CN114453707A - 一种基于ToF技术的多场景小型自动焊接机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于ToF技术的多场景小型自动焊接机器人，包括：包括支撑底座，在该支撑底座上设置有环境感知单元、爬行单元、吸附单元、控制单元、图像采集单元、焊接单元、焊接驱动单元以及数据传输单元。本发明通过拍摄到周边环境图像，再根据周围的图像信息控制爬行单元和吸附单元完成焊接机器人移动，到达工作点之后，根据图像采集单元获取焊点三维信息，再控制焊接驱动单元以及爬行单元实现焊接单元在焊接工作面上的三维移动，实现采用逐行扫描的方式在每个焊接工作面完成焊接作业。
Description
技术领域
本发明涉及焊接自动化技术领域，特别是涉及一种基于ToF技术的多场景小型自动焊接机器人。
背景技术
基于ToF(Time ofFlight飞行时间)技术的三维成像是一种非扫描的三维成像技术。ToF摄像头包括激光发射器和光电阵列，其工作原理是激光发射器向被测物体发出可调制的红外光，计算光电阵列接收到被测物体反射光的时间差，从而实时准确地计算出摄像头被测物体之间的距离，将很多ToF传感器集中在一个阵列面上，其拍摄的图片即可实时获取整个场景表面几何结构信息，该三维成像技术具有不受环境光强度影响、成像迅速、成本较低等优点，经检索，ToF技术在焊缝的三维成像上尚属空白。
推动焊接领域向自动化方向发展的两种重要技术，一种是焊接机械臂，另一种是焊接专用设备。大多数焊接机械臂包含6个伺服电机，采用“示教再现”方法进行编程控制。焊接专用设备是针对某种特定产品而研制的自动化焊接设备，一般只是焊接平面上的直缝和圆缝，专利CN111360379A公开了一种管道焊接专用设备，该设备通过磁力吸附在管道上用环绕的方式完成焊接，只适合应用在管道焊接，一旦焊接产品改变了规格和形状，焊接专用设备就无法使用，焊接机械臂则需要重新编程才能完成焊接作业。
在船舱、集装箱等焊接修复现场，焊缝形状多样，涉及仰焊、立焊、横焊等多种焊接位置，作业空间狭小，手持式的焊接设备难以灵活作业，此外，焊接过程中产生的有毒气体在狭小空间内快速积聚，作业人员吸入后会引起化学性中毒，甚至死亡，从而使得焊接质量难以保证并且危及作业人员的生命健康安全。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于ToF技术的多场景小型自动焊接机器人，用以解决背景技术中提及的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于ToF技术的多场景小型自动焊接机器人，所述焊接机器人包括：
支撑底座，
环境感知单元，其设置在支撑底座的顶面，用于获取所述焊接机器人的周边环境的图像，并将获取到的图像传递至远程上位机中；
爬行单元，其包括设置在所述支撑底座两侧面的伺服电机以及与之所述伺服电机连接的电动推杆；
吸附单元，其包括电磁铁和足底，其中，所述电磁铁设置所述电动推杆的底部，所述电磁铁底部连接有所述足底；
控制单元，其包括电源模块，与电源模块相连的机载计算平台，以及分别与电源模块和所述机载计算平台相连的综合驱动板；
图像采集单元，其包括设置在所述支撑底座底面的ToF摄像头，用于采集焊缝的深度数据；
焊接单元，其通过焊接驱动单元设置在所述支撑底座的底面，实现二维运动；
其中，所述控制单元接收远程上位机发送的行动指令，并且根据该行动指令再通过所述综合驱动板驱动所述爬行单元和吸附单元执行动作；所述机载计算平台获取所述深度数据并将该数据进行处理，得到焊缝位置坐标并完成焊缝的三维重建，所述综合驱动板根据三维重建的结果，驱动焊接驱动单元以逐行扫描的方式完成焊接作业。
进一步的，所述环境感知单元包括工业相机和云台，该工业相机设置在云台上，所述云台设置在所述支撑底座的顶面，其中，所述环境感知单元获取的图像通过数据传输单元实时发送给远程上位机。
进一步的，在所述支撑底座每一侧面的两端均设置一个伺服电机；
所述电磁铁为球形电磁铁，该球形电磁铁的底部和所述足底通过万向节结构进行连接；
其中，所述控制单元，通过调节输入脉冲的频率和脉冲个数对所述伺服电机的转速和角度进行控制，使得所述焊接机器人以对角步态移动，在焊接作业时，通过给该球形电磁铁通电，使得足底固定在焊件表面。
进一步的，所述足底的下端面为软质橡胶多面机构。
进一步的，所述电动推杆通过PWM控制调节长度，从而控制支撑底座的升降。
进一步的，在所述ToF摄像头设在所述支撑底座底面的凹槽之中，该外侧还设置有镜头保护盖，该采用舵机驱动方式，在焊接作业时，通过所述综合驱动板驱动该镜头保护盖合上，用以保护ToF摄像头。
进一步的，所述焊接单元包括：焊接喷嘴、焊接基座、焊丝盘以及焊接软管；所述焊丝盘设置在所述支撑底座的顶面，其用于存储焊丝；所述焊接喷嘴设置在所述焊接基座上，所述焊接基座设置在所述焊接驱动单元上；所述焊接软管连通所述焊接基座与所述焊接喷嘴。
进一步的，所述焊接驱动单元包括：
第一导轨，其成对地、间隔一定距离地以及，沿底面纵向或者横向设置在所述支撑底座的底面，其中，该第一导轨上均设置有第一滑块；
第一定滑轮和第一步进电机，其设置在所述第一导轨的两端，
第二导轨，其成对地、间隔一定距离地以及与所述第一导轨垂直地设置在所述支撑底座的底面，其中，该第二导轨的两端设置在所述第一滑块中，并且该第二导轨上设置有焊接基座；
第二定滑轮和第二步进电机，其设置在所述第一导轨的两端；
其中，同一轨道上的定滑轮通过皮带相连，步进电机为对应位置处的定滑轮提供动力；所述的第一滑块和焊接基座均通过皮带轮与皮带连接，实现在导轨上滑动。
进一步的，所述综合驱动板包括：步进电机驱动板、伺服电机驱动板、电动推杆驱动板、球形电磁铁控制板和镜头保护盖控制板。
进一步的，所述数据传输单元为WiFi模块。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种基于ToF技术的多场景小型自动焊接机器人，用以在焊接产品的规格和形状改变或未知的情况下，自行完成焊接过程，解决了在船舱、集装箱等特定焊接修复现场由于空间狭小、焊缝形状多样、产生有害气体等因素导致的手工焊接质量难以保证和危害作业人员生命健康安全的问题。
附图说明
图1为本实施例1中提供的一种基于ToF技术的多场景小型自动焊接机器人的正面视角的立体图；
图2为本实施例1中提供的一种基于ToF技术的多场景小型自动焊接机器人的仰面视角的立体图；
图3为本实施例1中提供的一种基于ToF技术的多场景小型自动焊接机器人的仰视图；
图4为本实施例1中提供的一种基于ToF技术的多场景小型自动焊接机器人的主视图；
图5为本实施例1中提供的一种基于ToF技术的多场景小型自动焊接机器人的各模块的框架图；
附图中：
1-支撑底座、201-工业相机、202-云台、301-伺服电机、302-电动推杆、401-球形电磁铁、402-足底、501-ToF摄像头、502-镜头保护盖、601-焊接喷嘴、602-焊接基座、603-焊丝盘、604-焊接软管、711-第一导轨、712-第一滑块、713-第一定滑轮、714-第一步进电机、721-第二导轨、722-第二定滑轮、723-第二步进电机、8-皮带、9-皮带轮。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1-图5，本实施例提供一种基于ToF技术的多场景小型自动焊接机器人，该机器人具体包括支撑底座1，在该支撑底座1上设置有环境感知单元、爬行单元、吸附单元、控制单元、图像采集单元、焊接单元、焊接驱动单元以及数据传输单元。
环境感知单元，其设置在支撑底座1的顶面，用于获取焊接机器人的周边环境的图像，并将获取到的图像传递至远程上位机中；具体的说，在本实施例中，该环境感知单元包括工业相机201和云台202，该工业相机201设置在云台202上，云台202设置在支撑底座1的顶面，该工业相机201能够360°旋转拍摄周边环境图像；其中，环境感知单元获取的图像通过数据传输单元实时发送给远程上位机，该数据传输单元将远程上位机的指令发送给控制单元。更具体的说，在本实施例中，该数据传输单元采用WiFi模块。
爬行单元，其包括设置在支撑底座两侧面的伺服电机301以及与之伺服电机301连接的电动推杆302；具体的说，在本实施例中，在支撑底座1每一侧面的两端均设置一个伺服电机301，也即是一共4个伺服电机301。
吸附单元，其包括电磁铁和足底402，其中，电磁铁设置电动推杆302的底部，电磁铁底部连接有足底402；具体的说，电磁铁在本实施例中采用球形电磁铁401，该球形电磁铁401的底部和足底402通过万向节结构进行连接；在本实施例中，该足底402的下端面为软质橡胶多面机构，在各个方向内获得与焊件的最大接触面积，从而更好地适应立焊、仰焊等操作，到达指定焊接位置后，通过给球形电磁铁401上电，使得焊接机器人固定在焊件表面，开始焊接作业。
控制单元，其包括电源模块，与电源模块相连的机载计算平台，以及分别与电源模块和机载计算平台相连的综合驱动板，具体的说，在本实施例中，该综合驱动板包括：步进电机驱动板、伺服电机驱动板、电动推杆驱动板、球形电磁铁控制板和镜头保护盖控制板。
图像采集单元，其包括设置在支撑底座底面的ToF摄像头501，用于采集焊缝的深度数据；具体的说，在本实施例中，该ToF摄像头501设在支撑底座1底面的凹槽之中，该外侧还设置有镜头保护盖502，该采用舵机驱动方式，在焊接作业时，通过镜头保护盖控制板驱动该镜头保护盖502合上，用以保护ToF摄像头501。
具体的说，在本实施例中，该ToF摄像头501用于获取焊缝的三维信息，其成像原理如下：
在一个完整的周期内，包含两次激光发射与像素曝光，第一次激光以脉冲波发射，宽度为Tp同时接收器像素开始曝光，曝光时间与脉冲发射时间相同，因此像素仅在接收到目标反射的激光的有效曝光时间段ΔT内接收了反射光，像素输出电压V1与△T成正比；在第二个曝光时间段，Tp不变，像素曝光时间增加，覆盖了第二次反射光的全过程，因此第二次脉冲输出电压：
从而得到光反射的时间：
Tf＝Tp-ΔT
因此焊缝与ToF摄像头的距离：
阵列式的ToF传感器得到的距离信息经过迭代最近点算法处理后即可完成焊缝的三维信息重建。
更具体的说，在本实施例中，通过处理图像采集单元得到的深度信息，识别焊件与焊缝区域，再将ToF摄像头501的固定位置与焊件坐标系进行转换，进而得到焊缝的位置坐标。
焊接单元，其通过焊接驱动单元设置在支撑底座1的底面，实现二维运动；具体的说，在本实施例中，该焊接单元包括：焊接喷嘴601、焊接基座602、焊丝盘603以及焊接软管604；焊丝盘603设置在支撑底座1的顶面，其用于存储焊丝；焊接喷嘴601设置在焊接基座602上，焊接基座602设置在焊接驱动单元上；焊接软管604连通焊接基座602与焊接喷嘴601。
更具体的说，在本实施例中，该焊接驱动单元包括：
第一导轨711，其成对地、间隔一定距离地以及，沿底面纵向或者横向设置在支撑底座1的底面，其中，该第一导轨上均设置有第一滑块712；
第一定滑轮713和第一步进电机714，其设置在第一导轨711的两端，
第二导轨721，其成对地、间隔一定距离地以及与第一导轨711垂直地设置在支撑底座1的底面，其中，该第二导轨721的两端设置在第一滑块712中，并且该第二导轨721上设置有焊接基座602；
第二定滑轮722和第二步进电机723，其设置在第一导轨711的两端；
其中，同一轨道上的定滑轮通过皮带8相连，步进电机为对应位置处的定滑轮提供动力；第一滑712块和焊接基座602均通过皮带轮9与皮带8连接，实现在导轨上滑动。
具体的说，在本实施中，通过设置该第一导轨711和第二导轨721，以及相应的电机滑轮等配件，使得焊接基座602能够在焊接工作面上任意移动，相应的，因为焊接喷嘴601也设置在焊接基座602上，因此，也能随着焊接基座602运动而运动。
具体的说，在本实施中，控制单元接收远程上位机发送的行动指令，并且根据该行动指令再通过伺服电机驱动板以及电动推杆驱动板驱动伺服电机301以及电动推杆302。电动推杆302通过PWM控制调节长度，从而控制支撑底座1的升降；伺服电机驱动板通过调节输入脉冲的频率和脉冲个数对伺服电机301的转速和角度进行控制，使得焊接机器人以对角步态移动；
当到达焊接工作点时，图像采集单元获取焊缝的深度数据，并将该深度数据传递至机载计算平台将该深度数据进行处理，得到焊缝位置坐标并完成焊缝的三维重建，综合驱动板根据三维重建的结果，驱动焊接驱动单元采用逐行扫描的方式在每个焊接工作面完成焊接作业。
更具体的说，在本实施例中，电动推杆302通过PWM控制调节长度，从而控制焊接工作面的升降，使焊接喷嘴601能够三维空间内运动。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于ToF技术的多场景小型自动焊接机器人，其特征在于，所述焊接机器人包括：
支撑底座，
环境感知单元，其设置在支撑底座的顶面，用于获取所述焊接机器人的周边环境的图像，并将获取到的图像传递至远程上位机中；
爬行单元，其包括设置在所述支撑底座两侧面的伺服电机以及与之所述伺服电机连接的电动推杆；
吸附单元，其包括电磁铁和足底，其中，所述电磁铁设置所述电动推杆的底部，所述电磁铁底部连接有所述足底；
控制单元，其包括电源模块，与电源模块相连的机载计算平台，以及分别与电源模块和所述机载计算平台相连的综合驱动板；
图像采集单元，其包括设置在所述支撑底座底面的ToF摄像头，用于采集焊缝的深度数据；
焊接单元，其通过焊接驱动单元设置在所述支撑底座的底面，实现二维运动；
其中，所述控制单元接收远程上位机发送的行动指令，并且根据该行动指令再通过所述综合驱动板驱动所述爬行单元和吸附单元执行动作；所述机载计算平台获取所述深度数据并将该数据进行处理，得到焊缝位置坐标并完成焊缝的三维重建，所述综合驱动板根据三维重建的结果，驱动焊接驱动单元以逐行扫描的方式完成焊接作业。
2.根据权利要求1所述的一种基于ToF技术的多场景小型自动焊接机器人，其特征在于，所述环境感知单元包括工业相机和云台，该工业相机设置在云台上，所述云台设置在所述支撑底座的顶面，其中，所述环境感知单元获取的图像通过数据传输单元实时发送给远程上位机。
3.根据权利要求2所述的一种基于ToF技术的多场景小型自动焊接机器人，其特征在于，在所述支撑底座每一侧面的两端均设置一个伺服电机；
所述电磁铁为球形电磁铁，该球形电磁铁的底部和所述足底通过万向节结构进行连接；
其中，所述控制单元，通过调节输入脉冲的频率和脉冲个数对所述伺服电机的转速和角度进行控制，使得所述焊接机器人以对角步态移动，在焊接作业时，通过给该球形电磁铁通电，使得足底固定在焊件表面。
4.根据权利要求3所述的一种基于ToF技术的多场景小型自动焊接机器人，其特征在于，所述足底的下端面为软质橡胶多面机构。
5.根据权利要求4所述的一种基于ToF技术的多场景小型自动焊接机器人，其特征在于，所述电动推杆通过PWM控制调节长度，从而控制支撑底座的升降。
6.根据权利要求5所述的一种基于ToF技术的多场景小型自动焊接机器人，其特征在于，在所述ToF摄像头设在所述支撑底座底面的凹槽之中，该外侧还设置有镜头保护盖，该采用舵机驱动方式，在焊接作业时，通过所述综合驱动板驱动该镜头保护盖合上，用以保护ToF摄像头。
7.根据权利要求6所述的一种基于ToF技术的多场景小型自动焊接机器人，其特征在于，所述焊接单元包括：焊接喷嘴、焊接基座、焊丝盘以及焊接软管；所述焊丝盘设置在所述支撑底座的顶面，其用于存储焊丝；所述焊接喷嘴设置在所述焊接基座上，所述焊接基座设置在所述焊接驱动单元上；所述焊接软管连通所述焊接基座与所述焊接喷嘴。
8.根据权利要求7所述的一种基于ToF技术的多场景小型自动焊接机器人，其特征在于，所述焊接驱动单元包括：
第一导轨，其成对地、间隔一定距离地以及，沿底面纵向或者横向设置在所述支撑底座的底面，其中，该第一导轨上均设置有第一滑块；
第一定滑轮和第一步进电机，其设置在所述第一导轨的两端，
第二导轨，其成对地、间隔一定距离地以及与所述第一导轨垂直地设置在所述支撑底座的底面，其中，该第二导轨的两端设置在所述第一滑块中，并且该第二导轨上设置有焊接基座；
第二定滑轮和第二步进电机，其设置在所述第一导轨的两端；
其中，同一轨道上的定滑轮通过皮带相连，步进电机为对应位置处的定滑轮提供动力；所述的第一滑块和焊接基座均通过皮带轮与皮带连接，实现在导轨上滑动。
9.根据权利要求8所述的一种基于ToF技术的多场景小型自动焊接机器人，其特征在于，所述综合驱动板包括：步进电机驱动板、伺服电机驱动板、电动推杆驱动板、球形电磁铁控制板和镜头保护盖控制板。
10.根据权利要求9所述的一种基于ToF技术的多场景小型自动焊接机器人，其特征在于，所述数据传输单元为WiFi模块。
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