一种基于结构光三维视觉的中厚板机器人焊接视觉寻位装置

摘要

本发明公开了一种基于结构光三维视觉的中厚板机器人焊接视觉寻位装置，由机器人手臂和扫描测头构成；机器人手臂用于带动扫描测头；扫描测头用于对工件进行点云采集，进一步通过平面与曲面拟合求交线的方法识别焊缝轨迹，提供机器人寻位坐标。本发明采用结构光三维面扫描技术用于中厚板复杂焊缝的扫描，通过三维点云的分割和拟合计算，提取焊缝轨迹和宽度，提供给焊接机器人快速精准的焊缝寻位及焊接工艺参数，有效帮助机器人实现如车厢板、钢结构、人防门、集装箱、工程机械、管板件等的中厚板自动化焊接。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人视觉领域，涉及一种机器人焊接视觉寻位装置和方法，特别是涉及一种基于结构光三维视觉的中厚板机器人焊接寻位装置与方法。

背景技术

中厚板一般指厚度大于4mm的钢板或其他金属材料板件，机器人中厚板焊接是一种对常见的焊接应用，通常具备以下几个特点：焊接前在工装夹具上进行组对点焊；需要使用焊缝寻找、焊缝跟踪及多层多道焊接功能；多数焊接需要配置大型变位机，使焊接处于船型焊或角焊缝的最佳位置进行焊接。应用领域包括工程机械、建筑钢结构、煤炭机械、专用车车厢板、换热器管板件、集装箱板、桥梁、锅炉船舶等。利用机器人进行中厚板焊接主要有以下优点：

稳定和提高焊接质量；

提高劳动生产率；

改善工人劳动强度，可在有害环境下工作；

降低了对工人操作技术的要求；

轨迹编程示教是中厚板焊接机器人引导的一个必要环节，但由于中厚板体积较大，焊缝往往不够规则，前道工序下料和组对精度难以控制，误差较大，导致机器人在焊接中厚板时难以通过传统示教编程和夹具定位来完成批量化的焊接，这极大的阻碍了机器人焊接在该领域的应用推广。

为了减少编程时间以及实现对不规则焊缝的识别，利用视觉测量方法对是焊接机器人引导得到越来越多的重视。常见的视觉引导方法包括被动视觉法和激光焊缝跟踪法。被动视觉用摄像机拍摄焊缝图，对二维图片进行图像处理来提取焊缝平面轨迹，其特点是设备简单，缺点是精度较差，缺乏三维信息，对复杂的焊缝不适用。激光焊缝跟踪方法是基于激光三角三维测距原理，投射线激光到焊缝表面，摄像机从另一个角度来拍摄激光图案，计算机提取图案中的截面轮廓，求轮廓特征点，再对多个位置的特征点进行连接得到焊缝轨迹。该方法的优点是精度高、鲁棒性好，缺点有如下几个方面：

需要事先机器人示教编程实现大致的路径规划，做好焊缝位置对准，

只适合直线焊缝和圆形焊缝的提取

每次只能采集工件一个截面轮廓，无法对工件整体形状进行扫描分析，适应不了复杂焊缝轨迹的提取，如空间自由曲线、圆柱与平面交线、圆柱与圆柱交线。

另一方面，光学面扫描三维测量技术也日益成熟，结构光投影方法，其原理是将带有编码的散斑或光栅图案投影到被测物体表面，由相机拍摄经被测物体表面调制的变形图案，再进一步解调得到三维信息，最后经过标定得到物体表面的三维形貌。这种技术的优点是一次可以扫描物体整个区域的点云，具有形状三维重建的功能。但是对于焊接工件这样的金属材质，装置的体积也较大，不便安装，因此在焊接机器人焊缝轨迹提取上应用较少。

综上所述，这些问题阻碍了视觉技术在焊接机器人领域的进一步应用，间接影响了焊接机器人在中厚板应用领域的进一步普及。为此，迫切需要发明一种可以采用结构光面扫描的装置和方法来突破现有瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于克服上述中厚板机器人焊接轨迹寻位困难，针对中厚板典型工件提出几种面扫描结构光焊缝寻位方法。特别采用MEMS微镜面扫描方法实现小型化结构光三维扫描装置。采用机器人手臂带动扫描扫描装置对工件进行点云采集，进一步通过平面与曲面拟合求交线的方法识别焊缝轨迹，提供机器人寻位坐标。同时，本文还提出了针对不同类型工件的复杂焊缝轨迹自动扫描和轨迹提取的具体方法和步骤，有效的节省了编程示教时间，保证了轨迹提取精度。

本发明采取的技术方案为：

扫描装置：

一种基于结构光三维视觉的中厚板机器人焊接视觉寻位装置，装在机器人手臂末端，该装置包含1个结构光投射单元和1个图像接收单元组成，图像接收单元由1个相机或2个间隔一定距离的相机组成；中厚板放置在机器人手臂运动范围内，被焊接区域面向扫描装置。

结构光投射单元种类包括数字微镜投射器、散斑投射器、MEMS投射器。

结构光投射单元包括一组半导体激光器、一字线光束整形聚焦透镜、单轴MEMS微镜；MEMS微镜驱动方式包括静电驱动、电磁驱动、电热驱动三种方式。一字线光束整形聚焦透镜是一种鲍威尔棱镜。半导体激光器的波长范围在400-1000nm之间。

MEMS微镜和半导体激光器由一个外部电路板驱动控制，装置工作时执行如下扫描方式：

步骤一：电路板输出周期正弦波信号给MEMS微镜，驱动MEMS微镜高速扫描；电路板输出另一路光强调制信号给激光器形成亮度变化；

步骤二：激光器发射的点激光经过一字线光束整形聚焦透镜入射到MEMS微镜表面，经微镜反射到被成像的物体表面形成光栅图案；

步骤三：电路板输出同步触发信号给相机，相机接受触发信号完成多幅光栅图案的拍摄；

步骤五：拍摄的图案送到计算机中进行计算，利用相移法成像原理得到物体的三维信息。

焊缝寻位方法：

中厚板包括车厢板、钢结构、人防门、集装箱、工程机械、管板件等。

对于一般的中厚板采用如下焊缝轨迹扫描提取步骤：

将机器人手臂末端运动至待焊接工件附近，

采用面扫描方式对工件表面三维形状进行扫描，得到工件表面三维点云，

将工件表面点云做三维点云分割，得到若干平面和曲面点云，

将点云用平面和曲面方程拟合，利用平面与平面、平面与曲面、曲面与曲面求交线的方法提取交线特征点，

对交线特征点拟合得到焊缝轨迹点坐标，输出若干采样点XYZ坐标值给机器人控制器，帮助机器人校正焊接轨迹，

通过对焊缝轨迹附件的三维点云进行分析，得到每条焊缝的实际宽度，用于指导机器人焊枪末端的运动方式和弧焊电流大小，

通过人工示教给出焊枪角度姿态，开始焊接。

当焊接工件是车厢板时，采用如下焊缝轨迹扫描提取步骤：

将机器人手臂末端运动至车厢板局部四方框上方中心位置，使得扫描装置测量范围覆盖方框四个角落，

旋转机器人手臂采用面扫描方式对四方框四个角落的工件表面三维形状进行扫描，得到三维点云，

将工件表面点云做三维点云分割，得到若干平面和曲面点云，

将点云用平面和曲面方程拟合，利用平面与平面、平面与曲面、曲面与曲面求交线的方法提取交线特征点，

对交线特征点拟合得到焊缝轨迹点坐标，输出若干采样点XYZ坐标值给机器人控制器，帮助机器人校正焊接轨迹，

通过对焊缝轨迹附件的三维点云进行分析，得到每条焊缝的实际宽度，用于指导机器人焊枪末端的运动方式和弧焊电流大小，

通过人工示教给出焊枪角度姿态，开始焊接，

焊接完成一个四方框后，再将机器人手臂移动到相邻四方框，重复上述过程，最终完成所有车厢板四方框的焊接。

当焊接工件是H型钢结构肋板时，采用如下焊缝轨迹扫描提取步骤：

将机器人手臂末端运动至钢结构腹板上方，扫描装置正对肋板拍摄，

旋转机器人手臂采用面扫描方式对肋板与腹板、肋板与翼板的交线附近表面进行扫描，得到三维点云，

将工件表面点云做三维点云分割，得到若干平面，

将点云用平面方程拟合，利用平面与平面求交线的方法提取肋板与腹板、肋板与翼板交线特征点，

对交线特征点拟合得到焊缝轨迹点坐标，输出若干采样点XYZ坐标值给机器人控制器，帮助机器人校正焊接轨迹，

通过对焊缝轨迹附件的三维点云进行分析，得到每条焊缝的实际宽度，用于指导机器人焊枪末端的运动方式和弧焊电流大小，

通过人工示教给出焊枪角度姿态，开始焊接，

焊接完成一个肋板后，再将机器人手臂移动到相邻肋板，重复上述过程，最终完成所有H钢肋板的焊接。

5.2.4当焊接工件是人防门门扇田字格时，采用如下焊缝轨迹扫描提取步骤：

将待焊接门扇平放在工作台上，门扇田字格与下面板预先手工点焊结合，将机器人手臂末端运动至门扇一个田字格上方中心位置，使得扫描装置测量范围覆盖田字格四个角落，

旋转机器人手臂采用面扫描方式对田字格的工件表面三维形状进行扫描，得到三维点云，

将工件表面点云做三维点云分割，得到若干平面的点云，

将点云用平面方程拟合，利用平面与平面求交线的方法提取交线特征点，

对交线特征点拟合得到焊缝轨迹点坐标，包括平焊缝、立焊缝，台阶焊缝的轨迹点，输出若干采样点XYZ坐标值给机器人控制器，帮助机器人校正焊接轨迹，

通过对焊缝轨迹附件的三维点云进行分析，得到每条焊缝的实际宽度，用于指导机器人焊枪末端的运动方式和弧焊电流大小，

通过人工示教给出焊枪角度姿态，开始焊接，

焊接完成一个田字格后，再将机器人手臂移动到相邻肋板，重复上述过程，最终完成所有H钢肋板的焊接。

当焊接工件是人防门门扇密封框时，采用如下焊缝轨迹扫描提取步骤：

将待焊接门扇平放在工作台上，门扇与密封框预先手工点焊结合，将机器人手臂末端运动至门扇上方，

移动机器人手臂采用面扫描方式对密封框的工件表面三维形状进行扫描，得到三维点云，

将工件表面点云做三维点云分割，得到若干平面与曲面的点云，

将点云用平面和曲面方程拟合，利用平面与平面求交线、平面与曲面求交线的方法提取交线特征点，

对交线特征点拟合得到焊缝轨迹点坐标，包括密封框直线焊缝和弧线焊缝的轨迹点，输出若干采样点XYZ坐标值给机器人控制器，帮助机器人校正焊接轨迹，

通过人工示教给出焊枪角度姿态，开始焊接，

焊接完成门扇一面后，再反转门扇焊接另一面密封框，重复上述过程，最终完成所有门扇密封框的焊接。

当焊接工件是管板件时，采用如下焊缝轨迹扫描提取步骤：

将机器人手臂末端运动至管板件上方位置，使得扫描装置测量范围覆管板件，

移动机器人手臂采用面扫描方式对管板件工件表面三维形状进行扫描，得到三维点云，

将工件表面点云做三维点云分割，得到一个板平面和若干管件端面点云，

将板平面点云用平面方程拟合，将管件端面点云用曲面方程拟合，利用平面与曲面求交线的方法提取交线特征点，

对交线特征点拟合得到焊缝轨迹点坐标，输出若干采样点XYZ坐标值给机器人控制器，帮助机器人校正焊接轨迹，

通过对焊缝轨迹附件的三维点云进行分析，得到每条焊缝的实际宽度，用于指导机器人焊枪末端的运动方式和弧焊电流大小，

通过人工示教给出焊枪角度姿态，逐一对每个管件与板件焊缝焊接。

如果焊接过程有热变形，则重复上述步骤1)-7)。

有益效果

本发明采用结构光三维面扫描技术用于中厚板复杂焊缝的扫描，通过三维点云的分割和拟合计算，提取焊缝轨迹和宽度，提供给焊接机器人快速精准的焊缝寻位及焊接工艺参数，有效帮助机器人实现如车厢板、钢结构、人防门、集装箱、工程机械、管板件等的中厚板自动化焊接。

本发明的显著优点在于采用面结构光扫描，拍摄面积大，效率高，人工干预少，自动化程度高。采用MEMS微镜投射器实现了扫描装置小型化，方便安装在机器人手臂末端，增大扫描工作范围。采用点云分割与平面曲面拟合算法，计算几何元素的交线，实现了复杂焊缝轨迹的精准提取，摆脱了对机器人编程示教的依赖，使中厚板焊接机器人的现场应用更加智能、更加方便。

附图说明

图1扫描装置示意图；

图2一般中厚板焊缝扫描示意图；

图3车厢板焊缝扫描示意图；

图4H型钢焊缝扫描示意图；

图5人防门田字格焊缝扫描示意图；

图6人防门面板焊缝扫描示意图；

图7管板件焊缝扫描示意图；

其中：A为结构光投射单元，B为图像接收单元，a为半导体激光器,b为一字线光束整形聚焦透镜，c为单轴MEMS微镜，1为机器人手臂，2为扫描装置，3为机器人焊枪末端，4为待焊接工件，5焊缝。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步描述：

扫描装置

本文提供一种基于结构光三维视觉的中厚板机器人焊接视觉寻位装置，扫描装置装在机器人手臂末端，中厚板放置在机器人手臂运动范围内，被焊接区域面向扫描装置。参见图1，该扫描装置包含结构光投射单元A和图像接收单元B组成，B由一个相机和间隔一定距离的另一个相机组成；A由1个半导体激光器、一字线光束整形聚焦透镜、单轴MEMS微镜组成；一字线光束整形聚焦透镜选用鲍威尔棱镜，单轴MEMS微镜选用静电驱动的微镜；MEMS微镜和半导体激光器由一个外部电路板驱动控制，装置工作时执行如下扫描方式：

步骤一：电路板输出周期正弦波信号给MEMS微镜，驱动MEMS微镜高速扫描；电路板输出另一路光强调制信号给激光器形成亮度变化；

步骤二：激光器发射的点激光经过一字线光束整形聚焦透镜入射到MEMS微镜表面，经微镜反射到被成像的物体表面形成光栅图案；

步骤三：电路板输出同步触发信号给相机，相机接受触发信号完成多幅光栅图案的拍摄；

步骤五：拍摄的图案送到计算机中进行计算，利用相移法成像原理得到物体的三维信息。

焊缝扫描寻位方法

参见图2，对于一般的中厚板采用如下焊缝轨迹扫描提取步骤：

将机器人手臂末端运动至待焊接工件附近，

扫描装置采用面扫描方式对工件表面三维形状进行扫描，得到工件表面三维点云，

将工件表面点云做三维点云分割，得到若干平面和曲面点云，

将点云用平面和曲面方程拟合，利用平面与平面、平面与曲面、曲面与曲面求交线的方法提取交线特征点，

对交线特征点拟合得到焊缝轨迹点坐标，输出若干采样点XYZ坐标值给机器人控制器，帮助机器人校正焊接轨迹，

通过对焊缝轨迹附件的三维点云进行分析，得到每条焊缝的实际宽度，用于指导机器人焊枪末端的运动方式和弧焊电流大小，

通过人工示教给出焊枪角度姿态，开始焊接。

参见图3，对于车厢板采用如下焊缝轨迹扫描提取步骤：

将机器人手臂末端运动至车厢板局部四方框上方中心位置，使得扫描装置量范围覆盖方框四个角落，

旋转机器人手臂采用面扫描方式对四方框四个角落的工件表面三维形状进行扫描，得到三维点云，

将工件表面点云做三维点云分割，得到若干平面和曲面点云，

将点云用平面和曲面方程拟合，利用平面与平面、平面与曲面、曲面与曲面求交线的方法提取交线特征点，

对交线特征点拟合得到焊缝轨迹点坐标，输出若干采样点XYZ坐标值给机器人控制器，帮助机器人校正焊接轨迹，

通过对焊缝轨迹附件的三维点云进行分析，得到每条焊缝的实际宽度，用于指导机器人焊枪末端的运动方式和弧焊电流大小，

通过人工示教给出焊枪角度姿态，开始焊接，

焊接完成一个四方框后，再将机器人手臂移动到相邻四方框，重复上述过程，最终完成所有车厢板四方框的焊接。

参见图4，对于H型钢采用如下焊缝轨迹扫描提取步骤：

将机器人手臂末端运动至钢结构腹板上方，扫描装置正对肋板拍摄，

旋转机器人手臂，扫描装置采用面扫描方式对肋板与腹板、肋板与翼板的交线附近表面进行扫描，得到三维点云，

将工件表面点云做三维点云分割，得到若干平面，

将点云用平面方程拟合，利用平面与平面求交线的方法提取肋板与腹板、肋板与翼板交线特征点，

对交线特征点拟合得到焊缝轨迹点坐标，输出若干采样点XYZ坐标值给机器人控制器，帮助机器人校正焊接轨迹，

通过对焊缝轨迹附件的三维点云进行分析，得到每条焊缝的实际宽度，用于指导机器人焊枪末端的运动方式和弧焊电流大小，

通过人工示教给出焊枪角度姿态，开始焊接，

焊接完成一个肋板后，再将机器人手臂移动到相邻肋板，重复上述过程，最终完成所有H钢肋板的焊接。

参见图5，对于人防门田字格采用如下焊缝轨迹扫描提取步骤：

将待焊接门扇平放在工作台上，门扇田字格与下面板预先手工点焊结合，将机器人手臂末端运动至门扇一个田字格上方中心位置，使得扫描装置测量范围覆盖田字格四个角落，

旋转机器人手臂，扫描装置采用面扫描方式对田字格的工件表面三维形状进行扫描，得到三维点云，

将工件表面点云做三维点云分割，得到若干平面的点云，

将点云用平面方程拟合，利用平面与平面求交线的方法提取交线特征点，

对交线特征点拟合得到焊缝轨迹点坐标，包括平焊缝、立焊缝，台阶焊缝的轨迹点，输出若干采样点XYZ坐标值给机器人控制器，帮助机器人校正焊接轨迹，

通过对焊缝轨迹附件的三维点云进行分析，得到每条焊缝的实际宽度，用于指导机器人焊枪末端的运动方式和弧焊电流大小，

通过人工示教给出焊枪角度姿态，开始焊接，

焊接完成一个田字格后，再将机器人手臂移动到相邻肋板，重复上述过程，最终完成所有田字格的焊接。

参见图6，对于人防门门扇密封框采用如下焊缝轨迹扫描提取步骤：

将待焊接门扇平放在工作台上，门扇与密封框预先手工点焊结合，将机器人手臂末端运动至门扇上方，

移动机器人手臂采用面扫描方式对密封框的工件表面三维形状进行扫描，得到三维点云，

将工件表面点云做三维点云分割，得到若干平面与曲面的点云，

将点云用平面和曲面方程拟合，利用平面与平面求交线、平面与曲面求交线的方法提取交线特征点，

对交线特征点拟合得到焊缝轨迹点坐标，包括密封框直线焊缝和弧线焊缝的轨迹点，输出若干采样点XYZ坐标值给机器人控制器，帮助机器人校正焊接轨迹，

通过人工示教给出焊枪角度姿态，开始焊接，

焊接完成门扇一面后，再反转门扇焊接另一面密封框，重复上述过程，最终完成所有门扇密封框的焊接。

参见图7，对于管板件采用如下焊缝轨迹扫描提取步骤：

将机器人手臂末端运动至管板件上方位置，使得扫描装置测量范围覆管板件，

移动机器人手臂采用面扫描方式对管板件工件表面三维形状进行扫描，得到三维点云，

将工件表面点云做三维点云分割，得到一个板平面和若干管件端面点云，

将板平面点云用平面方程拟合，将管件端面点云用曲面方程拟合，利用平面与曲面求交线的方法提取交线特征点，

对交线特征点拟合得到焊缝轨迹点坐标，输出若干采样点XYZ坐标值给机器人控制器，帮助机器人校正焊接轨迹，

通过对焊缝轨迹附件的三维点云进行分析，得到每条焊缝的实际宽度，用于指导机器人焊枪末端的运动方式和弧焊电流大小，

通过人工示教给出焊枪角度姿态，逐一对每个管件与板件焊缝焊接。

如果焊接过程有热变形，则重复上述步骤。