專(zhuān)利名稱(chēng)：具有視覺(jué)焊縫自動(dòng)跟蹤功能的弧焊機(jī)器人控制平臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通用的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)，特別涉及具有視覺(jué)焊縫自動(dòng)跟蹤功能的弧焊機(jī)器人控制平臺(tái)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)工業(yè)弧焊機(jī)器人系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，A1為控制器，R1為工業(yè)機(jī)器人，H1為焊槍?zhuān)珿1為待焊工件。這種系統(tǒng)采取的主要工作方式是示教再現(xiàn)，即在焊接工作前，手動(dòng)控制機(jī)器人的末端焊槍沿焊縫移動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中記錄各個(gè)電機(jī)軌跡點(diǎn)的位置，以此來(lái)計(jì)算焊縫位置并完成焊接任務(wù)。這種作業(yè)方式的缺點(diǎn)之一是示教工作繁瑣，占用較多工時(shí)，當(dāng)焊縫較不規(guī)則時(shí)，這一缺陷尤其突出。另一個(gè)缺點(diǎn)是缺乏對(duì)焊縫位置變化的適應(yīng)性。例如，如果一批工件的焊縫位置不是完全一致，那么就要逐個(gè)對(duì)工件進(jìn)行位置示教。與一般工業(yè)自動(dòng)化操作機(jī)構(gòu)以及搬運(yùn)機(jī)器人相比，弧焊機(jī)器人不僅對(duì)運(yùn)動(dòng)控制要求高，同時(shí)需要高精度的焊槍與工件之間的軌跡位置關(guān)系、運(yùn)動(dòng)速度以及焊槍姿態(tài)。提高工件加工精度、嚴(yán)格控制機(jī)器人示教軌跡不但會(huì)提高制造成本，而且限制使用范圍。因此，為了提高生產(chǎn)效率，使弧焊機(jī)器人系統(tǒng)具有對(duì)焊縫位置變化的適應(yīng)性，必須使弧焊系統(tǒng)具備焊縫自動(dòng)跟蹤功能。
焊縫視覺(jué)跟蹤傳感器主要分為三種方式結(jié)構(gòu)光式、激光掃描式和直接拍攝電弧式。目前現(xiàn)存的弧焊機(jī)器人的視覺(jué)控制系統(tǒng)還存在許多不完善的地方，不具備開(kāi)放性，不能滿足機(jī)器人在未知環(huán)境下識(shí)別、處理問(wèn)題的要求。(參見(jiàn)吳林、陳善本等編著《智能化焊接技術(shù)》，國(guó)防工業(yè)出版社，2001.5)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有視覺(jué)焊縫自動(dòng)跟蹤功能的弧焊機(jī)器人控制平臺(tái)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，具有視覺(jué)焊縫自動(dòng)跟蹤功能的弧焊機(jī)器人控制平臺(tái)，包括控制器，用于控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)；機(jī)器人，在所述控制器的控制下，移動(dòng)焊槍進(jìn)行焊接，其特征在于還包括計(jì)算機(jī)，用于計(jì)算機(jī)器人的各種參數(shù)，通過(guò)控制器控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)；激光器，向被焊工件發(fā)出平面光束；固定在機(jī)器人末端的攝像頭，采集由激光器產(chǎn)生的平面光束照到被焊工件的接頭坡口處所形成的圖像，并將所采集的圖像通過(guò)視頻線傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了弧焊機(jī)器人的焊縫自動(dòng)跟蹤功能，可大大提高生產(chǎn)效率；本發(fā)明具有開(kāi)放的結(jié)構(gòu)體系，可以控制多種類(lèi)型的工業(yè)機(jī)器人、伺服控制器、視頻設(shè)備(包括視頻采集卡和CCD攝像頭)，能夠更加靈活地控制工業(yè)機(jī)器人，更加方便地增加或改變其硬件配置，實(shí)現(xiàn)不同的功能，使現(xiàn)有的機(jī)器人生產(chǎn)進(jìn)一步適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)小批量多品種的要求；本發(fā)明也可以作為一種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)在其上層開(kāi)發(fā)基于不同操作系統(tǒng)的控制軟件，可以對(duì)以前只能通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真的各種控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為未來(lái)工業(yè)機(jī)器人的研究及開(kāi)發(fā)提供一種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。


圖1為傳統(tǒng)的弧焊工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的配置連接圖；圖2為基于開(kāi)放式工業(yè)機(jī)器人控制器的具有視覺(jué)焊縫自動(dòng)跟蹤功能的弧焊機(jī)器人視覺(jué)平臺(tái)配置連接圖；圖3為開(kāi)放式工業(yè)機(jī)器人控制器內(nèi)部驅(qū)動(dòng)部分連接圖；圖4為兩部CCD攝像頭與雙路采集卡的連接圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)(圖1)的不同之處在于增加了外接的PC機(jī)I1，使用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需要編制和修改控制程序。
配置了兩個(gè)固定于機(jī)器人末端的CCD攝像頭D1和D2，以及一個(gè)激光發(fā)射器L1，以生成結(jié)構(gòu)光。
本發(fā)明的技術(shù)核心還在于將開(kāi)放式工業(yè)機(jī)器人控制器應(yīng)用于機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)連接兩個(gè)CCD攝像頭(可外加濾光片)，并且通過(guò)開(kāi)放式工業(yè)機(jī)器人控制器控制激光發(fā)射裝置。圖2為該控制平臺(tái)具體的連線示意圖，圖中的I1為工業(yè)計(jì)算機(jī)；A2為開(kāi)放式工業(yè)機(jī)器人控制器；D1和D2為固定在機(jī)器人末端的CCD攝像頭(可外加濾光片)，數(shù)據(jù)線連接到A2中的視頻采集卡的視頻端口，其位姿隨機(jī)器人末端的位姿變化而變化；L1為一激光發(fā)射器(可外加濾光片)，它通過(guò)一個(gè)調(diào)光控制裝置(圖3中C6)與A2相連，光強(qiáng)的調(diào)節(jié)通過(guò)A2實(shí)現(xiàn)。
圖2的工作原理如下計(jì)算機(jī)通過(guò)插在其PCI總線上的視頻采集卡與CCD攝像頭相連，采集卡為雙路輸入，可以根據(jù)不同的需要選用不同的攝像頭。為完成視覺(jué)焊縫自動(dòng)跟蹤任務(wù)，首先由控制器通過(guò)C7控制激光器L1發(fā)出平面光束，攝像頭D1和D2采集由激光器產(chǎn)生的面束照到工件G2的接頭坡口處所形成的圖像，并通過(guò)視頻線傳送到計(jì)算機(jī)，然后經(jīng)過(guò)濾波、圖像二值化、圖像細(xì)化和直線擬合等圖像處理過(guò)程，得到圖像的各種特征參數(shù)。由兩個(gè)攝像頭圖像的匹配關(guān)系和預(yù)先標(biāo)定過(guò)的攝像頭內(nèi)外參數(shù)，再提取出槽口的位姿、尺寸等所需要的各種信息。根據(jù)所得到的信息，通過(guò)特定的算法規(guī)劃出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后分解到各個(gè)關(guān)節(jié)。計(jì)算機(jī)把各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳到開(kāi)放式機(jī)器人控制器A2，控制器內(nèi)的伺服包輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以驅(qū)動(dòng)機(jī)器人R2的伺服電機(jī)，控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，完成視覺(jué)焊縫自動(dòng)跟蹤任務(wù)。R2各個(gè)關(guān)節(jié)的位置通過(guò)安裝在關(guān)節(jié)電機(jī)上的碼盤(pán)得到。CCD攝像頭的采樣圖像效果受光線強(qiáng)度影響很大，于是設(shè)計(jì)A2有一路輸出控制激光器L1的光源輸出強(qiáng)度，如果D2和D3采樣得到的圖像效果不理想，系統(tǒng)可自動(dòng)根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)L1的光強(qiáng)。
圖3為開(kāi)放式機(jī)器人控制器內(nèi)部驅(qū)動(dòng)部分連線圖，圖中C1為多軸運(yùn)動(dòng)控制器PMAC2-PC(簡(jiǎn)稱(chēng)PMAC)，它可以插在工業(yè)計(jì)算機(jī)上的ISA總線的插槽上，C2(第二碼盤(pán)轉(zhuǎn)換器)和C3(第一碼盤(pán)轉(zhuǎn)換器)為YASKAWA絕對(duì)碼盤(pán)轉(zhuǎn)換器ACC-8D-OPTION9，C4(第一信號(hào)匹配轉(zhuǎn)換器)、C5(第二信號(hào)匹配轉(zhuǎn)換器)和C6(第三信號(hào)匹配轉(zhuǎn)換器)為信號(hào)匹配轉(zhuǎn)換器ACC-8E，C7為電壓調(diào)節(jié)電路；C2、C3、C4、C5、C6和C7均安裝在A2內(nèi)部；C1的J1端口與C2的P6口連接，JMAC2、JMAC3和JMAC4端口分別與C4、C5和C6的JMACH口連接；C2的J2端口與C4的J1端口相連，C3的J1、J2端口分別與C5和C6的J1端口連接；伺服包S1、S2、S3、S4、S5和S6分別驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)M1、M2、M3、M4、M5和M6；伺服包S1和S2的EO端口分別連接到C2的P2和P3端口，伺服包S3、S4、S5和S6的EO端口分別連接到C3的P1、P2、P3和P4端口；伺服包S1和S2的CI端口分別連接到C4的TB3和TB5端口，伺服包S3和S4的CI端口分別連接到C5的TB3和TB5端口，伺服包S5和S6的CI端口分別連接到C6的TB3和TB5端口；C6的TB4端口與C7相連；C7與激光器L1相連。
圖3的工作原理如下通過(guò)運(yùn)行在工業(yè)計(jì)算機(jī)上編制的控制程序發(fā)出電壓控制信號(hào)，通過(guò)C1上的JMAC2、JMAC3和JMAC4端口傳送給C4、C5和C6的JMAC端口，再由C4、C5和C6經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)化傳送給伺服包S1、S2、S3、S4、S5和S6，進(jìn)而形成伺服電機(jī)M1、M2、M3、M4、M5和M6的驅(qū)動(dòng)脈沖。
機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的位置的變化是通過(guò)安裝在伺服電機(jī)上的絕對(duì)碼盤(pán)產(chǎn)生的。由M1、M2、M3、M4、M5和M6產(chǎn)生的碼盤(pán)信號(hào)先送給S1、S2、S3、S4、S5和S6，再通過(guò)它們的EO端口傳遞給絕對(duì)碼盤(pán)轉(zhuǎn)換器C2和C3；一方面C3將碼盤(pán)絕對(duì)位置信號(hào)傳給C2，C2再將C2和C3的絕對(duì)位置信號(hào)都傳回PMAC；另一方面C2和C3將絕對(duì)碼盤(pán)信號(hào)轉(zhuǎn)換為增量信號(hào)，C2將此信號(hào)傳給C4，C3將增量信號(hào)分別傳給C5和C6；在需要時(shí)，C4、C5和C6通過(guò)各自的JMAC端口再將增量信號(hào)傳給PMAC；最后通過(guò)ISA總線，PMAC再將各電機(jī)的絕對(duì)位置讀數(shù)上傳工控機(jī)。這樣計(jì)算機(jī)就得到了伺服電機(jī)的碼盤(pán)讀數(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序就可以解讀這些碼盤(pán)數(shù)據(jù)，以確定機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
照明光線強(qiáng)度的調(diào)整也是通過(guò)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，計(jì)算機(jī)根據(jù)攝像頭采樣圖像的情況輸出一個(gè)調(diào)節(jié)電壓數(shù)給C1，C1將此信號(hào)傳送給C4，C4的TB4端口輸出一個(gè)0～6V的模擬電壓信號(hào)給電壓調(diào)節(jié)電路C7，C7的輸出根據(jù)其輸入成線性變化，因此，可以調(diào)節(jié)L1的亮度。
圖4為兩部CCD攝像頭與雙路采集卡的連接圖。攝像頭通過(guò)視頻傳輸線連接到雙路圖像采集卡C8；C8通過(guò)PCI總線與計(jì)算機(jī)I1連接。其工作原理如下攝像頭加電后工作，不斷產(chǎn)生調(diào)制的PAL模式視頻信號(hào)，這些信號(hào)傳送到采集卡。在應(yīng)用程序軟件的控制下，這些視頻信號(hào)被采集卡處理成圖像數(shù)據(jù)格式，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)存，應(yīng)用程序從內(nèi)存中讀取圖像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下一步的處理。
本發(fā)明采用雙目視覺(jué)，平面結(jié)構(gòu)光成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了弧焊機(jī)器人的焊縫定位和跟蹤功能，所提出的具有視覺(jué)焊縫自動(dòng)跟蹤功能的弧焊機(jī)器人控制平臺(tái)的主要優(yōu)點(diǎn)如下采用雙目視覺(jué)技術(shù)，克服了單目視覺(jué)可能造成的遮擋困難；采用結(jié)構(gòu)光，避開(kāi)了被動(dòng)視覺(jué)難以解決的弧焊光干擾問(wèn)題；將開(kāi)放式工業(yè)機(jī)器人控制器運(yùn)用到視覺(jué)系統(tǒng)中，采用開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)，用戶一方面可以根據(jù)自己的需要靈活定制硬件配置，另一方面可以在本控制平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，完成一些原有系統(tǒng)所不具備的任務(wù)。
實(shí)施例本控制平臺(tái)通過(guò)圖3所示的電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人的伺服電機(jī)、可調(diào)激光器的控制。在實(shí)施例中，搭建了由一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人、一臺(tái)開(kāi)放式工業(yè)機(jī)器人控制器、兩部CCD攝像頭、一塊視頻采集卡和一只激光器構(gòu)成的具有視覺(jué)焊縫自動(dòng)跟蹤功能的弧焊機(jī)器人視覺(jué)平臺(tái)。工業(yè)計(jì)算機(jī)可采用ADVANTECH-610，采用安川YASKAWA MOTOMAN SK10型機(jī)器人本體作為控制對(duì)象，伺服包分別采用口本安川YASKAWA CACR-SR15SZ1SD-Y214型單軸驅(qū)動(dòng)伺服包，用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的S、L、U、R、B和T六個(gè)關(guān)節(jié)，攝像頭采用SONY Digital Hyper HAD彩色攝像頭(可外加濾光片)、視頻采集卡選用PCI總線的OK-C80/M采集卡，激光器采用半導(dǎo)體激光器(可外加濾光片)。
本發(fā)明是實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的焊縫自動(dòng)跟蹤的裝置。
首先由控制器通過(guò)C7控制激光器L1發(fā)出平面光束，在攝像頭D1和D2采集由激光器產(chǎn)生的面束照到工件G2的接頭坡口處所形成的圖像，并通過(guò)視頻線傳送到計(jì)算機(jī)，然后經(jīng)過(guò)濾波、圖像二值化、圖像細(xì)化和直線擬合等圖像處理過(guò)程，得到圖像的各種特征參數(shù)。由兩個(gè)攝像頭圖像的匹配關(guān)系和預(yù)先標(biāo)定過(guò)的攝像頭內(nèi)外參數(shù)，再提取出槽口的位姿、尺寸等所需要的各種信息。根據(jù)所得到的信息，通過(guò)特定的算法規(guī)劃出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后分解到各個(gè)關(guān)節(jié)。計(jì)算機(jī)把各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳到開(kāi)放式機(jī)器人控制器A2，控制器內(nèi)的伺服包輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以驅(qū)動(dòng)機(jī)器人R2的伺服電機(jī)，控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，完成視覺(jué)焊縫自動(dòng)跟蹤任務(wù)。
本發(fā)明采用開(kāi)放式工業(yè)機(jī)器人控制器代替了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)封閉的機(jī)器人控制器，通過(guò)開(kāi)放式工業(yè)機(jī)器人控制器實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)焊縫自動(dòng)跟蹤功能。該發(fā)明使機(jī)器人用戶無(wú)需對(duì)焊縫逐點(diǎn)示教，就可自動(dòng)制定弧焊機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)，可大大提高生產(chǎn)效率。此外，由于結(jié)構(gòu)開(kāi)放，因此可以便捷地為機(jī)器人增添一些出廠時(shí)不具備的功能，提高了用戶對(duì)機(jī)器人的控制能力。該創(chuàng)作對(duì)于提高弧焊工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)效率，增加其對(duì)未知環(huán)境的適應(yīng)能力，拓展機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用具有重要的作用。
權(quán)利要求
1.一種具有視覺(jué)焊縫自動(dòng)跟蹤功能的弧焊機(jī)器人控制平臺(tái)，包括控制器，用于控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)；機(jī)器人，在所述控制器的控制下，移動(dòng)焊槍進(jìn)行焊接，其特征在于還包括計(jì)算機(jī)，用于計(jì)算機(jī)器人的各種參數(shù)，通過(guò)控制器控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)；激光器，向被焊工件發(fā)出平面光束；固定在機(jī)器人末端的攝像頭，采集由激光器產(chǎn)生的平面光束照到被焊工件的接頭坡口處所形成的圖像，并將所采集的圖像通過(guò)視頻線傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。
2.按權(quán)利要求1所述的控制平臺(tái)，其特征在于所述的攝像機(jī)為兩臺(tái)。
3.按權(quán)利要求1所述的控制平臺(tái)，其特征在于所述的攝像頭通過(guò)插在PCI總線上的視頻采集卡與計(jì)算機(jī)相連。
4.按權(quán)利要求1所述的控制平臺(tái)，其特征在于調(diào)節(jié)所述激光光束包括計(jì)算機(jī)，根據(jù)攝像頭采樣圖像情況輸出一個(gè)調(diào)節(jié)電壓數(shù)給多軸運(yùn)動(dòng)控制器，信號(hào)匹配轉(zhuǎn)換器，從多軸運(yùn)動(dòng)控制器接收電壓調(diào)節(jié)數(shù)信號(hào)，并輸出模擬電壓信號(hào)給電壓調(diào)節(jié)電路；電壓調(diào)節(jié)電路的輸出根據(jù)輸入線性變化，以調(diào)節(jié)激光器的亮度。
5.按權(quán)利要求1所述的控制平臺(tái)，其特征在于所述的控制器包括多軸控制器，接收計(jì)算機(jī)發(fā)出的電壓控制信號(hào)；信號(hào)匹配轉(zhuǎn)換器，接收來(lái)自多軸控制器的電壓控制信號(hào)；伺服包，接收經(jīng)信號(hào)匹配轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換的信號(hào)；交流伺服電機(jī)，接收伺服電機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)，并形成驅(qū)動(dòng)脈沖。
6.按權(quán)利要求5所述的控制平臺(tái)，其特征在于還包括安裝在伺服電機(jī)上的絕對(duì)碼盤(pán)，產(chǎn)生碼盤(pán)信號(hào)；伺服電機(jī)，接收碼盤(pán)信號(hào)，并將碼盤(pán)信號(hào)傳遞給絕對(duì)碼盤(pán)轉(zhuǎn)換器；碼盤(pán)轉(zhuǎn)換器，一方面，第一碼盤(pán)轉(zhuǎn)換器將碼盤(pán)絕對(duì)位置信號(hào)傳給第二碼盤(pán)轉(zhuǎn)換器，第二碼盤(pán)轉(zhuǎn)換器再將第二和第一碼盤(pán)轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)位置信號(hào)都傳回多軸控制器；另一方面，第二和第一碼盤(pán)轉(zhuǎn)換器將絕對(duì)碼盤(pán)信號(hào)轉(zhuǎn)換為增量信號(hào)， 第二碼盤(pán)轉(zhuǎn)換器將此信號(hào)傳給第一信號(hào)匹配轉(zhuǎn)換器，第一碼盤(pán)轉(zhuǎn)換器將增量信號(hào)分別傳給第二和第三信號(hào)匹配轉(zhuǎn)換器；最后，通過(guò)ISA總線，多軸運(yùn)動(dòng)控制器再將各電機(jī)的絕對(duì)位置讀數(shù)上傳計(jì)算機(jī)。
全文摘要
一種具有視覺(jué)焊縫自動(dòng)跟蹤功能的弧焊機(jī)器人控制平臺(tái)，包括控制器，用于控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)；機(jī)器人，在所述控制器的控制下，移動(dòng)焊槍進(jìn)行焊接；計(jì)算機(jī)，用于計(jì)算機(jī)器人的各種參數(shù)，通過(guò)控制器控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)；激光器，向被焊工件發(fā)出平面光束；固定在機(jī)器人末端的攝像頭，采集由激光器產(chǎn)生的平面光束照到被焊工件的接頭坡口處所形成的圖像，并將所采集的圖像通過(guò)視頻線傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。本發(fā)明具有開(kāi)放的結(jié)構(gòu)體系，可以控制多種類(lèi)型的工業(yè)機(jī)器人、伺服控制器、視頻設(shè)備，能夠更加靈活地控制工業(yè)機(jī)器人，更加方便地增加或改變其硬件配置，實(shí)現(xiàn)不同的功能，使現(xiàn)有的機(jī)器人生產(chǎn)進(jìn)一步適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)小批量多品種的要求。
文檔編號(hào)B23K9/00GK1511669SQ02158340
公開(kāi)日2004年7月14日 申請(qǐng)日期2002年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月27日
發(fā)明者譚民, 徐德, 梁自澤, 景奉水, 顧農(nóng), 陳剛, 趙曉光, 涂志國(guó), 譚 民 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所