专利名称：基于单目视觉传感的机器人初始焊位识别系统及方法
技术领域：
本发明涉及到一种弧焊机器人导引控制系统及方法，尤其是涉及到一种弧焊机器人的初始焊位识别系统及方法。
背景技术：
在焊接过程中，传统的示教再现型焊接机器人对焊接作业条件的稳定性要求十分严格，焊接时缺乏柔性，对复杂形状的焊缝编程效率较低，并且不能对焊接动态过程实现实时检测控制，无法满足对复杂焊件的高质量和高精度焊接要求。为了克服各种不确定因素对焊接质量的影响，要求焊接机器人系统要具有实时检测和调整控制的功能，通过对焊接机器人装配各种传感装置，使其对外界环境具有一定的感知能力，从而可以根据外部环境的变化自主的调整工作轨迹和状态是十分必要的。随着电子技术、计算机技术、数控以及各种焊接传感技术的发展，为焊接机器人的智能化研究提供了技术上的有力支持。目前，应用于焊接机器人上的传感方式多种多样。在这些传感方法之中，由于视觉传感方式具有信息量大、非接触、快速、高精度及自动化程度高等优点，受到广大焊接工作者的喜爱。目前已成为机器人焊接传感器方面的研究热点。视觉传感技术在焊接机器人上应用较多的是进行焊缝视觉跟踪及熔透控制等焊接过程智能控制方面的研究，目前国内外研究比较成熟的是采用激光或者结构光的焊缝视觉跟踪方式。这种传感方式属于主动视觉的范畴，需要外加特定的光源。由于其工作过程比较可靠，对工作环境要求较低，目前在工业生产中得到了比较广泛的应用。但是它也存在着信息量不够丰富、功能单一、体积较大的不足之处。所以，目前在国际和国内有许多专家学者在进行采用普通光源或者利用弧光的被动视觉传感方式研究。当某一焊接任务采用焊接机器人来完成的时候，对于任何任务来说，首先都要求使焊枪准确移动到焊缝起始点位置，并且调整焊枪的姿态使之满足焊接工艺要求，准备开始焊接动作。这个导引的过程对于一个焊接任务的圆满完成是十分重要的，它是整个焊接动作的第一步并且对于提高焊接机器人的自动化程度，实现焊接机器人的自主焊接功能是十分必要的。虽然视觉传感方法在焊接机器人上已经得到广泛的应用，但是目前对于无初始位置信息的焊缝起始位置的寻找、识别以及对焊接机器人的导引方面的研究却不多见。目前可见报道的日本安川机器人公司出品带有焊接起点检出功能的焊接机器人，但是它采用的是接触式传感器，由于受传感方式的限制，仅适用于角焊缝及带有较大坡口的焊缝形式，焊缝的边缘必须很明显而便于接触，并且要求必须将机器人移动到焊接起点附近，它只能在焊接起点附近的较小区域内开始进行寻找，不能实现大范围的寻找初始焊接位置的功能。 文献“徐培全、唐新华等，基于机器人焊接的视觉传感系统研究综述[(期刊)焊接]，上海， 上海交通大学焊接工程研究所，2005”总结到在使用接触式传感时，由于机器人执行了搜索历程增加了生产周期，焊接接头也必须含有一个可以被传感器找到的边缘。另外，文献 “郭振民，基与视觉伺服的焊接机器人初始焊位导引研究[博士学位论文]，哈尔滨，哈尔滨工业大学，2002”曾对采用运动图像序列分析的方法对机器人的导引问题进行了研究。但是他采用了附加标记点的方法，并且设置了比较严格的试验约束条件，试验效果不是十分理想，而且与工业现场的实际生产条件相差较大。
发明内容
本发明针对上述现有技术中的不足和需要，提供了一种基于单目视觉传感的机器人初始焊位识别系统及方法，从而解决指引机器人准确的移动到焊接路径起始点的技术问题。为了解决上述技术问题本发明提供一种基于单目视觉传感的机器人初始焊位识别系统，包括可对待焊工件进行焊接的焊接机器人，其移动到相应位置后，发送拍摄允许信号给主控计算机；单目视觉传感系统，用于对包含工件焊缝的场景进行拍摄，并将所采集的图像通过视频线传送到主控计算机；主控计算机，其接收到焊接机器人发送的拍摄允许信号，继而控制单目视觉传感系统对焊缝场景进行拍照，并对所拍摄照片进行处理，根据处理结果指引焊接机器人到达焊缝起始点。进一步地，所述的基于单目视觉传感谢器的机器人初始焊位识别系统，还包括辅助光源，固定安装在焊接机器人末端关节上。进一步地，所述的基于单目视觉传感谢器的机器人初始焊位识别系统，其特征在于，所述的主控计算机设有插槽，所述单目视觉传感系统包括相互连接的视觉传感器、图像采集卡，所述的视觉传感器为单目视觉传感器且固定安装在焊接机器人本体上。进一步地所述的基于单目视觉传感谢器的机器人初始焊位识别系统，其特征在于，所述视觉传感器包括CCD摄像机、反射镜系统和传感器支架，所述CCD摄像机、反射镜系统都固定在传感器支架上，反射镜系统包括一级反射镜及反射镜支架，一级反射镜设置在反射镜支架上，一级反射镜与水平方向角度可调，一级反射镜采集到图像反射到CCD摄像机。进一步地所述的基于单目视觉传感谢器的机器人初始焊位识别系统，其特征在于，所述主控计算机设置有核心控制模块，该核心控制模块包括图像采集模块，用以采集待焊接工件初始焊位附近的图像信号并对其进行数据传输；焊位寻找模块，用以在图像信号中寻找位置偏差工件的初始焊位和计算偏差量；焊位纠偏模块，用以根据该寻找结果和偏差量计算得到工件水平坐标修正量并 控制机器人进行纠偏。同时，本发明还提供一种基于单目视觉传感谢器的机器人初始焊位识别方法，包括如下步骤步骤1、焊接机器人移动到相应位置后，发送拍摄允许信号给主控计算机；步骤2、视觉传感系统对包含工件焊缝的场景进行拍摄，并将所采集的图像通过视频线传送到主控计算机；
步骤3、主控计算机接收到焊接机器人发送的拍摄允许信号，继而控制单目视觉传感系统对焊缝场景进行拍照，并对所拍摄照片进行处理，根据处理结果指引焊接机器人到达焊缝起始点。进一步地，所述的基于单目视觉传感谢器的机器人初始焊位识别方法，其特征在于，所述的步骤3具体包括如下步骤图像采集步骤，采集待焊接工件初始焊位附近的图像信号并对其进行数据传输；焊位寻找步骤，在图像信号中寻找位置偏差工件的初始焊位和计算偏差量；焊位纠偏步骤，根据该寻找结果和偏差量计算得到工件水平坐标修正量并控制机器人进行纠偏。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果本发明为焊接机器人单目视觉导引提供了系统平台，满足了多种类型的工业机器人局部智能化要求。通过单目视觉传感系统， 能够更加灵活方便的对待焊工件进行图像拍摄和处理。省去了双目视觉传感器安装和标定的复杂步骤，且避免了接触式传感只能用于形状规则工件的局限性。在辅助光源的参与下， 获取质量良好的待焊工件焊缝图像，为后续的图像处理和导引工作奠定了良好的条件。加速了焊接机器人初始焊位导引的速度，增加了焊接机器人初始焊位导引的应用范围。
图1为基于单目视觉传感的GMAW机器人焊接导引系统框图；图2为本发明视觉传感器光路示意图；图3为一个是机器人运动坐标系与摄像机拍摄平面的像素坐标系关系平面示意具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例的基于单目视觉传感的机器人GMAW初始焊位识别系统包括焊接机器人、单目视觉传感系统、主控计算机、辅助光源，其中焊接机器人，用于对待焊工件进行焊接，其移动相应位置后，发送拍摄允许信号给主控计算机；在本具体实施例中所述的相应位置可以是相对待焊工件高度固定的位置。单目单目视觉传感系统，用于对包含工件焊缝的场景进行拍摄，并将所采集的图像通过视频线传送到主控计算机；主控计算机，其接收到焊接机器人发送的拍摄允许信号，继而控制单目视觉传感系统对焊缝场景进行拍照，并对所拍摄照片进行处理，根据处理结果指引焊接机器人到达焊缝起始点。辅助光源，是额外添加的为了改善场景成像质量的小功率冷光源，固定安装在焊接机器人末端关节上。所述焊接机器人包括，焊接机器人本体以及安装在焊接机器人末端关节上的工具，该工具具体可以是焊枪。本具体实施例中，工具坐标系统中心点到达焊缝起始点，则焊接机器人开始焊接工作。所述单目视觉传感系统包括视觉传感器、图像采集卡，图像采集卡安装在主控计算机PCI插槽内，通过视频线和视觉传感器相连。所述的视觉传感器为单目视觉传感器且固定安装在焊接机器人本体上。所述视觉传感器包括(XD摄像机、反射镜系统和传感器支架。CXD摄像机、反射镜系统都固定在传感器支架上，反射镜系统包括一级反射镜及反射镜支架，一级反射镜设置在反射镜支架上，一级反射镜与水平方向角度可调，一级反射镜采集到图像反射到CCD摄像机，整个视觉传感器通过传感器支架固定到焊接机器人的末端关节的GMAW焊焊炬上。所述主控计算机包括一台包含串口、PCI插槽的普通电脑。串口用以和机器人之间的通讯，PCI插槽用以安装图像采集卡。主控计算机上安装着整个系统的核心控制模块。所述的核心控制模块包括图像采集模块，用以采集待焊接工件初始焊位附近的图像信号并对其进行数据传输；焊位寻找模块，用以在图像信号中寻找位置偏差工件的初始焊位和计算偏差量；焊位纠偏模块，用以根据该寻找结果和偏差量计算得到工件水平坐标修正量并控制机器人进行纠偏。具体的工作过程为在焊接开始前，所述的图像采集模块对位置偏差的待焊工件进行初始焊位附近的图像信号采集与传输；焊位寻找模块根据前所述的图像信号寻找工件初始焊接位置以及计算初始焊位的水平偏差量1和水平偏差量2，(由于一张水平平面上的任意一个点可以用二维迪卡尔坐标(也即直角坐标)表示，所以水平平面内任意两个点之间的偏差可以用该两点在两个坐标方向上坐标值投影的差距来组合描述，也就有两个偏差量)。本具体实施例中所指的水平偏差量是指当前工件初始焊位与标准初始焊位水平位置之差，标准初始焊接位置的确定是以摄像机拍摄平面中固定的一个点来确定的，这个固定点可以理解为摄像机光心与拍摄平面的交点。所述的焊位纠偏模块根据前所述的水平偏差量1和水平偏差量2，计算初始焊位的水平坐标修正量1和水平坐标修正量2，所述的水平坐标修正量是由水平偏差量经过坐标转换得到的，所述的坐标转换是由所述信号图像坐标系和机器人工具坐标系统之间的相对位置及方向确定的，并将水平坐标修正量1和水平坐标修正量2发送给机器人进行纠偏。如图3所示的水平平面内，有两个坐标系，一个是机器人运动坐标系，一个是摄像机拍摄平面的像素坐标系，两个坐标系之间原点位置不同，X/ Y方向不同，距离单位也不同，但是可以将像素坐标系中的拍摄到的点与该点在机器人运动坐标系中的位置建立一一对应的关系。现在已知a点位标准初始焊接位置，但b点是实际得到的初始焊接位置，那么可以通过b和a的在拍摄平面内的像素坐标系中的位置得到其在机器人运动平面内的实际位置，那么就可以将初始焊接位置在像素坐标系中的差距转换为在机器人运动平面内的差距，这就是偏差的坐标转换。本发明工作时，在焊接工作开始之前，焊接机器人行走到待焊工件相对高度固定位置处，通过焊接机器人与主控计算机的串口通讯发送拍摄允许的信号告知主控计算机核心控制模块，主控计算机通过图像采集卡控制视觉传感器对包含焊缝路径的场景进行拍摄，此场景是在安装在焊接机器人末端关节的小功率辅助冷光源的照射下被拍摄的，然后图像采集卡将拍摄得到的图像信号送还给主控计算机核心控制模块。核心控制模块通过在采集到的图像信号中进行初始焊位寻找，计算获得初始焊接位置的数值信息，并通过与事先完成的标定工作进行参照计算得出初始焊接位置在视觉传感器坐标系内的位置，然后计算初始焊接位置在视觉传感器坐标系内的偏差量。最后，核心控制模通过上述偏差量计算得到在焊接机器人坐标系内，工件水平坐标的修正量并通过串口通讯发送给机器人，使焊接机器人进行纠偏运动，将机器人工具坐标中心点移动至待焊工件焊缝的起始点。以上工作步骤完成后，将按照事先示教完成的机器人焊接路径对工件进行焊接工作，直至焊接工作完成或继续下一个工件的焊接工作。本具体实施例中所述的待焊工件的焊缝是水平的， 朝向固定的且相对于视觉传感器的高度是固定不变的。同时本发明还提供一种基于单目视觉传感谢器的机器人初始焊位识别方法，包括如下步骤步骤1、焊接机器人移动到相应位置后，发送拍摄允许信号给主控计算机；步骤2、单目视觉传感系统对包含工件焊缝的场景进行拍摄，并将所采集的图像通过视频线传送到主控计算机；步骤3、主控计算机接收到焊接机器人发送的拍摄允许信号，继而控制单目视觉传感系统对焊缝场景进行拍照，并对所拍摄照片进行处理，根据处理结果指引焊接机器人到达焊缝起始点。所述的步骤3具体包括如下步骤图像采集步骤，采集待焊接工件初始焊位附近的图像信号并对其进行数据传输；焊位寻找步骤，在图像信号中寻找位置偏差工件的初始焊位和计算偏差量；焊位纠偏步骤，根据该寻找结果和偏差量计算得到工件水平坐标修正量并控制机器人进行纠偏。所述的焊位寻找步骤根据前所述的图像信号寻找工件初始焊接位置以及计算初始焊位的水平偏差量1和水平偏差量2，所述的水平偏差量是指当前工件初始焊位与标准初始焊位水平位置之差，标准初始焊接位置的确定是以摄像机拍摄平面中固定的一个点来确定的，这个固定点可以理解为摄像机光心与拍摄平面的交点。所述的焊位纠偏步骤具体为根据前所述的水平偏差量1和水平偏差量2，计算初始焊位的水平坐标修正量1和水平坐标修正量2，所述的水平坐标修正量是由水平偏差量经过坐标转换得到的，所述的坐标转换是由所述信号图像坐标系和机器人工具坐标系统之间的相对位置及方向确定的，并将水平坐标修正量1和水平坐标修正量2发送给机器人进行纠偏。本实施例是构建机器人GMAW局部智能化焊接系统的重要基础平台，在此基础平台上可更进一步开发具有更多复合导引控制功能或导引跟踪综合控制功能的焊接机器人系统，提高了用户对弧焊机器人的焊接过程控制能力，对拓展机器人在焊接自动化领域的应用具有重要的作用。
权利要求
1.一种基于单目视觉传感的机器人初始焊位识别系统，包括可对待焊工件进行焊接的焊接机器人，其移动到相应位置后，发送拍摄允许信号给主控计算机；其特征在于，还包括单目视觉传感系统，用于对包含工件焊缝的场景进行拍摄，并将所采集的图像通过视频线传送到主控计算机；主控计算机，其接收到焊接机器人发送的拍摄允许信号，继而控制单目视觉传感系统对焊缝场景进行拍照，并对所拍摄照片进行处理，根据处理结果指引焊接机器人到达焊缝起始点。
2.根据权利要求1所述的基于单目视觉传感的机器人初始焊位识别系统，其特征在于，还包括辅助光源，固定安装在焊接机器人末端关节上。
3.根据权利要求1所述的基于单目视觉传感的机器人初始焊位识别系统，其特征在于，所述的主控计算机设有插槽，所述单目视觉传感系统包括相互连接的视觉传感器、图像采集卡，所述的视觉传感器为单目视觉传感器且固定安装在焊接机器人本体上。
4.根据权利要求3所述的基于单目视觉传感的机器人初始焊位识别系统，其特征在于，所述视觉传感器包括CCD摄像机、反射镜系统和传感器支架，所述CCD摄像机、反射镜系统都固定在传感器支架上，反射镜系统包括一级反射镜及反射镜支架，一级反射镜设置在反射镜支架上，一级反射镜与水平方向角度可调，一级反射镜采集到图像反射到CCD摄像机。
5.根据权利要求1所述的基于单目视觉传感的机器人初始焊位识别系统，其特征在于，所述主控计算机设置有核心控制模块，该核心控制模块包括图像采集模块，用以采集待焊接工件初始焊位附近的图像信号并对其进行数据传输；焊位寻找模块，用以在图像信号中寻找位置偏差工件的初始焊位和计算偏差量；焊位纠偏模块，用以根据该寻找结果和偏差量计算得到工件水平坐标修正量并控制机器人进行纠偏。
6.一种基于单目视觉传感的机器人初始焊位识别方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1、焊接机器人移动到相应位置后，发送拍摄允许信号给主控计算机；步骤2、视觉传感系统对包含工件焊缝的场景进行拍摄，并将所采集的图像通过视频线传送到主控计算机；步骤3、主控计算机接收到焊接机器人发送的拍摄允许信号，继而控制单目视觉传感系统对焊缝场景进行拍照，并对所拍摄照片进行处理，根据处理结果指引焊接机器人到达焊缝起始点。
7.根据权利要求6所述的基于单目视觉传感的机器人初始焊位识别方法，其特征在于，所述的步骤3具体包括如下步骤图像采集步骤，采集待焊接工件初始焊位附近的图像信号并对其进行数据传输；焊位寻找步骤，在图像信号中寻找位置偏差工件的初始焊位和计算偏差量；焊位纠偏步骤，根据该寻找结果和偏差量计算得到工件水平坐标修正量并控制机器人进行纠偏。
8.根据权利要求7所述的基于单目视觉传感的机器人初始焊位识别方法，其特征在于，所述的焊位寻找步骤根据前所述的图像信号寻找工件初始焊接位置以及计算初始焊位的水平偏差量1和水平偏差量2，所述的水平偏差量是指当前工件初始焊位与标准初始焊位水平位置之差。
9.根据权利要求8所述的基于单目视觉传感的机器人初始焊位识别方法，其特征在于，所述标准初始焊接位置的为摄像机光心与拍摄平面的交点。
10.根据权利要求8所述的基于单目视觉传感的机器人初始焊位识别方法，其特征在于，所述的焊位纠偏步骤具体为根据前所述的水平偏差量1和水平偏差量2，计算初始焊位的水平坐标修正量1和水平坐标修正量2，所述的水平坐标修正量是由水平偏差量经过坐标转换得到的，所述的坐标转换是由所述信号图像坐标系和机器人工具坐标系统之间的相对位置及方向确定的，并将水平坐标修正量1和水平坐标修正量2发送给机器人进行纠偏。
11.根据权利要求10所述的基于单目视觉传感的机器人初始焊位识别方法，其特征在于，步骤1所述的相应位置是相对待焊工件高度固定的位置。
全文摘要
本发明提供一种基于单目视觉传感的机器人初始焊位识别系统，包括焊接机器人；单目视觉传感系统，用于对包含工件焊缝的场景进行拍摄，并将所采集的图像通过视频线传送到主控计算机；主控计算机，其接收到焊接机器人发送的拍摄允许信号，继而控制单目视觉传感系统对焊缝场景进行拍照，并对所拍摄照片进行处理，根据处理结果指引焊接机器人到达焊缝起始点。本发明通过单目视觉传感系统，能够更加灵活方便的对待焊工件进行图像拍摄和处理。省去了双目视觉传感器安装和标定的复杂步骤，且避免了接触式传感只能用于形状规则工件的局限性。
文档编号B23K9/32GK102284769SQ201110224808
公开日2011年12月21日 申请日期2011年8月5日 优先权日2011年8月5日
发明者刘信诠, 叶震, 李忠杰, 李 杰, 杨惠勤, 林涛, 詹超, 陈华斌, 陈善本 申请人:上海交通大学, 上海锅炉厂有限公司