CN213888788U - 一种基于三线激光视觉传感装置的焊枪位姿识别装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及机器人技术领域，具体是一种基于三线激光视觉传感装置的焊枪位姿识别装置。三线激光视觉传感装置包括第一竖直激光条纹发射器、第二竖直激光条纹发射器、水平激光条纹发射器、CCD以及外壳，外壳底部内壁设置有CCD，CCD两侧设置有第一竖直激光条纹发射器和第二竖直激光条纹发射器，所述水平激光条纹发射器位于外壳内侧顶壁，用于发射出水平的激光条纹；所述三线激光视觉传感装置与水平滑块通过连接块连接，所述连接块与焊枪相连接，焊枪对准水平钢板和竖直钢板的交线处的焊缝，利用本装置，可以实现焊枪相对于焊缝位姿的识别；本实用新型有助于实现角焊缝的机器自动焊接，可提高焊接的质量及效率。

Description

一种基于三线激光视觉传感装置的焊枪位姿识别装置

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体涉及一种基于三线激光视觉传感装置的焊枪位姿识别装置。

背景技术

焊接是金属连接最便宜最有效的方式之一，但焊接时的工作环境非常恶劣，不利于工人的身体健康，急需实现焊接自动化，用机器代替人工焊，提高焊接质量，降低工人的劳动强度。为了实现机器自动焊接，需要检测出焊枪相对于焊缝的位姿，包括焊枪高度、焊枪相对于焊缝的水平偏差、焊枪沿着焊接方向的倾角，因此，急需一种基于三线激光视觉传感装置的焊枪位姿识别装置。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于三线激光视觉传感装置的焊枪位姿识别装置，可实现焊枪高度、焊枪相对于焊缝的水平偏差、焊枪沿着焊接方向的倾角的自动检测，有助于提高角焊缝自动焊接的质量和效率。

(二)技术方案

本实用新型的技术方案：一种基于三线激光视觉传感装置的焊枪位姿识别装置，包括三线激光视觉传感装置、水平滑块、焊枪、竖直钢板、水平钢板和连接块。其中，三线激光视觉传感装置包括第一竖直激光条纹发射器、第二竖直激光条纹发射器、水平激光条纹发射器、CCD(Charge Coupled Device CCD电荷藕合器件图像传感器)以及外壳，外壳底部内壁设置有CCD，CCD两侧设置有第一竖直激光条纹发射器和第二竖直激光条纹发射器，分别用于发射出竖直的激光条纹，所述水平激光条纹发射器位于外壳内侧顶壁，用于发射出水平的激光条纹；所述第一竖直激光条纹发射器、第二竖直激光条纹发射器和水平激光条纹发射器均与CCD平行，发射出来的激光条纹投射到竖直钢板上时，所述激光条纹的分布为“卄”形。所述三线激光视觉传感装置与水平滑块通过连接块连接，所述连接块与焊枪相连接，焊枪对准水平钢板和竖直钢板的交线处的焊缝，利用本装置，可以实现焊枪相对于焊缝位姿的识别。

进一步地，靠近焊枪的为第一竖直激光条纹发射器，远离焊枪的为第二竖直激光条纹发射器。

进一步地，所述CCD前部设置有衰减片和滤光片，用于滤除背景光和弧光，降低焊缝图像中激光条纹的亮度。

进一步地，所述CCD前部还设置有玻璃窗口片，用于防止飞溅对CCD的影响。

基于一种基于三线激光视觉传感装置的焊枪位姿识别装置，本技术方案还提供一种基于三线激光视觉传感装置的焊枪位姿识别方法，包括三线激光视觉传感装置、基于三线激光视觉传感图像特征的焊枪高度检测原理、基于三线激光视觉传感图像特征的焊枪沿着焊接方向倾角检测原理和基于三线激光视觉传感图像特征的焊枪相对于焊缝的水平偏差检测原理。所述三线激光视觉传感装置中的第一竖直激光条纹发射器、第二竖直激光条纹发射器、水平激光条纹发射器和CCD之间互相平行，发射出来的激光条纹投射到竖直钢板上时，所述激光条纹的分布为“卄”形。

进一步地，所述基于三线激光视觉传感图像特征的焊枪高度检测原理为：第一竖直激光条纹发射器投射到水平钢板的那段激光条纹，在焊缝图像中的位置，与焊枪的高度存在一一对应关系，它们之间的关系如下，

h＝A·a+B

式中，h为焊枪的高度；a表示第一竖直激光条纹发射器投射到水平钢板的那段激光条纹，在焊缝图像中的位置；A和B均为常系数。

基于上述关系，可以检测出焊枪的高度。

进一步地，所述基于三线激光视觉传感图像特征的焊枪沿着焊接方向倾角检测原理为：水平激光条纹投射至竖直钢板上，其在焊缝图像上的斜率k的大小反映倾角的大小，斜率的正负分别反映焊枪沿着焊接方向向前或向后倾斜，此斜率与焊枪沿着焊接方向的倾角之间满足下面的关系，

θ＝C·k+D

式中，θ为焊枪沿着焊接方向的倾角；k为水平激光条纹投射至竖直钢板上，其在焊缝图像上的斜率；C和D均为常系数。

基于上述关系，可以检测出焊枪沿着焊接方向的倾角。

进一步地，所述基于三线激光视觉传感图像特征的焊枪相对于焊缝的水平偏差检测原理为：第二竖直激光条纹发射器投射到竖直钢板的那段激光条纹，在焊缝图像中的位置，与焊枪相对于焊缝的水平偏差存在关系，同时，焊枪相对于焊缝的水平偏差还与焊枪沿着焊接方向的倾角有关，它们之间的关系如下，

e＝E·d+F·k+G

式中，e为焊枪相对于焊缝的水平偏差；k为水平激光条纹投射至竖直钢板上，其在焊缝图像上的斜率，可以表征焊枪沿着焊接方向的倾角；d为第二竖直激光条纹发射器投射到竖直钢板的那段激光条纹，在焊缝图像中的位置；E、F和G均为系数。

基于上述关系，可以检测出焊枪相对于焊缝的水平偏差。

(三)有益效果

本实用新型的优点在于：使激光条纹的分布为“卄”形，激光条纹更多，使焊缝图像中含有更多反映焊枪位姿的信息，基于三线激光视觉传感技术，建立了从焊缝图像特征至焊枪位姿的数学模型，可实现焊枪高度、焊枪相对于焊缝的水平偏差、焊枪沿着焊接方向倾角的同时检测，有助于提高角焊缝自动焊接的质量和效率。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的三线激光视觉传感焊缝图像的数学模型。

图3为本实用新型的三线激光视觉传感装置采集到的焊缝图像。

附图标记：1.水平滑块，2.焊枪，3.焊缝，4.竖直钢板，5.水平钢板，6.第二竖直激光条纹发射器，7.CCD，8.第一竖直激光条纹发射器，9.外壳，10.水平激光条纹发射器，11.连接块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1、请参阅图1，一种基于三线激光视觉传感装置的焊枪位姿识别装置，包括三线激光视觉传感装置、水平滑块1、焊枪2、竖直钢板4、水平钢板5和连接块11。其中，三线激光视觉传感装置包括第一竖直激光条纹发射器8、第二竖直激光条纹发射器6、水平激光条纹发射器10、CCD7以及外壳9，外壳9底部内壁设置有CCD7，CCD7两侧设置有第一竖直激光条纹发射器8和第二竖直激光条纹发射器6，靠近焊枪2的为第一竖直激光条纹发射器8，远离焊枪2的为第二竖直激光条纹发射器6，分别用于发射出竖直的激光条纹，所述水平激光条纹发射器10位于外壳9内侧顶壁，用于发射出水平的激光条纹，所述CCD7前部设置有衰减片和滤光片，用于滤除背景光和弧光，降低焊缝图像中激光条纹的亮度，所述CCD7前部还设置有玻璃窗口片，用于防止飞溅对CCD7的影响；所述第一竖直激光条纹发射器8、第二竖直激光条纹发射器6和水平激光条纹发射器10均与CCD7平行，用于发射出来的激光条纹投射到竖直钢板4上时，所述激光条纹的分布为“卄”形。所述三线激光视觉传感装置与水平滑块1通过连接块11连接，所述连接块11与焊枪2相连接，焊枪2对准水平钢板5和竖直钢板4的交线处的焊缝，利用本装置，可以实现焊枪2相对于焊缝3位姿的识别。

基于三线激光视觉传感装置的焊枪位姿识别方法，包括三线激光视觉传感装置、基于三线激光视觉传感图像特征的焊枪高度检测原理、基于三线激光视觉传感图像特征的焊枪沿着焊接方向倾角检测原理和基于三线激光视觉传感图像特征的焊枪相对于焊缝的水平偏差检测原理。所述三线激光视觉传感装置中的第一竖直激光条纹发射器8、第二竖直激光条纹发射器6、水平激光条纹发射器10和CCD7之间互相平行，发射出来的激光条纹投射到竖直钢板4上时，所述激光条纹的分布为“卄”形。

进一步地，所述基于三线激光视觉传感图像特征的焊枪高度检测原理为：第一竖直激光条纹发射器8投射到水平钢板5的那段激光条纹，在焊缝图像中的位置，与焊枪2的高度存在一一对应关系，它们之间的关系如下：

h＝A·a+B

式中，h为焊枪2的高度；a表示第一竖直激光条纹发射器投射到水平钢板的那段激光条纹，在焊缝图像中的位置；A和B均为常系数，基于上述关系，可以检测出焊枪2的高度。

进一步地，所述基于三线激光视觉传感图像特征的焊枪沿着焊接方向倾角检测原理为：水平激光条纹投射至竖直钢板上，其在焊缝图像上的斜率k的大小反映倾角的大小，斜率的正负分别反映焊枪沿着焊接方向向前或向后倾斜，此斜率与焊枪沿着焊接方向的倾角之间满足如下关系：

θ＝C·k+D

式中，θ为焊枪沿着焊接方向的倾角；k为水平激光条纹投射至竖直钢板上，其在焊缝图像上的斜率；C和D均为常系数，基于上述关系，可以检测出焊枪沿着焊接方向的倾角。

进一步地，所述基于三线激光视觉传感图像特征的焊枪相对于焊缝的水平偏差检测原理为：第二竖直激光条纹发射器6投射到竖直钢板4的那段激光条纹，在焊缝图像中的位置，与焊枪相对于焊缝的水平偏差存在关系，同时，焊枪相对于焊缝的水平偏差还与焊枪沿着焊接方向的倾角有关，它们之间的关系如下：

e＝E·d+F·k+G

式中，e为焊枪相对于焊缝的水平偏差；k为水平激光条纹投射至竖直钢板上，其在焊缝图像上的斜率，可以表征焊枪沿着焊接方向的倾角；d为第二竖直激光条纹发射器投射到竖直钢板的那段激光条纹，在焊缝图像中的位置；E、F和G均为系数，基于这种关系，可以检测出焊枪相对于焊缝的水平偏差。

当焊枪2沿着焊接方向没有倾角时，左边的竖直激光发射器8与焊接点在沿着焊接方向的距离为46mm，左边的竖直激光发射器8与右边的竖直激光发射器6在沿着焊接方向的距离为54mm，三线激光视觉传感装置如图1所示。点O、点E和点F为焊缝3上的点，点O为当前焊接点，点E为左边的竖直激光条纹与焊缝3的交点，点F为右边的竖直激光条纹与焊缝3的交点。

通过CCD7采集到焊缝图像后，求到焊缝图像中各激光条纹中心线的直线方程和各特征点的坐标后，以焊接位姿连续焊缝3时采集到的焊缝图像为例，建立焊缝图像的数学模型，如图2所示，焊缝图像一般由两条竖直条纹CE和DF，三条斜条纹AE、BF和GH组成。下面研究焊枪2在竖直面内的倾角固定时，焊缝图像中的特征变量与焊接系统位姿的关系。由于斜条纹AE在水平钢板5上，图2中a值不会随着焊枪2沿着焊接方向的倾角和水平偏差而改变，当焊枪2在竖直面内的倾角一定时，其值与焊枪2的高度存在一一对应关系；当条纹GH在竖直钢板4上时，其斜率不随焊枪2的高度和水平偏差而改变，只有当焊枪2沿着焊接方向存在倾角时，CCD7与水平条纹的相对位置关系发生了变化，使焊缝图像中条纹GH的斜率k发生变化，斜率的大小反映倾角的大小，斜率的正负分别反映焊枪2沿着焊接方向向前或向后倾斜。

建立焊缝图像与焊枪2相对于焊缝3位姿之间关系的数学模型如下，

式中，e为水平偏差，h为焊枪2的高度，θ为焊枪2沿着焊接方向的倾角，这三个变量反映了焊枪2相对于焊缝3的位姿；d、a和k为焊缝图像中的特征，其含义如图2所示；A、B、C、D、E、F和G均为系数。

计算出式(1)中变换矩阵的各个参数的值，将焊缝图像中的特征通过变换矩阵，转换成表征自动焊接系统相对于焊缝3位姿的特征，最终实现基于三线激光视觉传感装置识别焊枪2相对于焊缝3的位姿，有助于提高焊接的质量和效率。

图3为本实用新型的三线激光视觉传感装置采集到的焊缝图像，利用本实用新型可识别出此时焊枪2沿着焊接方向向后倾斜30°，焊枪2高度为13mm，水平焊接偏差为1mm(沿着焊接方向焊枪2向左偏离焊缝3)，因此，利用本实用新型可以准确识别出焊枪2相对于焊缝3的位姿。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅表达了本实用新型的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种基于三线激光视觉传感装置的焊枪位姿识别装置，其特征在于，包括三线激光视觉传感装置、水平滑块(1)、焊枪(2)、竖直钢板(4)、水平钢板(5)和连接块(11)；其中，三线激光视觉传感装置包括第一竖直激光条纹发射器(8)、第二竖直激光条纹发射器(6)、水平激光条纹发射器(10)、CCD(7)以及外壳(9)，外壳(9)底部内壁设置有CCD(7)，CCD(7)两侧设置有第一竖直激光条纹发射器(8)和第二竖直激光条纹发射器(6)，分别用于发射出竖直的激光条纹，所述水平激光条纹发射器(10)位于外壳(9)内侧顶壁，用于发射出水平的激光条纹，所述第一竖直激光条纹发射器(8)、第二竖直激光条纹发射器(6)和水平激光条纹发射器(10)均与CCD(7)平行，用于发射出来的激光条纹投射到竖直钢板(4)上时，所述激光条纹的分布为“卄”形；所述三线激光视觉传感装置与水平滑块(1)通过连接块(11)连接，所述连接块(11)与焊枪(2)相连接，焊枪(2)对准水平钢板(5)和竖直钢板(4)的交线处的焊缝。

2.根据权利要求1所述的一种基于三线激光视觉传感装置的焊枪位姿识别装置，其特征在于：靠近焊枪(2)的为第一竖直激光条纹发射器(8)，远离焊枪(2)的为第二竖直激光条纹发射器(6)。

3.根据权利要求1所述的一种基于三线激光视觉传感装置的焊枪位姿识别装置，其特征在于：所述CCD(7)前部设置有衰减片和滤光片，用于滤除背景光和弧光。

4.根据权利要求1所述的一种基于三线激光视觉传感装置的焊枪位姿识别装置，其特征在于：所述CCD(7)前部还设置有玻璃窗口片。

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