CN114986050A - 一种基于ros系统的焊接机器人系统及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于ROS系统的焊接机器人系统及工作方法，包括：位于焊台一侧的焊接机械臂，末端连接单目视觉系统；双目视觉系统位于焊接机械臂上方空间；上位机根据双目视觉系统获取的工件图像信息得到当前焊缝信息，根据工件特征信息和当前焊缝信息与上位机中的数据库对比，确定工件的三维焊缝信息和焊接工艺信息，得到焊接基准路径并控制焊接机械臂沿焊接基准路径扫描焊缝；根据单目视觉系统中的激光传感器发出的线结构光，扫描焊缝获取的图像信息与焊接基准路径对比更新焊缝三维位置信息，重新规划焊接轨迹后控制焊接机械臂执行焊接。通过双目相机搭配焊件数据库确认焊接参数，配合单目相机在焊接之前扫描焊缝并更新焊缝轨迹。

Description

一种基于ROS系统的焊接机器人系统及工作方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体为一种基于ROS系统的焊接机器人系统及工作方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
传统焊接机器人的焊接模式是根据工件的位置以及形状进行示教编程，或者预编程，使机器人根据示教完成后的轨迹执行焊接，此种方式需要投入大量的人力和时间，且仅适用于标准化以及小规模的焊接环境。而在非标准化、大规模的复杂焊接环境中，此种模式的焊接效率低下、灵活度低。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于ROS系统的焊接机器人系统及工作方法，通过双目相机搭配焊件数据库，并通过参数化编程软件确认焊接参数执行焊接，在焊接过程使用激光发射器与单目相机配合的方式实时跟踪焊缝，若产生热变形等导致的实际焊接路径与理论焊接路径偏离，机器人会实时纠偏，使其精确度更高，普适性更强，节省人力成本且提高生产效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种基于ROS系统的焊接机器人系统，包括：
焊接机械臂，位于焊台一侧，焊接机械臂末端连接单目视觉系统，单目视觉系统连接上位机；
双目视觉系统，位于焊接机械臂上方空间并与上位机连接，用于获取焊台中工件的图像信息并传递给上位机；
上位机，被配置为：根据双目视觉系统获取的工件图像信息得到当前焊缝信息，根据工件特征信息和当前焊缝信息与上位机中的数据库对比，确定工件的三维焊缝信息和焊接工艺信息，得到焊接基准路径并控制焊接机械臂沿焊接基准路径扫描焊缝；根据单目视觉系统中的激光传感器发出的线结构光，扫描焊缝获取的图像信息与焊接基准路径对比更新焊缝三维位置信息，重新规划焊接轨迹后控制焊接机械臂执行焊接。
焊台分别连接焊丝桶和运输带，运输带一侧设有码垛机械臂，运输带连接控制柜。
双目视觉系统包括连接在焊台上的相机支架，相机支架顶端连接双目相机。
单目视觉系统包括连接在焊接机械臂末端焊枪处的单目相机，单目相机一侧连接激光发射器，激光发射器发射出线结构光。
焊枪连接在焊接机械臂末端的执行器上，与焊接机械臂坐标系具有固定的转换矩阵，单目相机和激光发射器均与焊枪具有固定的坐标系变换。
本发明的第二个方面提供上述系统的工作方法，包括：
根据双目视觉系统获取的图像信息判断是否存在工件，若存在则根据工件图像信息识别工件的特征信息，并将特征信息和工件坐标位置信息传递给上位机，完成焊接粗定位并粗定位信息传递给焊接机械臂；
根据工件图像信息得到当前焊缝信息，将工件的特征信息和当前焊缝信息与上位机中的数据库对比，确定工件类型和工件对应的三维焊缝信息和焊接工艺信息，得到焊接基准路径传递给焊接机械臂；
机械臂根据接收到的粗定位信息和焊接基准路径扫描焊缝，执行焊接机械臂焊接轨迹规划。
焊机调参，具体为，根据数据库中确定的工件类型得到供参考的焊接工艺参数传递到上位机的显示界面中；根据实际需求修改焊缝特征和工艺参数；根据焊接参数初始化焊枪的电源状态，初始化后焊接机械臂返回标志位。
执行焊接机械臂焊接轨迹规划，具体为，焊接机械臂在不起弧状态下执行至少一次焊接轨迹运动；根据单目视觉系统中的激光传感器发出的线结构光，沿匹配到的焊接基准路径扫描至少一次，获取焊缝图像信息；通过扫描获取的当前焊缝位置信息与焊接基准路径对比，更新焊缝信息，补偿粗定位误差。
焊缝信息经补偿后，焊缝的三维位置信息得到更新，利用重新规划后的焊接轨迹控制焊接机械臂执行焊接。
焊接过程中，单目视觉系统获取工件热变形造成的误差，得到误差特征信息；当特征点符合当前焊缝路径则依据当前路径继续执行焊接，若不符合则执行热变形修正。
与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
1、通过双目相机搭配焊件数据库确认焊接参数，利用双目相机和单目相机相配合在焊接之前扫描并更新焊缝轨迹信息，在焊接过程中使用激光发射器发出的线结构光与单目相机配合的方式实时跟踪焊缝。
2、使机器人执行工件识别、焊缝的定位与跟踪，以及焊接的执行过程全部实现自动化，并且针对多种不同类别的焊接工艺有较好的普适性，通过线结构光加单目的视觉系统对于焊接过程中实时纠偏的过程使焊接精度提高，进而使焊接系统具有较高的焊接效率和焊接质量，能够在非标准化、大规模的复杂焊接环境中不再使用传统的示教编程或预编程方式来规划焊接轨迹，进而节省时间提高焊接效率。
3、若产生热变形等导致的实际焊接路径与理论焊接路径偏离，机器人会实时纠偏，使其精确度更高，普适性更强，节省人力成本且提高生产效率。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明一个或多个实施例提供的焊接机器人系统的结构示意图；
图2是本发明一个或多个实施例提供的焊接样机的双目视觉系统结构示意图；
图3是本发明一个或多个实施例提供的焊接样机的单目视觉系统结构示意图；
图4是本发明一个或多个实施例提供的工件结构示意图；
图5(a)-(b)是本发明一个或多个实施例提供的上位机软件界面示意图；
图6是本发明一个或多个实施例提供的焊接机器人工作过程流程示意图；
图1中：1机械臂控制柜、2上位机、3焊机、4焊丝桶、5焊接机械臂、6双目视觉系统、7单目视觉系统、8码垛机械臂、9运输带、10运输带控制柜、11焊台；
图2中：101双目相机、102相机支架；
图3中：201执行器焊枪、202激光发射器、203单目相机；
图4中：301焊接工件。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术中所描述的，传统焊接机器人的焊接模式是根据工件的位置以及形状进行示教编程，或者预编程，使机器人根据示教完成后的轨迹执行焊接，此种方式需要投入大量的人力和时间，且仅适用于标准化以及小规模的焊接环境。而在非标准化、大规模的复杂焊接环境中，此种模式的焊接效率低下、灵活度低，则预先示教或编程的方式并不适用。
ROS(Robot Operating System)是一种用于编写机器人软件程序的一种具有高度灵活性的软件架构，自2010年由Willow Garage公司发布以来逐渐完善并普及，它包含了大量工具软件、库代码和约定协议，旨在简化跨机器人平台创建复杂、鲁棒的机器人行为这一过程的难度与复杂度。
因此，以下实施例给出了一种基于ROS系统的焊接机器人系统及工作方法，通过双目相机搭配焊件数据库，并通过参数化编程软件确认焊接参数执行焊接，在焊接过程使用激光发射器与单目相机配合的方式实时跟踪焊缝，若产生热变形等导致的实际焊接路径与理论焊接路径偏离，机器人会实时纠偏，使其精确度更高，普适性更强，节省人力成本且提高生产效率。
实施例一：
如图1-5所示，一种基于ROS系统的焊接机器人系统，包括：
焊接机械臂，位于焊台一侧，焊接机械臂末端连接单目视觉系统，单目视觉系统连接上位机；
双目视觉系统，位于焊接机械臂上方空间并与上位机连接，用于获取焊台中工件的图像信息并传递给上位机；
上位机，被配置为：根据双目视觉系统获取的工件图像信息得到当前焊缝信息，根据工件特征信息和当前焊缝信息与上位机中的数据库对比，确定工件的三维焊缝信息和焊接工艺信息，得到焊接基准路径并控制焊接机械臂沿焊接基准路径扫描焊缝；根据单目视觉系统中的激光传感器发出的线结构光，扫描焊缝获取的图像信息与焊接基准路径对比更新焊缝三维位置信息，重新规划焊接轨迹后控制焊接机械臂执行焊接。
焊台分别连接焊丝桶和运输带，运输带一侧设有码垛机械臂，运输带连接控制柜。
双目视觉系统包括连接在焊台上的相机支架，相机支架顶端连接双目相机。
单目视觉系统包括连接在焊接机械臂末端焊枪处的单目相机，单目相机一侧连接激光发射器，激光发射器发射出线结构光。
焊枪连接在焊接机械臂末端的执行器上，与焊接机械臂坐标系具有固定的转换矩阵，单目相机和激光发射器均与焊枪具有固定的坐标系变换。
具体的，机械臂的控制柜1与机械臂5相连接用于运动控制，控制柜1通过TCP/IP协议与上位机2建立连接，控制柜与上位机可以在ROS操作系统下实现数据通信，焊机3也有标准数据接口，通过与上位机2建立网络连接可将上位机发来的焊接工艺参数进行调整设置。
上位机2包含一台工业PC和一台视觉处理用计算机.
焊丝桶4内储存各种型号的焊丝。
焊接机械臂5用来执行上位机发出的运动指令。
双目视觉系统6通过TCP/IP协议与上位机中的视觉计算机连接，视觉计算机处理图像数据进行图形聚类分析并将处理结果通过TCP/IP协议与工业PC通信。
单目视觉系统7安装在焊接机械臂5的末端执行器上，并与焊枪头固定。
码垛机器人8安装在焊台11与运输带9近侧，确保机械臂8能将工件夹装在焊台11上，运输带控制柜10控制运输带9运输待焊接工件，焊台11上为某类焊接件的专用夹具。
如图2所示，双目视觉系统6包括101双目相机、102相机支架；双目相机101固定在支架102末端，支架102高度可调节以确保焊件与相机之间具有合适的视野。
如图3所示，单目视觉系统7包括执行器焊枪201、激光发射器202、单目相机203；执行器焊枪201整体安装在机械臂5的末端执行器上，与机械臂坐标系具有固定的转换矩阵，同样相机203与激光发射器202一起固定在焊枪201一侧，使相机与焊枪具有固定的坐标系变换，激光发射器202发射出线结构光。
如图4所示，本实施例给出焊接工件301；需要说明的是，焊接对象可以是各种各样的工件，工件例如图4的立柱结构件301，但不限于此。
焊接机器人5在对工件进行焊接之前，不需要预先确定工件的类型，双目视觉系统6可以自动判断工件类型。应当指出，不同类型的立柱结构件的焊缝宽度、焊缝长度、焊接位置、焊缝数量存在不同程度的差异，但焊接系统不需要区分焊接程序，不同的焊缝信息差异只需要进行参数化修改，焊接程序不变。
如图5所示，上位机的可视化界面；
具体的，上位机分两部分，第一部分为参数化编程及监听焊接运动部分，第二部分为数据库组成专家系统界面，可通过上位机界面实现某些参数的人工填写，并按数据库进行匹配和识别从而得到合适的焊接工艺参数传给3焊机。
本实施例中，上位机操作系统为Linux系统，并安装ROS操作系统，通过ROS系统内功能包的形式整合机器人功能包、视觉系统功能包、可视化界面功能包以及专家系统功能包。
本实施例中，上位机中机器人功能包用于控制协作机械臂操作，视觉系统功能包用于存储视觉信息传来的数据，并向其订阅视觉系统传回的特征消息。
本实施例中，可视化界面功能包利用Qt平台开发参数化编程软件，通过该包内的UI界面实现与机器人功能包通信控制机械臂运动，与视觉系统功能包通信实现计算视觉部分传来的特征信息，与专家系统功能包通信完成智能推断算法的执行，与本机ROS系统通信，利用Rviz工具实时可视化焊接过程的仿真模型以及工件焊道模型。
本实施例中，专家系统功能包内含有焊接工艺数据库、焊接工件轨迹数据库、焊道参数数据库以及Python编写的智能推断算法，其中焊接工艺数据库内包含焊接电流、焊接电压、焊丝直径、保护气体等《焊接手册》中记录的焊机所使用的标准焊接参数，焊接工件轨迹库储存着焊件的三维模型以及焊件上需要焊接的轨迹路线，方便机械臂在焊接时的粗定位和参考。
本实施例中，焊道参数数据库存储着坡口的深度和宽度信息，用于计算焊道层数；Python编写的智能推断算法通过视觉提取的特征点作为输入，用以匹配和筛选数据库内已有的焊接工艺参数，若无法成功匹配则通过推断生成相对合适的焊接工艺参数进行焊接。
本实施例中，参数化编程为上位机软件可以实现人工修改焊缝的长度来实现机械臂的焊接轨迹。
上述系统使机器人执行工件识别、焊缝的定位与跟踪，以及焊接的执行过程全部实现了自动化，并且针对多种不同类别的焊接工艺有较好的普适性，并且通过线结构光加单目的视觉系统对于焊接过程中实时纠偏的过程使焊接精度提高，进而使焊接系统具有较高的焊接效率和焊接质量，能够在非标准化、大规模的复杂焊接环境中不再使用传统的示教编程或预编程方式来规划焊接轨迹，进而节省时间提高焊接效率。
实施例二：
本实施例提供上述系统的工作方法，包括以下步骤：
根据双目视觉系统获取的图像信息判断是否存在工件，若存在则根据工件图像信息识别工件的特征信息，并将特征信息和工件坐标位置信息传递给上位机，完成焊接粗定位并粗定位信息传递给焊接机械臂；
根据工件图像信息得到当前焊缝信息，将工件的特征信息和当前焊缝信息与上位机中的数据库对比，确定工件类型和工件对应的三维焊缝信息和焊接工艺信息，得到焊接基准路径传递给焊接机械臂；
机械臂根据接收到的粗定位信息和焊接基准路径扫描焊缝，执行焊接机械臂焊接轨迹规划。
焊机调参，具体为，根据数据库中确定的工件类型得到供参考的焊接工艺参数传递到上位机的显示界面中；根据实际需求修改焊缝特征和工艺参数；根据焊接参数初始化焊枪的电源状态，初始化后焊接机械臂返回标志位。
执行焊接机械臂焊接轨迹规划，具体为，焊接机械臂在不起弧状态下执行至少一次焊接轨迹运动；根据单目视觉系统中的激光传感器发出的线结构光，沿匹配到的焊接基准路径扫描至少一次，获取焊缝图像信息；通过扫描获取的当前焊缝位置信息与焊接基准路径对比，更新焊缝信息，补偿粗定位误差。
焊缝信息经补偿后，焊缝的三维位置信息得到更新，利用重新规划后的焊接轨迹控制焊接机械臂执行焊接。
焊接过程中，单目视觉系统获取工件热变形造成的误差，得到误差特征信息；当特征点符合当前焊缝路径则依据当前路径继续执行焊接，若不符合则执行热变形修正。
本实施例中的双目系统和单目系统相互独立，其中双目系统用来识别待焊接工件的类型，可以通过图形聚类算法识别待焊接工件，并向上位机请求匹配数据库内已保存的焊件信息，同时通过上位机指导机械臂焊接；单目系统由线结构光和单目相机组成，其中线结构光起增强图像识别效果的作用，通过单目系统识别焊道的关键特征点，并实时通过纠偏算法完成跟踪。
具体的如图6所示：
步骤S01，焊接准备，将焊接工件301安装在焊台011上；
步骤S02，通过双目相机系统6判断是否存在焊件，若存在执行步骤S03，若不存在重新执行步骤S01；
步骤S03，检测步骤S02中识别的工件的特征信息,通过双目相机系统6采集图像信息传递给步骤S04和S05；
步骤S04，根据相机采集到的信息得出焊接工件的坐标位置信息，完成焊接粗定位；
步骤S05，通过TCP/IP协议将步骤S03采集的图像数据传输给上位机的工业PC,由PC机计算图像处理得到当前焊缝信息，将焊件特征信息和焊缝信息传给步骤S06和S09，该步骤由系统中相机6、上位机2执行；
步骤S06，根据焊件特征信息在专家系统数据库中比对确定焊件型号，从而获取焊接工件301的三维焊缝信息和工艺信息；
步骤S07，利用步骤S06中获取的三维焊缝信息生成焊接基准路径，传给机械臂；
步骤S08，机械臂接收焊接粗定位信息和焊接基准路径信息，进行机械臂焊接轨迹规划；
步骤S09，专家系统针对该焊接工件301的焊件类型，推断给出可供参考的焊接工艺参数；
步骤S10，参照专家系统或人为给定的焊接工艺参数设置焊机控制参数；
步骤S11，在上位机2界面中显示专家系统给出的焊接工艺参数和机械臂控制信息；
步骤S12，在人机交互界面中，若上一步参数需要修改，则人工修改焊缝特征和工艺参数后进入步骤S13，若不需要修改，则按照数据库内存储的经验参数进入步骤S13；
步骤S13，按给定的焊接参数修改焊接电源的当前状态，并使其初始化，当初始化结束后返回标志位，执行步骤S14；
步骤S14，待焊接准备完成后，上位机调用机械臂控制器节点，开始配置焊接过程，首先初始化各个电机轴，使焊接机械臂处于待焊接状态，准备起弧；
步骤S15，在焊接开始前，机械臂先在不起弧状态下执行一次焊接轨迹运动，此时机械臂末端的单目相机系统执行步骤S16；
步骤S16，机械臂末端的单目相机系统搭载结构光开始沿匹配到的焊接基准路径扫描一遍，获取图像信息以进行步骤S17；
步骤S17，通过焊前扫描获取当前焊缝位置信息，与焊接基准路径比对，更新焊缝信息，补偿粗定位误差；
步骤S18，更新焊缝三维位置信息，对焊接轨迹重新规划修改，实现焊接路径的精定位；
步骤S19，起弧，进入焊接状态，此时机械臂末端的单目相机系统执行步骤S20；
步骤S20，单目相机系统实时跟踪扫描，监测焊接过程中由于工件热变形造成的误差，得到特征信息后进入步骤S21进行判断；
步骤S21，若检测到的特征点符合当前焊缝路径，则进入步骤S22，否则进行焊接热变形修正，再进入步骤S22；
步骤S22，按专家系统规划路径执行一步焊接，一个采样周期并焊接完成之后，进行第二个采样周期，进入步骤S23进行判断；
步骤S23，若已完成焊接则进入步骤S24输出本次焊接日志，然后结束焊接过程，若此次焊接过程没有结束，则返回步骤S16继续检测当前焊缝特征信息，收集后进入步骤S21进行比对，若产生偏差，则控制机械臂进行纠偏，若没有继续向下执行S23判断，从此不断循环直至焊接过程结束。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于ROS系统的焊接机器人系统，其特征在于：包括：
焊接机械臂，位于焊台一侧，焊接机械臂末端连接单目视觉系统，单目视觉系统连接上位机；
双目视觉系统，位于焊接机械臂上方空间并与上位机连接，用于获取焊台中工件的图像信息并传递给上位机；
上位机，被配置为：根据双目视觉系统获取的工件图像信息得到当前焊缝信息，根据工件特征信息和当前焊缝信息与上位机中的数据库对比，确定工件的三维焊缝信息和焊接工艺信息，得到焊接基准路径并控制焊接机械臂沿焊接基准路径扫描焊缝；根据单目视觉系统中的激光传感器发出的线结构光，扫描焊缝获取的图像信息与焊接基准路径对比更新焊缝三维位置信息，重新规划焊接轨迹后控制焊接机械臂执行焊接。
2.如权利要求1所述的一种基于ROS系统的焊接机器人系统，其特征在于：所述焊台分别连接焊丝桶和运输带，运输带一侧设有码垛机械臂，运输带连接控制柜。
3.如权利要求1所述的一种基于ROS系统的焊接机器人系统，其特征在于：所述双目视觉系统包括连接在焊台上的相机支架，相机支架顶端连接双目相机。
4.如权利要求1所述的一种基于ROS系统的焊接机器人系统，其特征在于：所述单目视觉系统包括连接在焊接机械臂末端焊枪处的单目相机，单目相机一侧连接激光发射器，激光发射器发射出线结构光。
5.如权利要求1所述的一种基于ROS系统的焊接机器人系统，其特征在于：所述焊枪连接在焊接机械臂末端的执行器上，与焊接机械臂坐标系具有固定的转换矩阵，单目相机和激光发射器均与焊枪具有固定的坐标系变换。
6.基于权利要求1-5任一项所述系统实现焊接的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
根据双目视觉系统获取的图像信息判断是否存在工件，若存在则根据工件图像信息识别工件的特征信息，并将特征信息和工件坐标位置信息传递给上位机，完成焊接粗定位并粗定位信息传递给焊接机械臂；
根据工件图像信息得到当前焊缝信息，将工件的特征信息和当前焊缝信息与上位机中的数据库对比，确定工件类型和工件对应的三维焊缝信息和焊接工艺信息，得到焊接基准路径传递给焊接机械臂；
机械臂根据接收到的粗定位信息和焊接基准路径扫描焊缝，执行焊接机械臂焊接轨迹规划。
7.如权利要求6所述的一种基于ROS系统的焊接机器人系统的工作方法，其特征在于：还包括焊机调参，具体为：
根据数据库中确定的工件类型得到供参考的焊接工艺参数传递到上位机的显示界面中；
根据实际需求修改焊缝特征和工艺参数；
根据焊接参数初始化焊枪的电源状态，初始化后焊接机械臂返回标志位。
8.如权利要求6所述的一种基于ROS系统的焊接机器人系统的工作方法，其特征在于：所述执行焊接机械臂焊接轨迹规划，具体为：
焊接机械臂在不起弧状态下执行至少一次焊接轨迹运动；
根据单目视觉系统中的激光传感器发出的线结构光，沿匹配到的焊接基准路径扫描至少一次，获取焊缝图像信息；
通过扫描获取的当前焊缝位置信息与焊接基准路径对比，更新焊缝信息，补偿粗定位误差。
9.如权利要求8所述的一种基于ROS系统的焊接机器人系统的工作方法，其特征在于：焊缝信息经补偿后，焊缝的三维位置信息得到更新，利用重新规划后的焊接轨迹控制焊接机械臂执行焊接。
10.如权利要求9所述的一种基于ROS系统的焊接机器人系统的工作方法，其特征在于：焊接过程中，单目视觉系统获取工件热变形造成的误差，得到误差特征信息；当特征点符合当前焊缝路径则依据当前路径继续执行焊接，若不符合则执行热变形修正。
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