CN104400279B - 基于ccd的管道空间焊缝自动识别与轨迹规划的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CCD的管道空间焊缝自动识别与轨迹规划的方法，满足了普通焊接机器人对管道空间焊缝的焊接需要。焊接前，CCD通过“一目双位”的方式采集焊缝图片,并通过USB线传送到主控计算机，主控计算机根据通用立体视觉原理，对工件焊缝分三部分进行三维重建，得到各部分焊缝的三维坐标信息，合并得到完整的焊缝三维坐标，确定焊接起始点，以及确定焊接过程中，机器人工具坐标系的位姿变化，并通过以太网传送给机器人控制器，从而控制焊接机器人进行焊接。本发明通过视觉传感器，能够适应不同直径的管管对接和管管相贯时的焊缝，进行全位置自动焊接，避免了人工示教只能焊接单一路径焊缝的局限性。
Description
技术领域：
本发明涉及一种基于视觉传感的管道空间焊缝的焊接技术，特别涉及一种基于CCD的管道空间焊缝自动识别与轨迹规划的方法，其属于智能化焊接机器人技术领域。
背景技术：
管管对接，管管相贯焊缝在石油、锅炉和冶金建筑等领域比较常见，管管相贯产生比较辅助的空间曲线，正交时会产生标准的马鞍形空间曲线，斜交时则会产生更为复杂的空间曲线。目前市场上管管相贯的马鞍形焊缝焊接施工常用自动化焊接专机中，机床式一般用于批量大、工件单一的管管相贯线的焊接，且机床体积大、重量大，适用的工件类型有限；悬挂式马鞍形焊接机器人，则可适应一定范围内的马鞍形焊缝的焊接，管管斜交焊缝受到斜交角度的影响，但此类焊接机器人的焊缝跟踪一般使用离线编程和示教记忆技术。
上述的针对管道空间焊缝的焊接专机中，在实际生产中都会面临一个关键性的问题，就是通过示教，只能不断重复预先示教的动作，即只能焊接特定路径的焊缝，当管道直径变化、位置变化、管管相贯斜交的角度变化时，必须重新示教，而且不能对焊接环境变化做出反应，例如工件的加工误差、装配误差等。而这些因素的变化会导致焊缝偏离原先示教轨迹，降低焊接质量甚至形成废品。因此，在管道焊缝焊接时，能自动适应管道直径和位置是实现机器人焊接应用的一个关键问题。
目前，虽然把视觉传感应用于焊接机器人的研究比较多，也得到了一定的应用，而且其中应用的比较成熟的是主动视觉，即外加激光或结构光的，但是关于把视觉传感应用于管道焊接方面的研究和应用却不多见。目前，在可见的报道中，文献“李慨，基于视觉传感管道焊接机器人跟踪***研究[博士学位论文]，哈尔滨工业大学”中，针对长输管道，研制了管道焊接机器人跟踪***，提出基于圆柱坐标的管道焊接机器人环形焊接焊缝跟踪算法，但是只能跟踪管道环缝焊接，不能应用于管管相贯时的焊接。专利申请号为201110224808.4，名称为“基于单目视觉传感的机器人初始焊位识别***及方法”提供了一种基于单目视觉传感谢器的机器人初始焊位识别方法，但是工作针对的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，并不适用于管管相贯时的空间焊缝。
因此，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。
发明内容：
针对上述现有技术中的不足和生产需要，提供一种基于CCD的管道空间焊缝自动识别与轨迹规划的方法及***，能够满足普通六轴焊接机器人对于管管对接和管管相贯时的焊接需要。
本发明采用如下技术方案：一种基于CCD的管道空间焊缝自动识别与轨迹规划的方法，其包括如下步骤:
(1)选择焊接模块：在主控计算机上选择管管对接焊接或者管管相贯焊接；
(2)采集待焊工件图片：主控计算机发送拍摄信号给焊接机器人，焊接机器人采用“一目双位”的方式，先后移动到6个不同的拍摄位置采集待焊工件的3组图片，所采集的焊缝图片通过USB线传输到主控计算机；
(3)图像处理：主控计算机对所接收到的图片进行图像处理，提取焊缝轮廓，根据通用双目立体视觉，分别对3组图片进行三维重建，获得每组图片中的焊缝在相机坐标系下的三维坐标信息，并储存；
(4)确定焊接路径：把每组图片中的焊缝在相机坐标系下的三维坐标转化为在机器人基坐标系下的三维坐标，然后合并得到完整焊接路径的最终三维坐标，并根据最终坐标确定焊接起始点，以及确定机器人工具坐标系在焊接过程中旋转角度的变化，并储存；
(5)焊接：主控计算机把得到的焊接路径数据发送给机器人控制器，从而控制焊接机器人移动到焊接起始点上，开始焊接，完成整个焊接过程。
进一步地，所述步骤(3)中具体的三维重建步骤为：对于每一组焊缝图片，提取各组中左边图焊缝轮廓的像素坐标，计算极线，确定相对应的右图上对应左图中的点的像素坐标，计算得到焊缝在每组中左边拍摄位置时，焊缝在相机坐标系下的三维坐标。
进一步地，所述步骤(4)具体包括：
步骤1：确定焊缝三维坐标：根据工具坐标系和机器人基坐标系之间的转换矩阵以及工具坐标系和相机坐标系之间的转换矩阵，把每组图片中的焊缝在相机坐标系下的三维坐标转化为在机器人基坐标系下的三维坐标，并合并得到完整焊缝的最终三维坐标，所述的工具坐标系和机器人基坐标系之间的变换矩阵可由主控计算机读取机器人的位姿得到，所述工具坐标系和相机坐标系之间的变换矩阵可由手眼标定实验得到；
步骤2：确定焊接起始点：根据得到的完整焊缝在机器人基坐标系下的三维坐标，确定X坐标值最大的点作为焊接起始点；
步骤3：确定机器人工具坐标系焊接时的旋转角度：规定在焊接过程中，只有工具坐标系Z轴的旋转角度在变换，X轴和Y轴的旋转角度均不变，根据焊缝上相邻两点之间的距离，计算出相邻两点之间Z轴旋转的角度差，而在焊缝起始点处，工具坐标系各轴的旋转角度由主控计算机预先设定好，进而得到在每个坐标位置上工具坐标系的旋转角度。
本发明还采用如下技术方案：一种基于CCD的管道空间焊缝自动识别与轨迹规划的***，其包括焊接机器人、视觉传感器、机器人控制器及主控计算机，所述焊接机器人与机器人控制器相连接，主控计算机和机器人控制器通过以太网进行通信，主控计算机与视觉传感器通过USB线相连，视觉传感器固定安装在焊接机器人末端焊枪上，所述视觉传感器包括CCD工业数字摄像机及滤光片，所述主控计算机包括：
焊缝图片获取模块，采用“一目双位”的方式控制CCD工业数字摄像机采集待焊工件图片；
焊缝图片处理模块，分为管管对接和管管相贯的焊缝图片处理两个子模块，利用图像处理，提取图片上的焊缝轮廓，根据通用双目立体视觉，分别对3组焊缝图片进行三维重建，分别得到每组图片中的焊缝在相机坐标系下的三维坐标；
路径计算模块，把每组图片中的焊缝在相机坐标系下的三维坐标转化为在机器人基坐标系下的三维坐标，并合并得到完整焊缝的最终三维坐标，再根据最终三维坐标确定焊接起始点，以及确定工具坐标系在每个坐标下旋转角度；
通信/控制模块，获得机器人的实时位姿信息，把得到的焊接路径数据通过以太网传送给机器人控制器，从而控制焊接机器人运动到焊接起始点，进行焊接。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明为基于CCD的管道空间焊缝自动识别与轨迹规划提供了***平台，通过视觉传感器，满足了普通的六轴焊接机器人对管管对接和管管相贯的焊接需要，能够自动适应不同直径、不同位置和管管相贯时不同角度斜交而产生的焊缝；
(2)利用视觉传感器，自动识别焊缝轨迹，得到完整焊缝的三维坐标信息，进行全位置自动焊接，消除了工件的加工误差、装配误差等对焊接质量的影响，避免了人工示教只能焊接特定路径焊缝的局限性，减少了劳动力，降低了制造成本和时间成本。
附图说明：
图1是采集图像时机器人的位置示意图。
图2是焊缝坐标测量原理和各坐标系转换图。
图3是本发明的一个具体实施例的工作流程图。
图4是焊接过程中机器人工具坐标系的位姿示意图。
图5是本发明的基于CCD的焊接机器人焊接平台示意图。
图6是基于视觉传感的焊接机器人的控制原理框图。
具体实施方式：
为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
本发明基于CCD的管道空间焊缝自动识别与轨迹规划方法，包括以下步骤：
(1)选择焊接模块：在主控计算机上选择管管对接或者管管相贯焊接；
(2)采集待焊工件图片：采用“一目双位”的方式采集待焊工件图片，主控计算机发送信号给焊接机器人，焊接机器人先后移动到6个不同的拍摄位置，具体拍摄位置如图1所示，在位置1和2采集的图片为一组，位置3和4采集的图片为一组，位置5和6采集的图片为一组，在到达每个拍摄位置后发送信号给主控计算机，接收到信号后的主控计算机，发送拍摄信号给CCD，拍摄工件的3组图片，并通过USB线传输到主控计算机；
(3)图像处理：主控计算机对所接收到的图片进行相应的图像处理，提取焊缝轮廓，如图2所示，左右拍摄位置的矩阵关系H可以根据读取到的机器人在每组图片左右拍摄位置的位姿而计算得到，利用通用双目立体视觉进行三维重建，对于每一组图片，提取每组中左图焊缝轮廓的像素坐标，计算极线，确定相对应的右图上对应左边点的像素坐标，计算得到相机在每组左边拍摄位置时，每组图片中焊缝在相机坐标系OlXlYlZl下的三维坐标信息，并储存；
(4)确定焊接路径：把每组图片得到的焊缝在相机坐标系下的三维坐标转化为在机器人基座标下的三维坐标，然后合并即得到完整的焊接路径的最终三维坐标，并根据最终坐标确定焊接起始点，以及确定机器人工具坐标系在焊接过程中旋转角度的变化，并储存；
(5)以上工作步骤完成后，主控计算机通过以太网将路径数据传送给机器人控制器，控制焊接机器人工具坐标系的中心移动到焊接起始点上，机器人按照计算得到的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。整个实施例的工作过程，如图3所示。
所述步骤(4)，具体分为：
步骤1：确定焊缝三维坐标：利用相机坐标系OlXlYlZl和TCP(ToolCenterPoint)工具坐标系OtXtYtZt之间的转换矩阵T，工具坐标系OtXtYtZt和机器人基坐标系OXYZ之间的转换矩阵D，将得到的每部分焊缝在相机坐标系OlXlYlZl下的三维坐标转换为在机器人基坐标系OXYZ下的三维坐标，并合并即得到完整焊缝的最终三维坐标，所述的转换矩阵T由手眼标定实验得到，所述的转换矩阵D可由读取机器人的位姿计算得到。
步骤2：确定焊接起始点：根据得到的完整焊缝在机器人基坐标系下的三维坐标，确定X坐标值最大的点作为焊接起始点。
步骤3：确定工具坐标系焊接时的旋转角度：如图4为工具坐标系在焊接过程中与工件的相对位置，在焊缝不同的位置，只有工具坐标系Z轴的旋转角度变换，X轴和Y轴的旋转角度均不变，根据焊缝上相邻两点之间的距离，计算出相邻两点之间Z轴的旋转角度差，而在焊缝起始点上，工具坐标系各轴的旋转角度由主控计算机预先设定好，因此，可以得到在焊缝的每个坐标位置上工具坐标系的旋转角度。本具体实施例中所述的待焊的工件焊缝的是管管相贯的管道焊缝。
同时，本发明还提供一种基于CCD的管道空间焊缝自动识别与轨迹规划的***，如图5所示，本实施例的基于CCD的管道空间焊缝自动识别与轨迹规划的***，包括：六轴焊接机器人，视觉传感器，机器人控制器，主控计算机。其中：
六轴焊接机器人，与机器人控制器相连接，用于对管道工件进行焊接，机器人带动视觉传感器，移动到相应拍摄位置后，发送拍摄信号给主控计算机；
视觉传感器，固定安装在焊接机器人焊枪的末端，随焊枪一起运动，其中视觉传感器包括CCD工业数字摄像机、滤光片。视觉传感器与焊接机器人两者之间的关系，通过手眼标定实验确定，采集到的焊缝图片通过USB线传送给主控计算机；
机器人控制器，与主控计算机通过以太网通信，从而控制机器人的运动；
主控计算机，与机器人控制器通过以太网通信，可以读取机器人的位姿数据和发送命令控制机器人的运动，并对接收到的焊缝图片进行图像处理，得到焊缝的完整三维坐标信息，并计算机器人工具坐标系在焊接时的角度变化，根据得到的结果通过以太网控制机器人的运动；
如图6所示，主控计算机包括：
焊缝图片获取模块，采用“一目双位”的方式控制CCD采集待焊工件图片，具体为：通过控制焊接机器人的运动，分别在6个不同位置拍摄工件焊缝的3组图片，拍摄好的焊缝图片通过USB线传送给主控计算机；
焊缝图片处理模块，分为管管对接和管管相贯的焊缝图片处理两个子模块，利用图像处理，提取图片上的焊缝轮廓，根据通用双目立体视觉，分别对3组焊缝图片进行三维重建，分别得到每组图片中的焊缝在相机坐标系下的三维坐标；
路径计算模块，把每组图片中的焊缝在相机坐标系下的三维坐标转化为在机器人基坐标系下的三维坐标，并合并得到完整焊缝的最终三维坐标，再根据最终三维坐标确定焊接起始点，以及确定工具坐标系在每个坐标下旋转角度；
通信/控制模块，获得机器人的实时位姿信息，把得到的焊接路径结果通过以太网传送给机器人控制器，从而控制机器人运动到焊接起始点，进行焊接。
本发明为基于CCD的管道空间焊缝自动识别与轨迹规划提供了***平台，通过视觉传感器，满足了普通的六轴焊接机器人对管管对接和管管相贯的焊接需要，能够自动适应不同直径、不同位置和管管相贯时不同角度斜交而产生的焊缝；利用视觉传感器，自动识别焊缝轨迹，得到完整焊缝的三维坐标信息，进行全位置自动焊接，消除了工件的加工误差、装配误差等对焊接质量的影响，避免了人工示教只能焊接特定路径焊缝的局限性，减少了劳动力，降低了制造成本和时间成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于CCD的管道空间焊缝自动识别与轨迹规划的方法，其特征在于：包括如下步骤
(1)选择焊接模块：在主控计算机上选择管管对接焊接或者管管相贯焊接；
(2)采集待焊工件图片：主控计算机发送拍摄信号给焊接机器人，焊接机器人采用“一目双位”的方式，先后移动到6个不同的拍摄位置采集待焊工件的3组图片，所采集的焊缝图片通过USB线传输到主控计算机；
(3)图像处理：主控计算机对所接收到的图片进行图像处理，提取焊缝轮廓，根据通用双目立体视觉，分别对3组图片进行三维重建，获得每组图片中的焊缝在相机坐标系下的三维坐标信息，并储存；
(4)确定焊接路径：把每组图片中的焊缝在相机坐标系下的三维坐标转化为在机器人基坐标系下的三维坐标，然后合并得到完整焊接路径的最终三维坐标，并根据最终坐标确定焊接起始点，以及确定机器人工具坐标系在焊接过程中旋转角度的变化，并储存；
(5)焊接：主控计算机把得到的焊接路径数据发送给机器人控制器，从而控制焊接机器人移动到焊接起始点上，开始焊接，完成整个焊接过程；
所述步骤(3)中具体的三维重建步骤为：对于每一组焊缝图片，提取各组中左边图焊缝轮廓的像素坐标，计算极线，确定相对应的右图上对应左图中的点的像素坐标，计算得到焊缝在每组中左边拍摄位置时，焊缝在相机坐标系下的三维坐标。
2.根据权利要求1所述的基于CCD的管道空间焊缝自动识别与轨迹规划的方法，其特征在于：所述步骤(4)具体包括：
步骤1：确定焊缝三维坐标：根据工具坐标系和机器人基坐标系之间的转换矩阵以及工具坐标系和相机坐标系之间的转换矩阵，把每组图片中的焊缝在相机坐标系下的三维坐标转化为在机器人基坐标系下的三维坐标，并合并得到完整焊缝的最终三维坐标，所述的工具坐标系和机器人基坐标系之间的变换矩阵可由主控计算机读取机器人的位姿得到，所述工具坐标系和相机坐标系之间的变换矩阵可由手眼标定实验得到；
步骤2：确定焊接起始点：根据得到的完整焊缝在机器人基坐标系下的三维坐标，确定X坐标值最大的点作为焊接起始点；
步骤3：确定机器人工具坐标系焊接时的旋转角度：规定在焊接过程中，只有工具坐标系Z轴的旋转角度在变换，X轴和Y轴的旋转角度均不变，根据焊缝上相邻两点之间的距离，计算出相邻两点之间Z轴旋转的角度差，而在焊缝起始点处，工具坐标系各轴的旋转角度由主控计算机预先设定好，进而得到在每个坐标位置上工具坐标系的旋转角度。
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