CN202607049U - 一种带图像监控的轮式自主移动焊接机器人控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于机器人焊接技术领域，具体来说是一种带图像监控的轮式自主移动焊接机器人控制系统，包括机器人本体、监控模块、通讯模块和执行模块，所述监控模块包括人机交互模块、监控摄像机、图像采集卡、和焊缝跟踪传感器；通讯模块包括工业以太网模块、工业现场总线模块和串口模块；监控模块和执行模块通过工业以太网模块连接；执行模块与机器人本体通过工业现场总线模块连接；执行模块与监控模块的焊缝跟踪传感器通过串口模块连接。本实用新型的优点在于本系统采用的多线程技术，可以实现同时响应多个模块，把监控模块、通讯模块等模块和装置放在不同的线程中，从而这些模块可以独立运行互不影响，从而提高了相应速度。
Description
技术领域
本实用新型属于机器人焊接技术领域，具体来说是一种带图像监控的轮式自主移动焊接机器人控制系统。
背景技术
对大型钢结构构件，由于工作范围大,必须进行现场焊接。此类焊接作业具有现场条件复杂、焊接施工量大、焊缝不规则以及焊接工艺复杂等特点，机器人自动化、智能化焊接是解决这一问题的主要手段。对于大型钢结构的焊接，部件本身结构、重量影响不适合旋转或转动，因此不适合专机或固定式机械手作业。在的重要部件上，保证稳定的焊接质量，是其关键问题。受焊接工人情绪、焊接劳动强度的影响，手工多层多道焊接质量很难得以稳定。
机器人焊接系统一般由焊接承载机构、焊接系统、控制系统组成。承载机构又分为固定式工业机械手、轨道式小车、自主移动式机构；焊接系统由焊接电源、焊枪、保护气、送丝机构等组成；控制系统负责承载机构的运动、跟踪、焊接质量控制等。目前常用的大型钢结构焊接的是轨道式机器人焊接系统，该系统由机器人运行轨道、机器人及焊接系统组成，使用时需要预先进行轨道铺设，仅适用于能够铺设轨道的焊缝，并且轨道的柔性在一定范围内，无法适应焊缝形式的变换。大型设备属于单件小批量产品，多数焊缝是非标结构，焊缝整体结构形式复杂，因此，这种轨道式结构的应用受到限制。
清华大学开发了履带式磁吸附自主移动焊接机器人，履带式吸附移动机构吸附可靠性好但转向性能差，造成机器人运动灵活性差、作业位置调整困难。北京石油化工学院开发了磁轮式自主移动焊接机器人，磁轮式吸附移动机构运动灵活性好但吸附能力差，机器人吸附可靠性低。综上，现有自主移动焊接机器人综合性能不好。并且上述的几种机器人由于其结构和功能上的缺陷，使其操作控制系统的模块和功能设置存在不足，造成了在实际控制机器人进行焊接操作时，不能按照实际情况对焊缝进行焊接。
该控制系统能够保证准确方便的控制机器人的运动，监控用来实现机器人的运动反馈，保证机器人按照预定轨迹运动。
如专利申请号为200810033297.6，申请日为2008年1月31日，名称为“基于视觉传感的弧焊机器人焊接监控系统”的发明专利，其主要技术方案为：包括：焊接机器人、机器人控制器、视觉传感系统、接口电路装置、主控计算机，双逆变弧焊电源，其中：视觉传感系统动态采集焊接熔池的图像，并将图像传送到主控计算机，主控计算机接收视觉传感器提供图像信息，进行图像处理，并根据处理结果通过接口电路装置调整双逆变弧焊电源和控制焊接机器人，接口电路装置由模拟信号输出子模块、焊接开关及过程状态检测子模块和机器人控制器通用I/O子模块组成；焊接机器人通过机器人控制器接收主控计算机发送的行走指令信号，移动焊枪进行焊接。
上述专利面向的机器人对象是普通机器人；并且上述专利的通讯方式单一，最终控制的机器人进行焊接的精度不高。
实用新型内容
为了克服现有的焊机器人制系统存在的上述缺陷，现在特别提出一种能控制焊接机器人在曲面钢结构上运动、并且实现宏观遥控、微观自主、实时反馈的一种带图像监控的轮式自主移动焊接机器人控制系统。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：
一种带图像监控的轮式自主移动焊接机器人控制系统，其特征在于，包括机器人本体、监控模块、通讯模块和执行模块，其特征在于：
所述监控模块包括人机交互模块、监控摄像机、图像采集卡、和焊缝跟踪传感器；
所述通讯模块包括工业以太网模块、工业现场总线模块和串口模块；
上述的监控模块和执行模块通过工业以太网模块连接；执行模块与机器人本体通过工业现场总线模块连接；执行模块与监控模块的焊缝跟踪传感器通过串口模块连接；
执行模块与第三方焊接设备通过工业现场总线模块连接，第三方焊接设备包括电焊机和电焊机适配器；
所述监控摄像机与图像采集卡信号连通，图像采集卡通过PCI总线与工控机信号连通，上述信号均为双向连通。
所述监控摄像机和焊缝跟踪传感器均设置在机器人本体上。
所述人机交互模块为工控机。
所述执行模块包括机器人电机驱动装置、焊缝跟踪装置、焊接控制装置、任务的调度和处理装置、运动控制装置；上述执行模块的各装置分别安装在机器人本体上；
所述的控制系统的各个模块和装置均为多线程设置。
本实用新型的优点在于：
1、本系统采用的多线程技术，可以实现同时响应多个模块，，把监控模块、通讯模块等模块和装置放在不同的线程中，从而这些模块可以独立运行互不影响，从而提高了相应速度。
2、采用的是实现宏观遥控、微观自主方案，用于环境监控图像处理模块的监控摄像机是宏观的，而用于熔池图像模块的监控摄像机实现的是微观监控，备宏观焊接环境监控及微观焊接熔池监控功能，实现了智能化焊接。
3、通讯模块采用了工业以太网、工业现场总线、串口（RS232）通讯协议相互结合的形式，能够及时反馈（小于30毫秒）运动和焊接的状态，判断机器人当前的运行情况。
附图说明
图1是本实用新型框架示意图。
附图中1、机器人本体 2、监控模块 3、通讯模块 4、执行模块 5、人机交互模块 6、监控摄像机 7、图像采集卡 8、焊缝跟踪传感器 9、工业以太网模块 10、工业现场总线模块 11、串口模块 12第三方焊接设备。
具体实施方式
带图像监控的轮式自主移动焊接机器人控制系统，包括机器人本体、监控模块、通讯模块和执行模块，所述监控模块包括人机交互模块、监控摄像机、图像采集卡、和焊缝跟踪传感器；所述通讯模块包括工业以太网模块、工业现场总线模块和串口模块；上述的监控模块和执行模块通过工业以太网模块连接；执行模块与机器人本体通过工业现场总线模块连接；执行模块与监控模块的焊缝跟踪传感器通过串口模块连接；执行模块与第三方焊接设备通过工业现场总线模块连接，第三方焊接设备包括电焊机和电焊机适配器；所述监控摄像机与图像采集卡信号连通，图像采集卡通过PCI总线与工控机信号连通，上述信号均为双向连通，所述监控摄像机和焊缝跟踪传感器均设置在机器人本体上。所述人机交互模块为工控机。所述执行模块包括机器人电机驱动装置、焊缝跟踪装置、焊接控制装置、任务的调度和处理装置、运动控制装置；上述执行模块的各装置分别安装在机器人本体上；所述的控制系统的各个模块和装置均为多线程设置。
工控机，即IPC（Industrial Personal Computer），是一种稳定性好的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。在本专利中，工控机是用来运行。
图像处理模块和人机交互模块的计算机硬件。
监控模块包括图像处理模块和人机交互模块。
图像处理模块包括焊缝图像处理模块，熔池图像处理模块、环境图像处理模块以及摄像头角度控制与变焦控制模块。
其中焊缝图像处理模块处理激光传感器拍摄的焊缝图像，用于实现对焊缝的跟踪和纠偏，保证焊枪使用沿着焊缝的轨迹前进。
焊缝图像处理模块处理激光传感器拍摄的焊缝图像，用于实现对焊缝的跟踪和纠偏，保证焊枪使用沿着焊缝的轨迹前进。具体方法如下：激光传感器通过RS232接口传回焊缝的图像，我们算出焊枪头距离焊缝中心的像素点，把像素点的个数作为偏差值（横轴偏差和纵轴偏差两种）。当偏差值的的绝对值大于1个像素时，启动纠偏程序，从而保证焊枪头距离焊缝的高度值和水平值不变。即：激光传感器传回焊缝图像（通过RS232接口）——》算出图像中焊枪头距离焊缝中心的像素点——》得出横轴偏差和纵轴偏差——》当偏差大于1个像素时启动纠偏程序。
熔池图像处理模块处理焊接时熔池的图像，用于监测焊接过程和熔池的状态，保证焊接质量；采用了专业的摄像机采集熔池视频，通过PCI总线传回实时的熔池图像，显示在人机交互界面上，便于用户（焊接工人）观察熔池状态，判断焊接质量的好坏。对熔池图像做一系列的处理，包括：图像复原、图像平滑、阈值分割、面积滤波、边缘检测、快速蒙版、角点检测、灰度扫描、祛除伪点、曲线拟合等。这些处理屏蔽了焊接弧光、飞溅的不利影响，从而得到我们良好的图像效果。
环境图像处理模块处理焊机机器人周围环境的图像，用于观察焊接环境，当出现障碍时及发现，避免出意外情况；采用的是实现宏观遥控、微观自主方案。多自由度云台拍摄的是周围环境的图像，是常规图像，只需要传回图像即可，不需要对图像做任何额外处理。实现工件环境监控，完成焊前起始点宏观操作；当出现障碍时及发现，避免出意外情况。
本系统采用的是实现宏观遥控、微观自主方案，环境监控是宏观的，而前面提到的熔池图像模块实现的是微观监控。
摄像头角度控制与变焦控制模块控制摄像机的运动的方向（上下左右），图像的放大缩小，初始化图像采集卡、图像采集的起停，从而保证摄像机的成像效果。
通讯模块采用了工业以太网、工业现场总线、串口（RS232）模块协议，其中监控模块和执行模块通过工业以太网（EtherNet/IP）模块连接，最大响应时间小于10毫秒；执行模块与第三方的设备，如电焊机及适配器等，通过工业现场总线（DeviceNet）连接，最大响应时间小于5毫秒；执行模块与机器人本体的电机驱动器通过工业现场总线（CanOpen）模块连接，最大响应时间小于5毫秒；执行模块与焊缝跟踪传感器通过串口（RS232）连接，最大响应时间小于5毫秒；整个系统的最长叠加响时间小于30毫秒。
本实用新型的通信方式如图所示。通讯部分采用了工业以太网、工业现场总线、串口（RS232）等通讯协议，其中上位机监控软件和下位机执行软件通过工业以太网（EtherNet/IP）连接，下位机与电焊机通过工业现场总线（DeviceNet）连接，下位机与机器人本体的电机驱动器通过工业现场总线（CanOpen）连接，下位机与焊缝跟踪传感器通过串口（RS232）连接
其中，DeviceNet总线能控制和监视的信号如下：
1. 输出信号包括：焊接开始标志、操作模式选择（人工模式、远程模式）、保护气开关、送丝机运动的方向（正向、反向）、焊接作业号（可以编辑0-255个焊接作业）、焊接程序号（可以编辑0-255个焊接程序）、焊接错误清空、输入功率、电弧长度。
2. 输入信号包括：实际的焊接电流、实际的焊接电压、焊接错误号、当前的焊接作业号、当前的焊接程序号、焊接电源是否可用、电弧是否稳定标志。
串口RS232主要用来设定焊缝的基准位置（包括横轴位置与纵轴位置），获取焊枪当前位置与焊缝的偏差值（精确到0.05毫米），从而使得焊枪始终沿着焊缝的方向运动，跟踪精度可达0.2毫米。
现场总线CanOpen主要用来控制机器人运动轮的电机，包括电机的电流电压、电机的转速、加速度、起停信号。
本系统的工作流程如下：1。首先打开电源开关给机器人上电，控制系统开机并完成自检；2。连接网络，通过人机交互模块查看网络连接状态；3。焊接前运动机构的准备，包括：通过移动平台监控模块把爬行机构移动到合适位置，通过十字滑块监控模块把焊枪对准焊缝的起始位置，通过摆动器监控模块设置摆动器的频率、摆动幅度、摆动停留时间；4。通过焊接过程监控模块设置焊接参数，包括焊接电流、电压、焊接作业编号、焊接类型；5。初始化图像监控：通过摄像机控制模块控制摄像机的拍摄角度，使得成像效果良好，通过焊缝图像处理模块初始化并获取焊缝图像，通过熔池图像处理模块初始化并获取熔池图像，通过环境图像处理模块初始化并获取环境图像；6。开始焊接：通过焊接过程监控模块发出开始焊接的命令，在人机界面上观察焊接的过程和焊机的状态；7。解释焊接：通过焊接过程监控模块发出结束焊接的命令。
其中执行模块包括的机器人电机驱动装置、焊缝跟踪装置、焊接控制装置、任务的调度和处理装置、运动控制装置均为现有技术中使用的装置。
可编程计算机控制器，简称PCC（programmable computer controller），是一种新一代可编程计算机控制器。
Devicenet是90年代中期发展起来的一种基于CAN（Controller Area Network）技术的开放型、符合全球工业标准的低成本、高性能的通信网络，最初由美国Rockwell公司开发应用。Devicenet现已成为国际标准IEC62026-3《低压开关设备和控制设备控制器设备接口》，并已被列为欧洲标准，也是实际上的亚洲和美洲的设备网标准。
Claims (7)
1.一种带图像监控的轮式自主移动焊接机器人控制系统，其特征在于，包括机器人本体（1）、监控模块（2）、通讯模块（3）和执行模块（4），其特征在于：
所述监控模块（2）包括人机交互模块（5）、监控摄像机（6）、图像采集卡（7）、和焊缝跟踪传感器（8）；
所述通讯模块（3）包括工业以太网模块（9）、工业现场总线模块（10）和串口模块（11）；
上述的监控模块（2）和执行模块（4）通过工业以太网模块（9）连接；执行模块（4）与机器人本体（1）通过工业现场总线模块（10）连接；执行模块（4）与监控模块（2）的焊缝跟踪传感器（8）通过串口模块（11）连接。
2.根据权利要求1所述的一种带图像监控的轮式自主移动焊接机器人控制系统，其特征在于：所述执行模块（4）与第三方焊接设备（12）通过工业现场总线模块（10）连接，第三方焊接设备（12）包括电焊机和电焊机适配器。
3.根据权利要求2所述的一种带图像监控的轮式自主移动焊接机器人控制系统，其特征在于：所述监控摄像机（6）与图像采集卡（7）信号连通，图像采集卡（7）通过PCI总线与工控机信号连通，上述信号均为双向连通。
4.根据权利要求3所述的一种带图像监控的轮式自主移动焊接机器人控制系统，其特征在于：所述监控摄像机（6）和焊缝跟踪传感器（8）均设置在机器人本体（1）上。
5.根据权利要求4所述的一种带图像监控的轮式自主移动焊接机器人控制系统，其特征在于：所述人机交互模块（5）为工控机。
6.根据权利要求5所述的一种带图像监控的轮式自主移动焊接机器人控制系统，其特征在于：所述执行模块（4）包括机器人电机驱动装置、焊缝跟踪装置、焊接控制装置、任务的调度和处理装置、运动控制装置；上述执行模块（4）的各装置分别安装在机器人本体（1）上。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种带图像监控的轮式自主移动焊接机器人控制系统，其特征在于：所述的控制系统的各个模块和装置均为多线程设置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20180423 Address after: 610000, No. 18, West core road, hi tech West District, Sichuan, Chengdu Patentee after: Dongfang Electric Co., Ltd. Address before: Jinniu District Chengdu City, Sichuan province 610036 Shu Road No. 333 Patentee before: Dongfang Electric Corporation |
|
| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20121219 |