本發(fā)明涉及機(jī)器人線激光實(shí)時(shí)焊縫跟蹤系統(tǒng)，尤其涉及六自由度焊接機(jī)器人線激光實(shí)時(shí)焊縫跟蹤方法。

背景技術(shù)：

由于焊接作業(yè)存在工作環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低下等問(wèn)題，當(dāng)前焊接機(jī)器人已經(jīng)逐步在的汽車(chē)生產(chǎn)、工程機(jī)械、造船以及集裝箱生產(chǎn)等許多領(lǐng)域得到應(yīng)用.焊接機(jī)器人通常采用示教再現(xiàn)的工作模式.為確保這種工作模式能在具體的焊接環(huán)境中實(shí)施，前工序中需通過(guò)人工點(diǎn)焊完成焊接工件的定位，這會(huì)引起定位誤差，使實(shí)際軌跡偏離示教軌跡，從而導(dǎo)致示教編程獲得的機(jī)器人焊接軌跡偏離了再現(xiàn)時(shí)的軌跡。

隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，焊接機(jī)器人廣泛使用視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)校正再現(xiàn)軌跡，實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。焊縫跟蹤系統(tǒng)通常將視覺(jué)系統(tǒng)安裝在機(jī)械手末端，當(dāng)機(jī)器人作業(yè)時(shí)，視覺(jué)系統(tǒng)與焊槍同步工作，實(shí)時(shí)檢測(cè)工件在焊接過(guò)程中由高溫引起的熱變形，并調(diào)整焊槍與焊縫間的位置。

焊縫實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)是激光條紋8和焊接熔池5之間的距離d，如附圖4。d越小則跟蹤精度越高，通常希望d＜30mm，但是這會(huì)導(dǎo)致視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)的圖像信息中存在強(qiáng)烈的弧光和飛濺，造成測(cè)量精度降低和產(chǎn)生大量錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，當(dāng)焊接電流超過(guò)300A后，此現(xiàn)象更加明顯。為了減小弧光飛濺的干擾，目前大部分焊縫跟蹤系統(tǒng)的d都在70mm左右，這大大降低了跟蹤實(shí)時(shí)性與焊接精度。因此如何從含有強(qiáng)烈噪聲干擾的圖像中識(shí)別出焊縫，快速、準(zhǔn)確獲取其位置是實(shí)時(shí)焊縫跟蹤中重要的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種六自由度焊接機(jī)器人線激光實(shí)時(shí)焊縫跟蹤系統(tǒng)及方法，旨在解決當(dāng)前自動(dòng)焊接技術(shù)中視覺(jué)圖像處理困難以及激光條紋與焊接熔池距離過(guò)大的問(wèn)題

上述目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種六自由度焊接機(jī)器人線激光實(shí)時(shí)焊縫跟蹤方法，該方法基于的跟蹤系統(tǒng)包括六自由度機(jī)械臂、焊槍、線激光視覺(jué)傳感器、工作臺(tái)、自動(dòng)焊機(jī)、送絲機(jī)構(gòu)、嵌入式工業(yè)控制器、控制柜，包括步驟：

(1)焊接時(shí)將線激光視覺(jué)傳感器中相機(jī)采集到的圖像先進(jìn)行圖像預(yù)處理；

(2)采用基于加權(quán)余弦相似度(WLCS)的特征點(diǎn)提取算法，得到預(yù)處理后的當(dāng)前幀圖像中焊縫中心特征點(diǎn)的像素坐標(biāo)值；

(3)將所述坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)值之后，把該值與初始值的偏差值實(shí)時(shí)發(fā)送給六自由度機(jī)器人，從而帶動(dòng)焊槍完成自動(dòng)焊接過(guò)程。

進(jìn)一步地，在進(jìn)行步驟(1)之前，還包括步驟：

根據(jù)線激光傳感器中的相機(jī)采集的圖像獲取焊接前初始的焊縫特征點(diǎn)和相鄰區(qū)域。

進(jìn)一步地，所述的根據(jù)線激光傳感器中的相機(jī)采集的圖像獲取焊接前初始的焊縫特征點(diǎn)和相鄰區(qū)域的步驟具體包括：

(1)調(diào)整六自由度焊接機(jī)器人機(jī)械臂的位置，使得焊槍末端(即焊絲末端)位于待焊工件焊縫位置的正上方，并使得固定在焊槍上的線激光傳感器處于最佳工作位置，即在焊接過(guò)程中既能捕捉到清晰地圖像，又不會(huì)使得線激光傳感器和待焊工件發(fā)生干涉；

(2)線激光傳感器中的相機(jī)采集圖像并發(fā)送到嵌入式工業(yè)控制器，嵌入式工業(yè)控制器通過(guò)調(diào)用Halcon軟件的庫(kù)函數(shù)進(jìn)行初始化，得到初始的焊縫特征點(diǎn)和相鄰區(qū)域；

(3)嵌入式工業(yè)控制器將得到的焊接前初始特征點(diǎn)像素坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成基于相機(jī)坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)值。

進(jìn)一步地，所述的步驟(1)具體包括：

(11)焊接時(shí)線激光傳感器的相機(jī)連續(xù)采集每一幀圖像，并發(fā)送至嵌入式工業(yè)控制器進(jìn)行處理計(jì)算；

(12)嵌入式工業(yè)控制器將得到的圖像進(jìn)行用于減小焊接圖像中飛濺和弧光噪聲、使得圖像純凈度變高的預(yù)處理。

進(jìn)一步地，所述的預(yù)處理包括閾值處理、二值化和三幅圖像相乘處理。

進(jìn)一步地，所述步驟(2)具體包括：

(21)初始化跟蹤器，嵌入式工業(yè)控制器通過(guò)調(diào)用Halcon軟件的庫(kù)函數(shù)進(jìn)行初始化，得到初始的焊縫特征點(diǎn)和相鄰區(qū)域；

(22)利用運(yùn)動(dòng)模型p(x_t|x_t-1)在圖像中采集大量目標(biāo)的候選狀態(tài)，x_t表示為目標(biāo)物體的狀態(tài)變量，下標(biāo)t為當(dāng)前圖像幀數(shù)；

(23)利用測(cè)量模型p(y_t|x_t)來(lái)評(píng)估候選狀態(tài)變量，找出與候選狀態(tài)變量相似度最高的觀測(cè)向量，y_t為對(duì)應(yīng)x_t的觀測(cè)向量，此處觀測(cè)模型采用加權(quán)余弦相似度(WLCS)測(cè)量法；

(4)通過(guò)在傅里葉框架下應(yīng)用粒子濾波法，算出最佳候選狀態(tài)位置作為該圖像中焊縫特征點(diǎn)的實(shí)際位置坐標(biāo)，計(jì)算方法是：

p(x_t|y_1:t-1)＝∫p(x_t|x_t-1)p(x_t-1|y_1:t-1)dx_t-1

p(x_t|y_1:t)＝p(y_t|x_t)p(x_t|y_1:t-1)/p(y_t|x_t)p(x_t|y_1:t-1)

式中y_1:t表示從時(shí)刻1到時(shí)刻t的所有觀測(cè)向量，第一個(gè)公式是預(yù)測(cè)公式，通過(guò)時(shí)刻1到時(shí)刻t-1的觀測(cè)向量y_1:t-1預(yù)測(cè)時(shí)刻t的狀態(tài)變量x_t；第二個(gè)公式是更新公式，在第一個(gè)公式中加入時(shí)刻t的觀測(cè)向量y_t更正狀態(tài)變量x_t。

進(jìn)一步地，所述步驟(23)的加權(quán)余弦相似度(WLCS)測(cè)量法具體包括步驟：

(231)計(jì)算出余弦相似度：

式中y為觀測(cè)向量，t為目標(biāo)模塊，下標(biāo)j為第j個(gè)子區(qū)域向量，w為對(duì)應(yīng)子區(qū)域向量的權(quán)重；

(232)計(jì)算出余弦相似度后進(jìn)入在線更新，包括權(quán)重與目標(biāo)模塊的更新；模塊更新公式為：

式中ε是預(yù)先設(shè)定的閾值，η是更新率；

(233)完成目標(biāo)模塊t的更新后，采集該圖像模塊的正樣本和負(fù)樣本，并通過(guò)解決下列最優(yōu)化問(wèn)題更新權(quán)重：

其中Ω⁺與Ω^-分別表示焊縫特征點(diǎn)的正樣本與負(fù)樣本，w′等于上一時(shí)刻的權(quán)重值，即w′＝w_t-1。

進(jìn)一步地，所述步驟(3)具體包括：

(31)將獲得的圖像中焊縫中心特征點(diǎn)的像素坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)值之后與當(dāng)前焊槍位置三維坐標(biāo)進(jìn)行比較，得到偏差值(Δx,Δy,Δz)；

(32)嵌入式工業(yè)控制器實(shí)時(shí)地將所述偏差值(Δx,Δy,Δz)發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)并帶動(dòng)六自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，從而使得焊槍末端的焊絲沿著工件的焊縫中點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，完成六自由度機(jī)器人的實(shí)時(shí)焊縫跟蹤過(guò)程。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)通過(guò)線激光傳感器檢測(cè)焊縫特征點(diǎn)，精度高。通過(guò)嵌入式工業(yè)控制器對(duì)焊縫圖像進(jìn)行處理，控制送絲與焊接裝置以及伺服驅(qū)動(dòng)器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)；

(2)利用基于WLCS的特征點(diǎn)提取算法，在能夠在含有大量弧光與飛濺的環(huán)境下提取焊縫中心點(diǎn)的坐標(biāo)值，精度高，抗干擾能力強(qiáng)，將激光條紋與焊接熔池的距離縮小至30mm以內(nèi)，增強(qiáng)了焊縫跟蹤的實(shí)時(shí)性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的六自由度焊接機(jī)器人線激光實(shí)時(shí)焊縫跟蹤系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的六自由度焊接機(jī)器人線激光實(shí)時(shí)焊縫跟蹤系統(tǒng)中機(jī)械臂自由度示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的六自由度機(jī)械臂與焊槍、線激光視覺(jué)傳感器安裝示意圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例的焊縫跟蹤系統(tǒng)中激光條紋與焊接熔池距離示意圖。

圖5是本發(fā)明六自由度焊接機(jī)器人線激光實(shí)時(shí)焊縫跟蹤方法整體工作流程圖。

圖6是本發(fā)明六自由度焊接機(jī)器人線激光實(shí)時(shí)焊縫跟蹤方法中特征點(diǎn)檢測(cè)算法流程圖。

圖中所示：1-六自由度機(jī)械臂；2-焊槍；3-線激光視覺(jué)傳感器；4-安裝底座；5-焊接熔池；6-相機(jī)；7-線激光發(fā)生器；8-激光條紋；9-工件；10-嵌入式工業(yè)控制器；11-控制柜；12-自動(dòng)焊機(jī)；13-工作臺(tái)；14-倍福模塊。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的目的作進(jìn)一步詳細(xì)地描述，實(shí)施例不能在此一一贅述，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不因此限定于以下實(shí)施例。

實(shí)施例

如圖1所示，一種六自由度焊接機(jī)器人線激光實(shí)時(shí)焊縫跟蹤方法，該方法基于的跟蹤系統(tǒng)包括六自由度機(jī)械臂1、焊槍2、線激光視覺(jué)傳感器3、工作臺(tái)13、自動(dòng)焊機(jī)12、送絲機(jī)構(gòu)、嵌入式工業(yè)控制器10、控制柜11、倍福模塊14，工件9放置在工作臺(tái)13上，線激光視覺(jué)傳感器3通過(guò)安裝底座4安裝在焊槍2上，焊槍2置于六自由度機(jī)械臂1的末端，線激光傳感器和焊槍通過(guò)六自由度機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)而改變其在空間的位置。焊絲存放在容器中，通過(guò)導(dǎo)管，經(jīng)由送絲裝置送向焊槍，送絲裝置固定于六自由度機(jī)械臂U軸上，容器固定于六自由度機(jī)械臂的S軸；所述自動(dòng)焊機(jī)與嵌入式控制器通信，控制焊絲及焊槍工作，所述送絲機(jī)構(gòu)為YWC-WFRPM42RD，所述嵌入式工業(yè)控制器為研華IPC-510，控制柜11為JZRCR-YTB21-F380，自動(dòng)焊機(jī)為MOTOWELD-RD350。本實(shí)施例中，所述六自由度機(jī)械臂1為由六根軸組成，S軸與機(jī)器人架臺(tái)相連，T軸加裝焊槍，軸與軸之間裝有伺服電機(jī)，允許相互轉(zhuǎn)動(dòng)(見(jiàn)圖1、圖2和圖3)

如圖5所示，本實(shí)施例提供的一種六自由度焊接機(jī)器人線激光實(shí)時(shí)焊縫跟蹤方法，包括步驟：

(1)焊接時(shí)將線激光視覺(jué)傳感器3中相機(jī)6采集到的圖像先進(jìn)行圖像預(yù)處理；

(2)采用基于加權(quán)余弦相似度(WLCS)的特征點(diǎn)提取算法，得到預(yù)處理后的當(dāng)前幀圖像中焊縫中心特征點(diǎn)的像素坐標(biāo)值；

(3)將所述坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)值之后，把該值與初始值的偏差值(Δx,Δy,Δz)通過(guò)倍福模塊14實(shí)時(shí)發(fā)送給六自由度機(jī)器人，從而帶動(dòng)焊槍完成自動(dòng)焊接過(guò)程。

具體而言，在進(jìn)行步驟(1)之前，還包括步驟：

根據(jù)線激光傳感器中的相機(jī)采集的圖像獲取焊接前初始的焊縫特征點(diǎn)和相鄰區(qū)域。

具體而言，所述的根據(jù)線激光傳感器中的相機(jī)采集的圖像獲取焊接前初始的焊縫特征點(diǎn)和相鄰區(qū)域的步驟具體包括：

(1)調(diào)整六自由度焊接機(jī)器人機(jī)械臂的位置，使得焊槍末端(即焊絲末端)位于待焊工件焊縫位置的正上方，并使得固定在焊槍上的線激光傳感器處于最佳工作位置，即在焊接過(guò)程中既能捕捉到清晰地圖像，又不會(huì)使得線激光傳感器和待焊工件發(fā)生干涉；

(2)線激光傳感器中的相機(jī)采集圖像并發(fā)送到嵌入式工業(yè)控制器，嵌入式工業(yè)控制器通過(guò)調(diào)用Halcon軟件的庫(kù)函數(shù)進(jìn)行初始化，得到初始的焊縫特征點(diǎn)和相鄰區(qū)域；

(3)嵌入式工業(yè)控制器將得到的焊接前初始特征點(diǎn)像素坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成基于相機(jī)坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)值。

具體而言，如圖6所示，所述的步驟(1)具體包括：

(11)焊接時(shí)線激光傳感器的相機(jī)連續(xù)采集每一幀圖像，并發(fā)送至嵌入式工業(yè)控制器進(jìn)行處理計(jì)算；

(12)嵌入式工業(yè)控制器將得到的圖像進(jìn)行用于減小焊接圖像中飛濺和弧光噪聲、使得圖像純凈度變高的預(yù)處理，所述的預(yù)處理包括閾值處理、二值化和三幅圖像相乘處理。

具體而言，所述步驟(2)具體包括：

(21)初始化跟蹤器，嵌入式工業(yè)控制器通過(guò)調(diào)用Halcon軟件的庫(kù)函數(shù)進(jìn)行初始化，得到初始的焊縫特征點(diǎn)和相鄰區(qū)域；

(22)利用運(yùn)動(dòng)模型p(x_t|x_t-1)在圖像中采集大量目標(biāo)的候選狀態(tài)，x_t表示為目標(biāo)物體的狀態(tài)變量，下標(biāo)t為當(dāng)前圖像幀數(shù)；

(23)利用測(cè)量模型p(y_t|x_t)來(lái)評(píng)估候選狀態(tài)變量，找出與候選狀態(tài)變量相似度最高的觀測(cè)向量，y_t為對(duì)應(yīng)x_t的觀測(cè)向量，此處觀測(cè)模型采用加權(quán)余弦相似度(WLCS)測(cè)量法；

(4)通過(guò)在傅里葉框架下應(yīng)用粒子濾波法，算出最佳候選狀態(tài)位置作為該圖像中焊縫特征點(diǎn)的實(shí)際位置坐標(biāo)，計(jì)算方法是：

p(x_t|y_1:t-1)＝∫p(x_t|x_t-1)p(x_t-1|y_1:t-1)dx_t-1

p(x_t|y_1:t)＝p(y_t|x_t)p(x_t|y_1:t-1)/p(y_t|x_t)p(x_t|y_1:t-1)

式中y_1:t表示從時(shí)刻1到時(shí)刻t的所有觀測(cè)向量，第一個(gè)公式是預(yù)測(cè)公式，通過(guò)時(shí)刻1到時(shí)刻t-1的觀測(cè)向量y_1:t-1預(yù)測(cè)時(shí)刻t的狀態(tài)變量x_t；第二個(gè)公式是更新公式，在第一個(gè)公式中加入時(shí)刻t的觀測(cè)向量y_t更正狀態(tài)變量x_t。

具體而言，所述步驟(23)的加權(quán)余弦相似度(WLCS)測(cè)量法的具體為：

(231)計(jì)算出余弦相似度：

式中y為觀測(cè)向量，t為目標(biāo)模塊，下標(biāo)j為第j個(gè)子區(qū)域向量，w為對(duì)應(yīng)子區(qū)域向量的權(quán)重；

(232)計(jì)算出余弦相似度后進(jìn)入在線更新，包括權(quán)重與目標(biāo)模塊的更新；模塊更新公式為：

式中ε是預(yù)先設(shè)定的閾值，η是更新率；

(233)完成目標(biāo)模塊t的更新后，采集該圖像模塊的正樣本和負(fù)樣本，并通過(guò)解決下列最優(yōu)化問(wèn)題更新權(quán)重：

其中Ω⁺與Ω^-分別表示焊縫特征點(diǎn)的正樣本與負(fù)樣本，w′等于上一時(shí)刻的權(quán)重值，即w′＝w_t-1。

具體而言，所述步驟(3)具體包括：

(31)將獲得的圖像中焊縫中心特征點(diǎn)的像素坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)值之后與當(dāng)前焊槍位置三維坐標(biāo)進(jìn)行比較，得到偏差值(Δx,Δy,Δz)；

(32)嵌入式工業(yè)控制器通過(guò)倍福模塊14實(shí)時(shí)地將所述偏差值(Δx,Δy,Δz)發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)并帶動(dòng)六自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，從而使得焊槍末端的焊絲沿著工件的焊縫中點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，完成六自由度機(jī)器人的實(shí)時(shí)焊縫跟蹤過(guò)程。

本實(shí)施例解決了當(dāng)前焊縫跟蹤系統(tǒng)中激光條紋和焊接熔池距離過(guò)大的問(wèn)題，具有完全自動(dòng)化，焊接精度高，實(shí)時(shí)性好，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

本實(shí)施例所述的各零部件可選型如下，但選型不限于此：嵌入式工業(yè)控制器：研華IPC-510，可選用其他同類(lèi)型的嵌入式工業(yè)控制器；工件：角鋼，可選用其它形狀規(guī)則的同類(lèi)型工件。

本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。