊接系统及其工作方法。所述系统基于ROS操作机器人系统框架实现，通过视觉传感设备采集焊缝轨迹数据，使用ROS平台进行运动轨迹规划并发送数据至机器人运动控制系统，而且能够实现ROS与机器人控制系统双向收发数据，从而省去了人工示教的麻烦，大大提高了焊接机器人的焊接自动化程度，实现智能化焊接。本发明适用于弧焊机器人的运动控制。

Description

一种基于ROS平台的智能化焊接系统及其工作方法
技术领域
本发明属于焊接机器人运动控制领域，具体涉及一种基于ROS平台的智能化焊接系统及其工作方法。
背景技术
焊接是制造业的核心技术之一，在工业生产中有着很重要的地位。目前，使用机器人完成焊接任务往往需要进行人工示教或者离线编程，焊接机器人一般只能按照固定的示教轨迹进行焊接，该方式已经不满足越来越高的焊接质量及精度要求。智能化焊接技术是目前的发展趋势，融合机器视觉等方式采集焊接动态过程信息、实时监控机器人状态和焊接情况和设计焊接智能控制系统是实现智能焊接的关键。
发明内容
本发明的目的在于针对目前人工示教的焊接自动化方法的不足，提供一种基于ROS平台的智能化焊接系统及其工作方法，利用机器视觉进行焊缝轨迹的定位，获取焊缝坐标，并使用ROS作为机器人控制系统，控制机器人运动并实时监控机器人运动状态，实现工业机器人的智能化焊接。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于ROS平台的智能化焊接系统，包括：图像采集与处理模块（1）、运动规划模块（2）、机器人显示模块（3）、通讯模块（4）、运动控制模块（5）、焊接模块（6）、执行模块（7）；
图像采集与处理模块（1）位于ROS端，用于在焊前定位焊缝起始位置，识别焊缝特征点，通过机器人手眼标定获取焊缝坐标，并进行数据处理，发送给ROS端，并且在焊接过程中，实时采集焊缝图像，并进行图像处理，监控焊接情况；
运动规划模块（2）位于ROS端，用于规划末端工具即焊枪的运动轨迹及位姿，通过机器人轨迹规划算法和机器人运动学算法规划出符合期望运动轨迹的同时满足焊接要求的末端姿态，规划速度较快，并且能够自动进行避障和碰撞检测；
机器人显示模块（3）位于ROS端，接收运动规划模块（2）发出的轨迹消息，能够进行机器人运动仿真，观察轨迹是否正确；另外，能够接收运动控制模块反馈回来的消息，实时显示机器人的状态，反馈实际机器人轨迹执行情况，并且用户可通过该模块实现图形化的人机交互；
通讯模块（4）位于ROS端，实现运动控制模块（5）与ROS端之间的通讯，通过该模块可在运动控制模块（5）和ROS端之间进行数据交互，ROS端规划完成的轨迹信息和机器人控制信号均通过该模块发送至运动控制模块（5），运动控制模块（5）也通过该模块将反馈信息发送回ROS端；
运动控制模块（5）用于控制机器人各个轴之间的运动，可使机器人按照期望的轨迹进行运动，并且可通过ROS端发送的控制信号启动焊机和调整机器人的焊接轨迹；
焊接模块（6）用于实现焊件之间的电弧焊接，并且可根据不同的焊接速度及焊接材料实现焊接电流、焊接电压的自适应调整，与机器人运动控制模块通过IO信号通讯；
机器人执行模块（7）为ABB六轴工业机器人，第六轴上固定焊枪，通过机器人运动控制模块（5）的控制，执行预定轨迹的焊接任务。
在本发明一实施例中，所述图像采集与处理模块（1）包括大恒工业相机（101）、镜头（102）、焊接滤光系统（103）、用于接收和处理焊缝图像的PC机（104）；
通过大恒相机自带的C++ SDK/Python SDK编程实现焊缝图像采集，并将大恒相机封装成ROS端中的节点，用于实时与ROS端进行数据交换；通过手眼标定可实时计算出相机的位姿，通过相机的内参矩阵能够将焊缝坐标由像素坐标系转换到相机坐标系，从而获取焊缝的坐标；相机标定步骤如下：
S1、制作棋盘格标定板，将标定板放置工作台上；
S2、将相机固定到焊枪上，启动ROS相机标定节点；
S3、调整机器人姿态，使得每个末端工具即焊枪姿态差异尽可能大，以提高标定精度，在不同机器人姿态下拍摄清晰完整的标定板图像，通过OpenCV进行相机内参标定，得到相机内参矩阵；
S4、通过机器人手眼标定，获取机器人末端坐标系与相机坐标系的变换矩阵，机器人手眼标定完成。
在本发明一实施例中，所述焊接滤光系统包括：焊接滤光片、650nm的窄带滤光片、透光率1%的减光片。
在本发明一实施例中，所述运动规划模块（2），使用Moveit的运动规划器进行机器人轨迹规划和逆运动学求解，并且可使用自定义的规划算法和运动学算法进行机器人运动规划。
在本发明一实施例中，所述机器人显示模块（3）通过接收相关数据消息，可进行运动学仿真、实时显示真实机器人的关节位置、机器人状态的信息，通过机器人显示模块（3）可进行机器人状态和焊接状态监控，以及用户可通过机器人显示模块（3）进行人机交互。
在本发明一实施例中，所述通讯模块（4），基于ROS-I的SimpleMessage协议，与ABB六轴工业机器人控制器进行通讯，用于向控制器传输机器人运动规划模块所规划完成的轨迹信息，包括轨迹点、运动周期、时间戳的信息；为实现焊接功能，通讯模块（4）在传输轨迹信息的同时，还向控制器发送是否开始焊接的信号，只有当要开始焊接时才会发送特定的焊接信号。
在本发明一实施例中，所述运动控制模块（5），能够接收来自机器人运动规划模块（2）的数据以及焊接信号的数据，并且控制机器人根据这些数据信息按照预期轨迹完成焊接任务。
本发明还提供了一种基于上述基于ROS平台的智能化焊接系统的工作方法，实现如下：
图像采集及处理模块通过采集焊缝图像，并进行图像处理获取焊缝轨迹坐标数据，再将焊缝坐标传输到机器人运动规划模块；
运动规划模块中的轨迹规划器进行轨迹规划并且通过机器人运动学求解算法进行机器人逆运动学求解，得到焊接过程中每个轨迹点的机器人关节数据，并通过话题的形式进行发布；机器人显示模块通过订阅机器人关节数据的话题消息显示机器人状态，以及进行运动学仿真；
通讯模块将从运动规划模块得到的数据发送至运动控制模块，同时也发送给焊接模块启动的信号和焊接速度的数值，焊接模块根据焊接速度、焊接材料自动调整对应的焊接电流和焊接电压的数值；运动控制模块接收相关数据和信号之后，在控制执行模块进行运动的同时开始焊接，完成焊接任务。
在本发明一实施例中，焊接过程中，运动控制模块将机器人的实时状态反馈至机器人显示模块，通过三维模型显示当前机器人的关节位置，以及在GUI界面显示机器人状态信息。
在本发明一实施例中，图像采集及处理模块在焊接过程中采集熔池图像，通过图像处理获取当前焊接状态，可实时监控焊接过程。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
（1）通过机器视觉和ROS将机器人状态监控和焊接过程监控融合为一体，可以实现焊接现场无人化，通过人机交互界面能够及时、准确地在远程控制焊接机器人进行作业；（2）能够精确自动识别焊缝位置，并且通过ROS可以与机器人控制系统实现双向数据传输，省去人工示教的麻烦，提高焊接自动化程度；（3）通过轨迹规划模块可以在线进行焊接路径规划，无需借助其他路径规划软件进行离线编程，提高了焊接作业的效率；在焊接前可进行焊接路径仿真验证，防止在焊接过程中出现事故，大大提高焊接作业的安全性。
本发明将机器视觉技术和ROS（机器人操作系统）结合，实现了智能焊接过程，不仅省去了繁杂又耗时的人工示教操作和离线编程等操作，而且实现了自动化和无人化焊接，工作人员无需在焊接现场也可掌握实时焊接状态，并完成人机交互操作，还可以实现焊前焊接路径验证。
附图说明
图1为本发明基于ROS的智能系统实现流程图。
图2为机器人显示模块。
图3为人机交互界面。
图4为相机标定原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
如图1所示，本发明一种基于ROS平台的智能化焊接系统，包括：图像采集与处理模块（1）、运动规划模块（2）、机器人显示模块（3）、通讯模块（4）、运动控制模块（5）、焊接模块（6）、执行模块（7）；
图像采集与处理模块（1）位于ROS端，用于在焊前定位焊缝起始位置，识别焊缝特征点，通过机器人手眼标定获取焊缝坐标，并进行数据处理，发送给ROS端，并且在焊接过程中，实时采集焊缝图像，并进行图像处理，监控焊接情况；
运动规划模块（2）位于ROS端，用于规划末端工具即焊枪的运动轨迹及位姿，通过机器人轨迹规划算法和机器人运动学算法规划出符合期望运动轨迹的同时满足焊接要求的末端姿态，规划速度较快，并且能够自动进行避障和碰撞检测；
机器人显示模块（3）位于ROS端，接收运动规划模块（2）发出的轨迹消息，能够进行机器人运动仿真，观察轨迹是否正确；另外，能够接收运动控制模块反馈回来的消息，实时显示机器人的状态，反馈实际机器人轨迹执行情况，并且用户可通过该模块实现图形化的人机交互；
通讯模块（4）位于ROS端，实现运动控制模块（5）与ROS端之间的通讯，通过该模块可在运动控制模块（5）和ROS端之间进行数据交互，ROS端规划完成的轨迹信息和机器人控制信号均通过该模块发送至运动控制模块（5），运动控制模块（5）也通过该模块将反馈信息发送回ROS端；
运动控制模块（5）用于控制机器人各个轴之间的运动，可使机器人按照期望的轨迹进行运动，并且可通过ROS端发送的控制信号启动焊机和调整机器人的焊接轨迹；
焊接模块（6）用于实现焊件之间的电弧焊接，并且可根据不同的焊接速度及焊接材料实现焊接电流、焊接电压的自适应调整，与机器人运动控制模块通过IO信号通讯；
机器人执行模块（7）为ABB六轴工业机器人，第六轴上固定焊枪，通过机器人运动控制模块（5）的控制，执行预定轨迹的焊接任务。
本发明基于ROS平台的智能化焊接系统的工作方法步骤如下:
1）图像采集及处理模块（1）通过采集焊缝图像，并进行图像处理获取焊缝轨迹坐标数据，再将焊缝坐标传输到机器人运动规划模块，进行后续处理。
2）运动规划模块（2）中的轨迹规划器进行轨迹规划并且通过机器人运动学求解算法进行机器人逆运动学求解，得到焊接过程中每个轨迹点的机器人关节数据（JointTrajectoryPointMessage）。得到的机器人关节数据通过话题的形式进行发布。机器人显示模块（3）通过订阅机器人关节数据的话题消息显示机器人状态，以及进行运动学仿真，如图2所示。
3）通讯模块（4）将运动规划得到的数据发送至运动控制模块（5），同时也发送了焊接模块（6）启动的信号和焊接速度的数值，焊接模块（6）能够根据焊接速度、焊接材料自动调整对应的焊接电流和焊接电压的数值，从而保证较高的焊接质量。
本发明通过QT5和Socket技术开发的人机交互界面，如图3所示。通过点击按钮即可完成焊接信号和焊接速度的发送，焊接信号分为焊接系统预放气信号和焊接信号，分别实现焊接前预放气功能和焊机启动功能。在焊接过程中通过该界面还能够实时接收显示运动控制模块（5）发送的机器人末端工具（焊枪）的实时速度tcpspeed。
4）运动控制模块（5）接收相关数据和信号之后，在控制执行模块（7）进行运动的时候也开始焊接，通过这一步骤即可完成焊接任务。
焊接过程中，运动控制模块（5）将机器人的实时状态反馈至机器人显示模块（3），通过三维模型显示当前机器人的关节位置，以及在GUI界面显示机器人状态信息等。
5）图像采集及处理模块（1）在焊接过程中采集熔池图像，通过图像处理获取当前焊接状态，可以实时监控焊接过程。
以下为本发明具体实现过程。
（一）、图像采集及处理模块（1）获取坐标数据
如图4所示，设定机器人基坐标系为{B}，机器人末端坐标系为{T}，相机坐标系{C}，标定板坐标系{O}。机器人基坐标系{B}与机器人末端坐标系{T}之间的变换矩阵为BTT，机器人末端坐标系{T}与相机坐标系{C}之间的变换矩阵为TTC，相机坐标系{C}到标定板{O}之间的变换矩阵为CTO，机器人基坐标系{B}与标定板坐标系{O}的变换矩阵为BTO。
根据机器人的D-H参数以及正运动学原理，可求得变换矩阵BTT。移动机器人，在两个姿态下各变换矩阵分别为BTT1，BTT2，T1TC1，T2TC2，C1TO，C2TO。根据两个姿态下，机器人基坐标系与标定板坐标系的变换矩阵不变，有以下公式成立：
BTT2·T2TC2·C2TO = BTT1·T1TC1·C1TO 公式（1）
上式经过左右移项，得到：
BTT1 -1·BTT2·T2TC2 = T1TC1·C1TO·C2TO -1 公式（2）
由于BTT1 -1·BTT2，C1TO·C2TO -1均已知，并且机器人末端工具坐标系与相机坐标系是相对固定不动的，即T2TC2 = T1TC1，因此可以求解出机器人末端工具坐标系{T}与相机坐标系{C}之间的变换矩阵为TTC。通过相机内参标定可以得到像素坐标系、图像坐标系以及相机坐标系之间的转换关系。因此通过矩阵变换可以将识别到的焊接位置的像素坐标转换为实际的世界坐标，从而可以控制焊接机器人运动到相对应的位置进行焊接。
（二）、运动规划模块（2）接收到相应的坐标之后，由轨迹规划器进行运动规划，该轨迹规划器自带碰撞检测算法，能够避免机器人碰撞。使用改进的RRT算法（RRTConnect）进行轨迹规划，该算法能够满足自动避障要求，轨迹规划完成后，使用机器人的运动学算法（Track_IK）进行逆运动学求解，得出运动过程中每个位置的六个关节轴的角度数据、每个点的运动周期以及时间戳等信息。
（三）、机器人显示模块（3）通过接收运动规划模块（2）发布的关节数据进行运动学仿真，同时通过ROS中的QT插件，开发了人机交互界面，可显示机器人状态信息和焊接模块（6）的IO信号状态的GUI界面，用户可完成调节机器人关节角度，以及切换机器人焊接／非焊接状态等操作。
（四）、运动规划完成后的信息通过通讯模块（4）传输给运动控制模块（5），通讯模块基于Socket方式与控制器连接，并且通过ROS-I的SimpleMessage协议完成数据的收发动作。
控制器Socket通讯流程步骤如下：
S1.连接Socket客户端，即ROS端中的运动规划模块（2）。
S2.接收客户端发送的机器人关节轨迹消息(JointTrajectoryPointMessage)，并解码成控制器对应的机器人数据格式。
S3.根据关节轨迹数据(JointTrajectoryPointMessage)控制机器人进行运动。
S4.运动时将机器人的关节反馈数据(JointResponse)到ROS端中。
控制器Socket通讯流程伪代码如下：
while(true)
if(tcp.isConnected())
{
tcp.receive(JointTrajectoryPointMessage)
jointPosition = decode(JointTrajectoryPointMessage)
MoveJ(jointPosition)
jointResponseMsg = encode(JointResponse)
tcp.send(jointResponseMsg)
}
else
{
tcp.connect()
}
}
其中，tcp为socket连接方式的一种。
通过SimpleMessage协议封装的机器人关节轨迹点数据格式如下：
消息头 + 关节数据（关节序列 + 六个关节角度 + 六个关节速度 + 六个关节周期）
其中，消息头为ROS-I中SimpleMessage定义的消息头格式，用于区分不同消息类型。关节序列为每段轨迹点的序列号，关节角度即机器人经过每个轨迹点时的各个关节角度和速度，关节周期为机器人在每个轨迹点的运动周期，由此可以确定机器人每两个轨迹点之间的距离。
（五）、用户通过交互界面将机器人切换为焊接状态。开始焊接时，运动规划模块（2）传输轨迹信息的同时也会传输一个特别设定的焊接信号，机器人运动控制模块（2）接收到轨迹信息和焊接信号后将会启动焊接模块（6），并控制机器人按照规划好的预定轨迹进行焊接。轨迹执行完毕后，该信号自动更改为其他值，焊接模块（6）停止，即焊接结束。
（六）、焊接过程中，机器人运动控制模块（2）将当前机器人的关节数据、机器人状态等信息再通过通讯模块（4）反馈到机器人显示模块（3），用户可以通过该模块观察到当前机器人有无异常。
（七）、焊接过程中，图像采集及处理模块（1）按一定的频率采集熔池图像，通过图像处理实现实时监控现场焊接情况。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于ROS平台的智能化焊接系统，其特征在于，包括：图像采集与处理模块（1）、运动规划模块（2）、机器人显示模块（3）、通讯模块（4）、运动控制模块（5）、焊接模块（6）、执行模块（7）；
图像采集与处理模块（1）位于ROS端，用于在焊前定位焊缝起始位置，识别焊缝特征点，通过机器人手眼标定获取焊缝坐标，并进行数据处理，发送给ROS端，并且在焊接过程中，实时采集焊缝图像，并进行图像处理，监控焊接情况；
运动规划模块（2）位于ROS端，用于规划末端工具即焊枪的运动轨迹及位姿，通过机器人轨迹规划算法和机器人运动学算法规划出符合期望运动轨迹的同时满足焊接要求的末端姿态，规划速度较快，并且能够自动进行避障和碰撞检测；
机器人显示模块（3）位于ROS端，接收运动规划模块（2）发出的轨迹消息，能够进行机器人运动仿真，观察轨迹是否正确；另外，能够接收运动控制模块反馈回来的消息，实时显示机器人的状态，反馈实际机器人轨迹执行情况，并且用户可通过该模块实现图形化的人机交互；
通讯模块（4）位于ROS端，实现运动控制模块（5）与ROS端之间的通讯，通过该模块可在运动控制模块（5）和ROS端之间进行数据交互，ROS端规划完成的轨迹信息和机器人控制信号均通过该模块发送至运动控制模块（5），运动控制模块（5）也通过该模块将反馈信息发送回ROS端；
运动控制模块（5）用于控制机器人各个轴之间的运动，可使机器人按照期望的轨迹进行运动，并且可通过ROS端发送的控制信号启动焊机和调整机器人的焊接轨迹；
焊接模块（6）用于实现焊件之间的电弧焊接，并且可根据不同的焊接速度及焊接材料实现焊接电流、焊接电压的自适应调整，与机器人运动控制模块通过IO信号通讯；
机器人执行模块（7）为ABB六轴工业机器人，第六轴上固定焊枪，通过机器人运动控制模块（5）的控制，执行预定轨迹的焊接任务。
2.根据权利要求1所述的一种基于ROS平台的智能化焊接系统，其特征在于，所述图像采集与处理模块（1）包括大恒工业相机（101）、镜头（102）、焊接滤光系统（103）、用于接收和处理焊缝图像的PC机（104）；
通过大恒相机自带的C++ SDK/Python SDK编程实现焊缝图像采集，并将大恒相机封装成ROS端中的节点，用于实时与ROS端进行数据交换；通过手眼标定可实时计算出相机的位姿，通过相机的内参矩阵能够将焊缝坐标由像素坐标系转换到相机坐标系，从而获取焊缝的坐标；相机标定步骤如下：
S1、制作棋盘格标定板，将标定板放置工作台上；
S2、将相机固定到焊枪上，启动ROS相机标定节点；
S3、调整机器人姿态，使得每个末端工具即焊枪姿态差异尽可能大，以提高标定精度，在不同机器人姿态下拍摄清晰完整的标定板图像，通过OpenCV进行相机内参标定，得到相机内参矩阵；
S4、通过机器人手眼标定，获取机器人末端坐标系与相机坐标系的变换矩阵，机器人手眼标定完成。
3.根据权利要求2所述的一种基于ROS平台的智能化焊接系统，其特征在于，所述焊接滤光系统包括：焊接滤光片、650nm的窄带滤光片、透光率1%的减光片。
4.根据权利要求1所述的一种基于ROS平台的智能化焊接系统，其特征在于，所述运动规划模块（2），使用Moveit的运动规划器进行机器人轨迹规划和逆运动学求解，并且可使用自定义的规划算法和运动学算法进行机器人运动规划。
5.根据权利要求1所述的一种基于ROS平台的智能化焊接系统，其特征在于，所述机器人显示模块（3）通过接收相关数据消息，可进行运动学仿真、实时显示真实机器人的关节位置、机器人状态的信息，通过机器人显示模块（3）可进行机器人状态和焊接状态监控，以及用户可通过机器人显示模块（3）进行人机交互。
6.根据权利要求1所述的一种基于ROS平台的智能化焊接系统，其特征在于，所述通讯模块（4），基于ROS-I的SimpleMessage协议，与ABB六轴工业机器人控制器进行通讯，用于向控制器传输机器人运动规划模块所规划完成的轨迹信息，包括轨迹点、运动周期、时间戳的信息；为实现焊接功能，通讯模块（4）在传输轨迹信息的同时，还向控制器发送是否开始焊接的信号，只有当要开始焊接时才会发送特定的焊接信号。
7.根据权利要求1所述的一种基于ROS平台的智能化焊接系统，其特征在于，所述运动控制模块（5），能够接收来自机器人运动规划模块（2）的数据以及焊接信号的数据，并且控制机器人根据这些数据信息按照预期轨迹完成焊接任务。
8.一种基于权利要求1-7任一所述的基于ROS平台的智能化焊接系统的工作方法，其特征在于，实现如下：
图像采集及处理模块通过采集焊缝图像，并进行图像处理获取焊缝轨迹坐标数据，再将焊缝坐标传输到机器人运动规划模块；
运动规划模块中的轨迹规划器进行轨迹规划并且通过机器人运动学求解算法进行机器人逆运动学求解，得到焊接过程中每个轨迹点的机器人关节数据，并通过话题的形式进行发布；机器人显示模块通过订阅机器人关节数据的话题消息显示机器人状态，以及进行运动学仿真；
通讯模块将从运动规划模块得到的数据发送至运动控制模块，同时也发送给焊接模块启动的信号和焊接速度的数值，焊接模块根据焊接速度、焊接材料自动调整对应的焊接电流和焊接电压的数值；运动控制模块接收相关数据和信号之后，在控制执行模块进行运动的同时开始焊接，完成焊接任务。
9.根据权利要求8所述的一种基于ROS平台的智能化焊接系统的工作方法，其特征在于，焊接过程中，运动控制模块将机器人的实时状态反馈至机器人显示模块，通过三维模型显示当前机器人的关节位置，以及在GUI界面显示机器人状态信息。
10.根据权利要求8所述的一种基于ROS平台的智能化焊接系统的工作方法，其特征在于，图像采集及处理模块在焊接过程中采集熔池图像，通过图像处理获取当前焊接状态，可实时监控焊接过程。
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