CN117300301A - 一种基于单目线激光的焊接机器人焊缝跟踪系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于单目线激光视觉传感器的焊接机器人焊缝跟踪系统和方法，包括：上位机、焊缝跟踪系统、焊接机器人、单目线激光视觉传感器，其中，所述上位机配备有焊缝跟踪系统，焊缝跟踪系统用于根据所述单目线激光视觉传感器采集到的焊接工件的图像信息，执行焊缝特征点识别、焊接机器人的焊接轨迹规划以及焊接工艺匹配的流程控制。采用本发明的技术方案，解决焊接过程中装夹误差、热变形误差而引起的焊缝位置变化导致的离线焊接路径失效和机器人焊枪实时跟踪位姿难以调整的问题。
Description
技术领域
本发明属于机器人焊接技术领域，尤其涉及一种基于单目线激光视觉传感器引导焊接机器人的焊缝跟踪系统和方法。
背景技术
在机器人焊接智能化的过程中，实现智能化的关键点在于视觉技术的应用。目前主流的视觉技术分为2D与3D技术。其中，3D技术使用3D相机采集焊接工件的三维点云，通过RANSAC（随机抽样一致性）算法拟合平面求交线对工件点云进行所有焊缝的识别，从而离线生成焊接路径，但采用3D技术无法实现实时跟踪。2D视觉传感器实时采集焊缝图像，通过焊缝图像计算焊缝特征点坐标实现对焊缝的实时跟踪，克服了焊接过程中装夹误差、热变形误差而引起的焊缝位置变化，提高了焊接效率，保证了工件焊接质量，另外，采用2D技术在机器人实时跟踪时调整机器人焊枪的跟踪位姿较为困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种基于单目线激光视觉传感器引导焊接机器人的焊缝跟踪系统和方法，解决焊接过程中装夹误差、热变形误差而引起的焊缝位置变化导致的离线焊接路径失效和机器人焊枪实时跟踪位姿难以调整的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种基于单目线激光视觉传感器的焊接机器人焊缝跟踪系统，包括：上位机、焊缝跟踪系统、焊接机器人、单目线激光视觉传感器，其中，所述上位机配备有焊缝跟踪系统，焊缝跟踪系统用于根据所述单目线激光视觉传感器采集到的焊接工件的图像信息，执行焊缝特征点识别、焊接机器人的焊接轨迹规划以及焊接工艺匹配的流程控制。
作为优选，还包括：数字化智能焊机，用于控制所述焊接机器人执行焊接任务的焊接工艺，包括控制起弧、收弧操作以及电压电流大小。
作为优选，焊缝跟踪系统包括：焊缝图像采集模块、焊缝图像处理模块、焊接轨迹规划模块和焊接工艺匹配模块；其中，所述焊缝图像采集模块，用于通过单目线激光视觉传感器实时采集焊缝图像；所述焊缝图像处理模块，用于对焊缝图像进行图像去噪、激光条纹中心线提取、焊缝特征点识别、焊缝特征点三维重建得到焊缝特征世界点坐标，同时判断焊缝特征点类型；焊接轨迹规划模块，用于基于前后两帧图像的焊缝特征点坐标计算焊枪的焊接位姿，控制所述焊接机器人的运动；焊接工艺匹配模块，用于基于焊缝类型匹配焊接机器人焊枪摆弧方式、机器人焊接速度、以及焊接电流电压。
作为优选，所述焊缝特征点类型分为三种，焊接起始点、焊接中间点和焊接终止点；焊接起始点焊接机器人执行起弧操作，焊接中间点焊接机器人执行焊接操作、焊接终止点焊接机器人执行收弧操作。
作为优选，所述焊接机器人，用于带动焊枪进行焊接操作；所述单目线激光视觉传感器通过夹具分别安装在所述焊枪的前端。
本发明还提供一种基于单目线激光视觉传感器引导焊接机器人的焊缝跟踪方法，包括：
步骤1、焊接机器人携带视觉传感器进行焊缝图像采集；
步骤2、图像处理模块处理焊缝图像，通过图像去噪、激光条纹中心线提取、焊缝特征点识别、焊缝特征点坐标三维重建得到焊缝特征点的世界坐标，同时判断焊缝特征点类型；
步骤3、图像处理模块将焊缝特征点坐标存入轨迹规划模块；
步骤4、轨迹规划模块基于前后两帧图像的焊缝特征点坐标建立焊缝位姿局部坐标系，得到机器人焊枪焊接位姿，生成焊接路径；
步骤5、焊接工艺匹配模块基于所需焊接工艺匹配焊接工艺参数；
步骤6、焊缝跟踪系统将焊接路径信息、焊缝特征点类型和焊接工艺参数存储到上位机缓存区，上位机与机器人控制器通过TCP/IP（传输控制协议）进行通讯，将焊接位姿、焊缝特征点类型和焊接工艺参数发送给机器人控制器；
步骤7、机器人控制器解析上位机数据，机器人根据焊接位姿数据调节焊枪姿态，机器人根据焊接工艺参数确定摆弧形状、焊接速度等，焊接机器人根据焊缝特征点数据类型判断执行起弧、焊接或收弧操作，机器人控制器将焊接工艺参数通过DevicetNet协议（一种现场总线协议）发送给数字化智能焊机，控制焊接电流和电压。
作为优选，所述焊缝特征点类型分为三种，焊接起始点、焊接中间点和焊接终止点；焊接起始点焊接机器人执行起弧操作，焊接中间点焊接机器人执行焊接操作、焊接终止点焊接机器人执行收弧操作。
作为优选，所述焊接工艺参数包括：机器人摆弧形状和焊接电流电压以及机器人焊接速度。
本发明基于单目线激光视觉传感器引导焊接机器人的焊缝跟踪系统和方法，可实现对焊缝的实时跟踪与焊接姿态实时调整，保证了机器人焊接质量，提高了机器人的智能化水平。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例使用附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例基于单目线激光的焊接机器人焊缝跟踪系统的结构示意图；
图2为焊缝特征点示意图；
图3为焊缝位姿计算示意图；
图4为本发明实施例基于单目线激光视觉传感器的焊接机器人焊缝跟踪方法的流程示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施实例，而不是全部的实施实例。基于本发明中的实施实例，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实例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
如图1所示，本发明实施提供一种基于单目线激光视觉传感器的焊接机器人焊缝跟踪系统，包括：上位机、焊缝跟踪系统、焊接机器人、数字化智能焊机、单目线激光视觉传感器和送丝机和剪丝清枪站，其中，
所述上位机配备有焊缝跟踪系统，用于根据所述单目线激光视觉传感器采集到的焊接工件的图像信息，执行焊缝特征点识别、焊接机器人的焊接轨迹规划以及焊接工艺匹配的流程控制；焊接机器人是执行机构，负责带动焊枪进行焊接操作。
所述上位机中的焊缝跟踪系统包括：焊缝图像采集模块、焊缝图像处理模块、焊接轨迹规划模块和焊接工艺匹配模块；
所述焊缝图像采集模块通过单目线激光视觉传感器实时采集焊缝图像；同时可根据焊接机人焊接速度调整视觉传感器的图像采集频率；
所述焊缝图像处理模块处理焊缝图像，通过图像去噪、激光条纹中心线提取、焊缝特征点识别、焊缝特征点三维重建得到焊缝特征世界点坐标，同时判断焊缝特征点类型；
其中，所述焊缝特征点类型分为三种，焊接起始点、焊接中间点和焊接终止点。焊接起始点焊接机器人执行起弧操作，焊接中间点焊接机器人执行焊接操作、焊接终止点焊接机器人执行收弧操作。
所述图像去噪首先基于前后两帧图像进行与操作去除飞溅噪声，然后采用高斯滤波进行去噪，所述激光条纹中心线提取采用灰度重心法题图激光条纹中心，所述焊缝特征点识别基于激光条纹中心线采用斜率分析法和直线拟合法等方法得到焊缝特征点图像坐标，所述焊缝特征点三维重建基于相机内参、激光平面方程、手眼矩阵以及机器人D-H参数矩阵（Denavit-Hartenberg Matrix）将焊缝特征点图像坐标转换为焊缝特征点世界坐标；
所述焊缝特征点世界坐标指焊缝特征点在机器人基坐标系下的坐标。
焊缝特征点类型通过焊缝特征点识别的个数进行判断，以V型焊缝为例，如图2所示，当前一帧图像未识别到焊缝特征点而后一帧图片识别到焊缝特征点时将此类型点定义为焊接起始点；当前后两帧图像识别到的焊缝特征点个数相同时定义为焊接中间点；当前一帧图像识别到焊缝特征点而后一帧图片未识别到焊缝特征点时将此类型点定义为焊接终止点。
所述焊接轨迹规划模块，基于前后两帧图像的焊缝特征点世界坐标生成焊枪焊接路径，以及控制所述焊接机器人的运动。
所述轨迹规划模块，基于前后两帧图像的焊缝特征点坐标建立焊缝位姿局部坐标系，从而计算一系列机器人焊枪焊接位姿，生成焊接路径；
通过焊缝图像处理模块得到焊缝特征点的世界坐标后，利用特征点的几何约束信息，计算焊接机器人进行焊接时焊枪相对于焊缝的姿态即焊枪焊接路径，包括接近矢量、方位矢量/>以及法向矢量/>。以V型焊缝为例，如图3所示，点/>和/>分别是前后两帧图像中提取得到的焊缝特征点。方位矢量/>为焊缝的切线方向，由特征点与特征点/>确定，其计算公式为：
由特征点构成的V型夹角的角平分线矢量/>为
通过特征点与矢量/>可以确定一个平面/>，接近矢量/>的方向处于矢量/>和角平分线向量在平面/>的投影上，将角平分线矢量投射至该平面即可得到接近矢量/>：
法向矢量可由接近矢量和方位矢量通过右手定则得到/>。在求得接近矢量/>、方位矢量/>以及法向矢量/>后，即可建立起焊缝在世界坐标系下的局部位姿：
由于焊枪的接近矢量沿焊管竖直向下，则机器人焊枪的焊接位姿为，通过一系列的焊枪TCP（工具中心点）位姿生成机器人焊枪焊接路径，中/>为焊缝特征点/>的世界坐标。
焊接路径信息采用动态线性队列数据结构对其进行存储，对计算出焊枪焊接路径进行入队操作，当机器人焊枪运动到上一焊接位置时，将其进行出队操作，从而驱动机器人依次通过目标点进行焊接，以此控制所述焊接机器人的运动。
所述焊接工艺匹配模块基于焊缝类型匹配焊接机器人焊枪摆弧方式、机器人焊接速度、以及焊接电流电压等。
进一步地，所述焊接机器人，用于带动焊枪进行焊接操作。所述数字化智能焊机，提供焊接电源，用于控制所述焊接机器人执行焊接任务的焊接工艺，包括控制起弧、收弧操作以及电压电流大小；所述单目线激光视觉传感器通过夹具分别安装在所述焊枪的前端。所述焊枪采用加长式焊枪，且所述视觉传感器通过定制的夹具可进行在水平、竖直方向进行移动，同时可调节视觉传感器与焊枪的夹角。所述送丝机为焊枪提供焊丝；所述剪丝清枪站用于清洁焊枪喷嘴内部飞溅。
本发明实施例焊接机器人焊缝跟踪系统可以直接驱动机器人进行焊接，无需进行离线路径规划，其效率高于基于3D相机的离线路径规划。
本发明实施例焊接机器人焊缝跟踪系统可有效克服包括但不限于基于3D相机焊接过程中热变形、装夹问题导致的焊缝位置误差，保证了焊接精度以及焊接质量。
本发明实施例焊接机器人焊缝跟踪系统针对不同品牌的机器人不同的编程语言，仅需简单变更机器人端的程序，兼容性强，可移植型高。
实施例2：
如图4所示，本发明实施例提供一种基于单目线激光的焊接机器人焊缝跟踪方法，包括以下具体步骤：
步骤1：焊接机器人携带单目线激光视觉传感器进行焊缝图像采集，图像采集模块以设定频率采集焊缝图像；
步骤2：图像处理模块处理焊缝图像，通过图像去噪、激光条纹中心线提取、焊缝特征点识别、焊缝特征点三维重建得到焊缝特征点的世界坐标，同时判断焊缝特征点类型。其中，所述焊缝特征点类型分为三种，焊接起始点、焊接中间点和焊接终止点。焊接起始点焊接机器人执行起弧操作，焊接中间点焊接机器人执行焊接操作、焊接终止点焊接机器人执行收弧操作。
步骤3：图像处理模块将焊缝特征点坐标存入轨迹规划模块；
步骤4：轨迹规划模块基于前后两帧图像的焊缝特征点坐标建立焊缝位姿局部坐标系，从而计算机器人焊枪焊接位姿；
步骤5：焊接工艺匹配模块基于焊缝特征点判断焊缝类型，匹配焊接工艺；
步骤6：焊接工艺匹配模块基于所需焊接工艺匹配焊接工艺参数；其中，所述焊接工艺参数包括机器人摆弧形状和焊接电流电压以及机器人焊接速度。
步骤7：焊缝跟踪系统将焊接位姿信息、焊缝焊缝特征点类型和焊接工艺参数打包为焊接数据存储到上位机缓存区，上位机与机器人控制器通过TCP/IP进行通讯，将焊接位姿、焊缝焊缝特征点类型和焊接工艺参数打包发送给机器人控制器；
步骤8：机器人控制器解析上位机数据，机器人根据焊接位姿数据调节焊枪姿态，机器人根据焊接工艺参数确定摆弧形状、焊接速度等，焊接机器人根据焊缝特征点数据类型判断执行起弧、焊接或收弧操作，机器人控制器将焊接工艺参数通过DevicetNet发送给数字化智能焊机，控制焊接电流和电压。
步骤9：当前焊接任务完成后，焊接机器人携带焊枪到剪丝清枪站执行剪丝清枪操作，剪丝清枪操作完成后焊接机器人等待新的任务。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。
Claims (6)
1.一种基于单目线激光视觉传感器的焊接机器人焊缝跟踪系统，其特征在于，包括：上位机、焊缝跟踪系统、焊接机器人、单目线激光视觉传感器，其中，所述上位机配备有焊缝跟踪系统，焊缝跟踪系统用于根据所述单目线激光视觉传感器采集到的焊接工件的图像信息，执行焊缝特征点识别、焊接机器人的焊接轨迹规划以及焊接工艺匹配的流程控制；还包括：数字化智能焊机，用于控制所述焊接机器人执行焊接任务的焊接工艺，包括控制起弧、收弧操作以及电压电流大小。
2.如权利要求1所述的基于单目线激光视觉传感器的焊接机器人焊缝跟踪系统，其特征在于，焊缝跟踪系统包括：焊缝图像采集模块、焊缝图像处理模块、焊接轨迹规划模块和焊接工艺匹配模块；其中，
所述焊缝图像采集模块，用于通过单目线激光视觉传感器实时采集焊缝图像；
所述焊缝图像处理模块，用于对焊缝图像进行图像去噪、激光条纹中心线提取、焊缝特征点识别、焊缝特征点三维重建得到焊缝特征点的世界坐标，同时判断焊缝特征点类型；
所述焊接轨迹规划模块，用于基于前后两帧图像的焊缝特征点坐标计算焊枪的焊接位姿，控制所述焊接机器人的运动；
所述焊接工艺匹配模块，用于基于焊缝类型匹配焊接机器人焊枪摆弧方式、机器人焊接速度、以及焊接电流电压。
3.如权利要求2所述的基于单目线激光视觉传感器的焊接机器人焊缝跟踪系统，其特征在于，所述焊缝特征点类型分为三种：焊接起始点、焊接中间点和焊接终止点；焊接起始点焊接机器人执行起弧操作，焊接中间点焊接机器人执行焊接操作，焊接终止点焊接机器人执行收弧操作。
4.如权利要求3所述的基于单目线激光视觉传感器的焊接机器人焊缝跟踪系统，其特征在于，所述焊接机器人用于带动焊枪进行焊接操作；所述单目线激光视觉传感器通过夹具安装在所述焊枪的前端。
5.一种采用权利要求1至4任意一项的基于单目线激光视觉传感器引导焊接机器人的焊缝跟踪系统实现基于单目线激光视觉传感器引导焊接机器人的焊缝跟踪方法，其特征在于，包括：
步骤1、焊接机器人携带视觉传感器进行焊缝图像采集；
步骤2、图像处理模块处理焊缝图像，通过图像去噪、激光条纹中心线提取、焊缝特征点识别、焊缝特征点坐标三维重建得到焊缝特征点的世界坐标，同时判断焊缝特征点类型；
步骤3、图像处理模块将焊缝特征点坐标存入轨迹规划模块；
步骤4、轨迹规划模块基于前后两帧图像的焊缝特征点坐标建立焊缝位姿局部坐标系，得到机器人焊枪焊接位姿，生成焊接路径；
步骤5、焊接工艺匹配模块基于所需焊接工艺匹配焊接工艺参数；
步骤6、焊缝跟踪系统将焊接路径信息、焊缝特征点类型和焊接工艺参数存储到上位机缓存区，上位机与机器人控制器通过TCP/IP进行通讯，将焊接位姿、焊缝特征点类型和焊接工艺参数发送给机器人控制器；
步骤7、机器人控制器解析上位机数据，机器人根据焊接位姿数据调节焊枪姿态，机器人根据焊接工艺参数确定摆弧形状、焊接速度，焊接机器人根据焊缝特征点数据类型执行起弧、焊接或收弧操作，机器人控制器将焊接工艺参数通过DevicetNet发送给数字化智能焊机，控制焊接电流和电压。
6.如权利要求5所述的基于单目线激光视觉传感器引导焊接机器人的焊缝跟踪方法，其特征在于，所述焊接工艺参数包括：机器人摆弧形状、焊接电流电压和机器人焊接速度。
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