CN1782659A - 一种基于激光结构光的焊缝跟踪视觉传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机器人技术领域，是一种基于激光结构光的焊缝跟踪视觉传感器，采用激光作为结构光的光源，由激光发生器、摄像机、监视器和处理单元等组成。利用激光束经过柱面镜形成激光平面，投射到工件上产生激光条纹，视觉传感器采集焊缝激光图像，通过图像处理计算焊缝位置，并进行转换成模拟信号或无线通信输出，以达到控制焊接机器人实现焊缝自动跟踪的目的。针对多种类型焊缝，和一次焊缝、多次焊缝等不同工序开发了不同的焊缝图像处理模块，以适应多种类型、工序的焊缝跟踪要求。本发明能够提高焊缝位置的测量精度，增加焊缝跟踪的抗干扰能力，并具有适应各种焊缝跟踪***的通用性和灵活性。

Description

一种基于激光结构光的焊缝跟踪视觉传感器
技术领域：
本发明属于机器人领域中的视觉测量传感装置，具体地说是一种通过视觉图像能识别焊接过程中焊缝位置、并引导焊枪纠正偏差的视觉传感装置。
技术背景：
目前，在焊接工业生产中应用的控制方法，一般采用人工手动控制或机器人示教或离线编程的方式进行路径规划和运动编程，焊接过程中只是简单的重复预先设定的动作。在现有的焊缝跟踪实现方案中，一般采用机械、电磁、视觉等传感器提供焊缝信息，由***进行处理，实现焊枪位置控制。但是这样的焊缝跟踪***一般是封闭的，是针对特定***开发的传感器以及处理算法，缺少通用、灵活和独立的焊接传感器，为通用的焊接机器人或控制器提供焊缝位置信息。
发明内容：
为了克服现有的焊缝跟踪***的不足，本实用新型提供一种焊缝跟踪视觉传感器。该传感器能构适应各种焊缝类型和一次焊缝、多次焊缝不同工艺；采集激光焊缝图像、提取焊缝特征点位置；并提供模拟量输出接口和网络接口，可以网络设置传感器工作参数，以标准信号或无线网络通信输出焊缝位置。是面向焊缝跟踪领域的通用视觉传感器。
为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种基于激光结构光的焊缝跟踪视觉传感装置，能够采集、处理焊缝特征图像，并输出焊缝位置信号，以操控焊接机器人或控制器上的焊枪进行焊接工艺；其a)采用一字激光器所发激光产生激光结构光平面，形成结构光条纹；b)采用加装滤光透镜的摄像机采集焊缝特征激光条纹图像；c)激光结构光平面与摄像机摄像头中心轴线成30°～60°角。
所述的传感装置，其包括激光器、摄像机、焊枪和处理单元，其中，激光器、摄像机封装在一起，和焊枪刚性连接于一框架上，摄像机摄像头带有滤光片，传感器和焊枪固接，两者中心轴线方向相同，共处于同一平面，该平面与焊缝所成平面相交，且与被焊工件表面垂直；摄像机与处理单元电连接，处理单元通过信号线与焊接机器人或控制器电连接。
所述的传感装置，其所述处理单元，包括计算机及其部件、控制面板、监视器和信号线，计算机分别与控制面板、监视器和信号线电连接，摄像机与计算机的图像采集卡电连接，处理单元还设有模拟量输出接口和无线网络接口。
所述的传感装置，其所述摄像机，为工业摄像机。
所述的传感装置，其激光结构光平面和摄像机经过标定，由结构光条纹特征点的坐标经计算机计算出焊缝的偏移量。
所述的传感装置，其所述模拟量输出接口和网络接口，将焊缝位置偏移量信息以标准模拟信号输出或通过无线网络读出。
所述的传感装置，其利用网络或通过控制面板按键选择，可针对焊缝类型进行设定、调整。
所述的传感装置，其所述计算机还与焊缝图像处理模块电连接，焊缝图像处理模块具有多种焊缝类型的资料，用于提取焊缝特征点坐标，并具有扩展功能。
所述的传感装置，其所述滤光片，能透过波长670nm的光波。
所述的传感装置，其所述信号输出，具有水平方向和竖直方向焊缝位置偏差输出。
本发明的突出特点是采用一字激光器产生结构光平面，采用加装滤光透镜的CCD摄像机进行图像采集，通过图像处理得到焊缝位置信息。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：传感器以PC104计算机为中心。一字激光器发出的一束线光源，构成结构光平面，投射到工件表面，形成结构光条纹。CCD摄像机接收到反射光后，将视频信号送入图像采集卡，经过A/D转换成数字信号。按照传感器控制面板上选择的焊缝类型和工艺，或通过无线网络设定的***参数，调用相应的图像处理程序(图像滤波、增强、抽取焊缝中心线、提取焊缝特征点)，得到焊缝偏差信号后，经转换得到控制信号，经模拟量输出接口和网络接口，焊缝位置偏移量信息可以以标准模拟信号(1～5V，4～20mA)输出或无线网卡通信输出为执行机构提供控制信号输出，以达到实时偏差调整的目的。
本发明的有益效果是，可以适应各种焊缝类型和工艺，提供焊缝位置信号，是通用、灵活和独立的焊缝跟踪视觉传感器。
附图说明：
图1为本发明激光结构光焊缝跟踪视觉传感装置示意图；
图2为本发明基于激光结构光的焊缝跟踪视觉传感器原理框图；
图3(a)、(b)、(c)、(d)为本发明传感器采集到的不同类型焊缝的激光图像；其中：(a)搭接类型焊缝、(b)梯形二次焊缝、(c)V字形对接一次焊缝以及(d)直接对接焊缝(中间2～3毫秒间隙)的激光图像。
具体实施方式：
请参阅图1。在图1中，半导体一字激光器(LD650-5-3)1发出的激光束产生结构光平面，照射到焊接工件表面，形成焊缝6特征激光条纹。激光线宽为0.5mm，展开角为20°，功率为5mw。WATEC505黑白工业摄像机3，上面带有滤光片，能透过波长670nm的光波。摄像机3下方装有防溅挡板5，可以阻挡焊接飞溅物，保护摄像机。激光器1、滤光片2、摄像机3和防溅挡板5封装在传感器机壳内，传感器与焊枪4刚性连接。一字激光器1的位置、角度可以调整，调整激光器1与摄像机3的角度，使摄像机3光轴中心线与激光结构光面成30°～60°角，本实例中为45°角；并使摄像机3光轴中心线与焊缝6所成平面与被焊工件表面垂直，高度为10～20cm。工业摄像机3采集由一字激光器1形成的结构光条纹图像。
焊缝6的图像以标准PAL制式信号传送到处理单元7。通过图像采集卡(微视MOKA-C10)，经过A/D转换成数字信号。处理单元7采用PC104计算机以及其他部件，包括图像采集卡、PC104总线开关量输入/输出板卡PM-582、PC104总线模拟量输出卡PM-520、无线网卡LucentPC24E-H-FC。PC104计算机及其部件，与控制面板8和监视器9一起构成处理单元。摄像机3采集到带有焊缝6特征的激光图像，处理单元7调用焊缝图像处理模块库15提取出焊缝条纹特征点图像坐标。
由于激光平面和摄像机3经过精确标定，经过计算可以确定图像二维空间到实际三维空间的转换矩阵，这样就可以由图像空间焊缝条纹特征点的二维坐标(u，v)换算出实际焊缝点三维坐标(x，y，z)。激光平面和摄像机3的精确标定方法已另申请专利(申请号：02158341.2发明名称：激光结构光视觉传感装置)。又因为当焊枪4在水平方向左右移动时，焊缝条纹图像也随之左右移动；当焊枪4在竖直方向上下移动时，焊缝条纹图像也随之上下移动，所以在图像上焊缝6特征点的水平偏移和垂直偏移分别代表了焊枪4相对于焊缝6的相应偏移。这样也可以用焊缝图像特征点坐标与标准位置的水平、垂直偏差来代表焊枪4与标准焊缝位置的水平偏差或垂直偏差。所以视觉传感器可以输出实际焊点三维坐标，或者以焊枪4与标准焊缝位置的水平、垂直偏差量作为输出。
传感器的处理结果(焊点三维坐标或焊枪4与焊缝6的水平偏差或垂直偏差信号)可以以信号线14输出标准模拟信号(1～5V，4～20mA)，或以通过无线网络读出。两个焊缝类型BCD编码器11，每个编码器可以选择0～9十种状态，组合起来共100个状态，可选择设置多种焊缝类型；“工序选择开关”12选定一次/多次焊缝；控制面板8上有指示灯10和控制按钮13；运行、正常和故障指示灯可以指示传感器状态；“开始”按钮确定焊缝6起始位置作为标准位置，传感器开始工作；“停止”按钮作为焊接工作停止标志，传感器停止输出。传感器的功能设定和状态的输入/输出可以以两种方式实现：控制面板8上的控制按钮13和指示灯10可以设定传感器的参数(焊缝类型、工序)，控制传感器的工作工程(开始、停止、复位)，并指示传感器的工作状态(工作、停止、故障)；也可以通过无线通信设定传感器的参数和控制信息，读取传感器的状态。
传感器的工作过程可参阅图2的传感器原理框图。摄像机3采集的焊缝激光图像，一路送到监视器9输出，供操作员实时观察焊缝图像；一路送到PC104处理单元7进行图像处理。通过控制面板8的选择命令或无线网络设定的参数，确定焊缝6的类型，调用焊缝图像处理程序库15中的相应程序模块进行焊缝图像处理。焊缝图像处理程序库15中针对各种焊缝类型的图像特征，开发了特定的图像处理模块(如V字形、梯形、对接、搭接焊缝图像处理等)，构成焊缝图像处理功能模块库15，并可增加新的焊缝类型图像处理模块，具有扩展功能。参阅图3，图中分别是(a)搭接类型焊缝、(b)梯形二次焊缝、(c)V字形对接一次焊缝和(d)直接对接焊缝(中间2～3毫秒间隙)的激光图像。通过调用焊缝图像处理模块15，提取出了焊缝特征点的图像坐标，再由模拟信号输出或由无线网络输出，这样，焊缝跟踪视觉传感器就实现了采集处理焊缝激光图像并输出位置信号的功能，以操控焊接机器人或控制器上的焊枪4进行焊接工艺。

Claims (10)

1、一种基于激光结构光的焊缝跟踪视觉传感装置，能够采集、处理焊缝特征图像，并输出焊缝位置信号，以操控焊接机器人或控制器上的焊枪进行焊接工艺；其特征在于，a)采用一字激光器所发激光产生激光结构光平面，形成结构光条纹；b)采用加装滤光透镜的摄像机采集焊缝特征激光条纹图像；c)激光结构光平面与摄像机摄像头中心轴线成30°～60°角。
2、根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，包括激光器、摄像机、焊枪和处理单元，其中，激光器、摄像机封装在一起，和焊枪刚性连接于一框架上，摄像机摄像头带有滤光片，传感器和焊枪固接，两者中心轴线方向相同，共处于同一平面，该平面与焊缝所成平面相交，且与被焊工件表面垂直；摄像机与处理单元电连接，处理单元通过信号线与焊接机器人或控制器电连接。
3、根据权利要求2所述的传感装置，其特征在于，所述处理单元，包括计算机及其部件、控制面板、监视器和信号线，计算机分别与控制面板、监视器和信号线电连接，摄像机与计算机的图像采集卡电连接，处理单元还设有模拟量输出接口和无线网络接口。
4、根据权利要求2所述的传感装置，其特征在于，所述摄像机，为工业摄像机。
5、根据权利要求2所述的传感装置，其特征在于，激光结构光平面和摄像机经过标定，由结构光条纹特征点的坐标经计算机计算出焊缝的偏移量。
6、根据权利要求2所述的传感装置，其特征在于，所述模拟量输出接口和网络接口，将焊缝位置偏移量信息以标准模拟信号输出或通过无线网络读出。
7、根据权利要求2所述的传感装置，其特征在于，利用网络或通过控制面板按键选择，可针对焊缝类型进行设定、调整。
8、根据权利要求2所述的传感装置，其特征在于，所述计算机还与焊缝图像处理模块电连接，焊缝图像处理模块具有多种焊缝类型的资料，用于提取焊缝特征点坐标，并具有扩展功能。
9、根据权利要求2所述的传感装置，其特征在于，所述滤光片，能透过波长670nm的光波。
10、根据权利要求6所述的传感装置，其特征在于，所述信号输出，具有水平方向和竖直方向焊缝位置偏差输出。
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