專利名稱：具有視覺焊縫自動跟蹤功能的弧焊機器人控制平臺的制作方法
技術領域：
本發明涉及通用的工業機器人控制系統，特別涉及具有視覺焊縫自動跟蹤功能的弧焊機器人控制平臺。
背景技術：
傳統工業弧焊機器人系統的基本結構如圖1所示，A1為控制器，R1為工業機器人，H1為焊槍，G1為待焊工件。這種系統采取的主要工作方式是示教再現，即在焊接工作前，手動控制機器人的末端焊槍沿焊縫移動，在移動過程中記錄各個電機軌跡點的位置，以此來計算焊縫位置并完成焊接任務。這種作業方式的缺點之一是示教工作繁瑣，占用較多工時，當焊縫較不規則時，這一缺陷尤其突出。另一個缺點是缺乏對焊縫位置變化的適應性。例如，如果一批工件的焊縫位置不是完全一致，那么就要逐個對工件進行位置示教。與一般工業自動化操作機構以及搬運機器人相比，弧焊機器人不僅對運動控制要求高，同時需要高精度的焊槍與工件之間的軌跡位置關系、運動速度以及焊槍姿態。提高工件加工精度、嚴格控制機器人示教軌跡不但會提高制造成本，而且限制使用范圍。因此，為了提高生產效率，使弧焊機器人系統具有對焊縫位置變化的適應性，必須使弧焊系統具備焊縫自動跟蹤功能。
焊縫視覺跟蹤傳感器主要分為三種方式結構光式、激光掃描式和直接拍攝電弧式。目前現存的弧焊機器人的視覺控制系統還存在許多不完善的地方，不具備開放性，不能滿足機器人在未知環境下識別、處理問題的要求。(參見吳林、陳善本等編著《智能化焊接技術》，國防工業出版社，2001.5)。
發明內容
本發明的目的是提供一種具有視覺焊縫自動跟蹤功能的弧焊機器人控制平臺。
為實現上述目的，具有視覺焊縫自動跟蹤功能的弧焊機器人控制平臺，包括控制器，用于控制機器人的運動；機器人，在所述控制器的控制下，移動焊槍進行焊接，其特征在于還包括計算機，用于計算機器人的各種參數，通過控制器控制機器人的運動；激光器，向被焊工件發出平面光束；固定在機器人末端的攝像頭，采集由激光器產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視頻線傳送到計算機進行處理。
本發明實現了弧焊機器人的焊縫自動跟蹤功能，可大大提高生產效率；本發明具有開放的結構體系，可以控制多種類型的工業機器人、伺服控制器、視頻設備(包括視頻采集卡和CCD攝像頭)，能夠更加靈活地控制工業機器人，更加方便地增加或改變其硬件配置，實現不同的功能，使現有的機器人生產進一步適應現代工業生產小批量多品種的要求；本發明也可以作為一種實驗平臺，通過在其上層開發基于不同操作系統的控制軟件，可以對以前只能通過計算機仿真的各種控制策略進行實驗，為未來工業機器人的研究及開發提供一種實驗平臺。
圖1為傳統的弧焊工業機器人控制系統的配置連接圖；圖2為基于開放式工業機器人控制器的具有視覺焊縫自動跟蹤功能的弧焊機器人視覺平臺配置連接圖；圖3為開放式工業機器人控制器內部驅動部分連接圖；圖4為兩部CCD攝像頭與雙路采集卡的連接圖。
具體實施例方式
本發明與現有技術(圖1)的不同之處在于增加了外接的PC機I1，使用戶可以根據自己的實際需要編制和修改控制程序。
配置了兩個固定于機器人末端的CCD攝像頭D1和D2，以及一個激光發射器L1，以生成結構光。
本發明的技術核心還在于將開放式工業機器人控制器應用于機器人視覺系統，通過計算機連接兩個CCD攝像頭(可外加濾光片)，并且通過開放式工業機器人控制器控制激光發射裝置。圖2為該控制平臺具體的連線示意圖，圖中的I1為工業計算機；A2為開放式工業機器人控制器；D1和D2為固定在機器人末端的CCD攝像頭(可外加濾光片)，數據線連接到A2中的視頻采集卡的視頻端口，其位姿隨機器人末端的位姿變化而變化；L1為一激光發射器(可外加濾光片)，它通過一個調光控制裝置(圖3中C6)與A2相連，光強的調節通過A2實現。
圖2的工作原理如下計算機通過插在其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，可以根據不同的需要選用不同的攝像頭。為完成視覺焊縫自動跟蹤任務，首先由控制器通過C7控制激光器L1發出平面光束，攝像頭D1和D2采集由激光器產生的面束照到工件G2的接頭坡口處所形成的圖像，并通過視頻線傳送到計算機，然后經過濾波、圖像二值化、圖像細化和直線擬合等圖像處理過程，得到圖像的各種特征參數。由兩個攝像頭圖像的匹配關系和預先標定過的攝像頭內外參數，再提取出槽口的位姿、尺寸等所需要的各種信息。根據所得到的信息，通過特定的算法規劃出機器人的運動軌跡，然后分解到各個關節。計算機把各個關節的運動參數傳到開放式機器人控制器A2，控制器內的伺服包輸出的驅動信號可以驅動機器人R2的伺服電機，控制機器人的運動，完成視覺焊縫自動跟蹤任務。R2各個關節的位置通過安裝在關節電機上的碼盤得到。CCD攝像頭的采樣圖像效果受光線強度影響很大，于是設計A2有一路輸出控制激光器L1的光源輸出強度，如果D2和D3采樣得到的圖像效果不理想，系統可自動根據實際需要調節L1的光強。
圖3為開放式機器人控制器內部驅動部分連線圖，圖中C1為多軸運動控制器PMAC2-PC(簡稱PMAC)，它可以插在工業計算機上的ISA總線的插槽上，C2(第二碼盤轉換器)和C3(第一碼盤轉換器)為YASKAWA絕對碼盤轉換器ACC-8D-OPTION9，C4(第一信號匹配轉換器)、C5(第二信號匹配轉換器)和C6(第三信號匹配轉換器)為信號匹配轉換器ACC-8E，C7為電壓調節電路；C2、C3、C4、C5、C6和C7均安裝在A2內部；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分別驅動交流伺服電機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運行在工業計算機上編制的控制程序發出電壓控制信號，通過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經過數模轉化傳送給伺服包S1、S2、S3、S4、S5和S6，進而形成伺服電機M1、M2、M3、M4、M5和M6的驅動脈沖。
機器人各個關節的位置的變化是通過安裝在伺服電機上的絕對碼盤產生的。由M1、M2、M3、M4、M5和M6產生的碼盤信號先送給S1、S2、S3、S4、S5和S6，再通過它們的EO端口傳遞給絕對碼盤轉換器C2和C3；一方面C3將碼盤絕對位置信號傳給C2，C2再將C2和C3的絕對位置信號都傳回PMAC；另一方面C2和C3將絕對碼盤信號轉換為增量信號，C2將此信號傳給C4，C3將增量信號分別傳給C5和C6；在需要時，C4、C5和C6通過各自的JMAC端口再將增量信號傳給PMAC；最后通過ISA總線，PMAC再將各電機的絕對位置讀數上傳工控機。這樣計算機就得到了伺服電機的碼盤讀數，通過計算機程序就可以解讀這些碼盤數據，以確定機器人各關節的位置和運動狀態。
照明光線強度的調整也是通過控制器來實現的，計算機根據攝像頭采樣圖像的情況輸出一個調節電壓數給C1，C1將此信號傳送給C4，C4的TB4端口輸出一個0～6V的模擬電壓信號給電壓調節電路C7，C7的輸出根據其輸入成線性變化，因此，可以調節L1的亮度。
圖4為兩部CCD攝像頭與雙路采集卡的連接圖。攝像頭通過視頻傳輸線連接到雙路圖像采集卡C8；C8通過PCI總線與計算機I1連接。其工作原理如下攝像頭加電后工作，不斷產生調制的PAL模式視頻信號，這些信號傳送到采集卡。在應用程序軟件的控制下，這些視頻信號被采集卡處理成圖像數據格式，并傳輸到計算機內存，應用程序從內存中讀取圖像數據，并進行下一步的處理。
本發明采用雙目視覺，平面結構光成像技術，實現了弧焊機器人的焊縫定位和跟蹤功能，所提出的具有視覺焊縫自動跟蹤功能的弧焊機器人控制平臺的主要優點如下采用雙目視覺技術，克服了單目視覺可能造成的遮擋困難；采用結構光，避開了被動視覺難以解決的弧焊光干擾問題；將開放式工業機器人控制器運用到視覺系統中，采用開放式的結構，用戶一方面可以根據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的基礎上進行二次開發，完成一些原有系統所不具備的任務。
實施例本控制平臺通過圖3所示的電路實現了對機器人的伺服電機、可調激光器的控制。在實施例中，搭建了由一臺工業機器人、一臺開放式工業機器人控制器、兩部CCD攝像頭、一塊視頻采集卡和一只激光器構成的具有視覺焊縫自動跟蹤功能的弧焊機器人視覺平臺。工業計算機可采用ADVANTECH-610，采用安川YASKAWA MOTOMAN SK10型機器人本體作為控制對象，伺服包分別采用口本安川YASKAWA CACR-SR15SZ1SD-Y214型單軸驅動伺服包，用于驅動機器人的S、L、U、R、B和T六個關節，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，激光器采用半導體激光器(可外加濾光片)。
本發明是實現工業機器人的焊縫自動跟蹤的裝置。
首先由控制器通過C7控制激光器L1發出平面光束，在攝像頭D1和D2采集由激光器產生的面束照到工件G2的接頭坡口處所形成的圖像，并通過視頻線傳送到計算機，然后經過濾波、圖像二值化、圖像細化和直線擬合等圖像處理過程，得到圖像的各種特征參數。由兩個攝像頭圖像的匹配關系和預先標定過的攝像頭內外參數，再提取出槽口的位姿、尺寸等所需要的各種信息。根據所得到的信息，通過特定的算法規劃出機器人的運動軌跡，然后分解到各個關節。計算機把各個關節的運動參數傳到開放式機器人控制器A2，控制器內的伺服包輸出的驅動信號可以驅動機器人R2的伺服電機，控制機器人的運動，完成視覺焊縫自動跟蹤任務。
本發明采用開放式工業機器人控制器代替了傳統的結構封閉的機器人控制器，通過開放式工業機器人控制器實現了視覺焊縫自動跟蹤功能。該發明使機器人用戶無需對焊縫逐點示教，就可自動制定弧焊機器人的作業任務，可大大提高生產效率。此外，由于結構開放，因此可以便捷地為機器人增添一些出廠時不具備的功能，提高了用戶對機器人的控制能力。該創作對于提高弧焊工業機器人的生產效率，增加其對未知環境的適應能力，拓展機器人在工業生產中的應用具有重要的作用。
權利要求
1.一種具有視覺焊縫自動跟蹤功能的弧焊機器人控制平臺，包括控制器，用于控制機器人的運動；機器人，在所述控制器的控制下，移動焊槍進行焊接，其特征在于還包括計算機，用于計算機器人的各種參數，通過控制器控制機器人的運動；激光器，向被焊工件發出平面光束；固定在機器人末端的攝像頭，采集由激光器產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視頻線傳送到計算機進行處理。
2.按權利要求1所述的控制平臺，其特征在于所述的攝像機為兩臺。
3.按權利要求1所述的控制平臺，其特征在于所述的攝像頭通過插在PCI總線上的視頻采集卡與計算機相連。
4.按權利要求1所述的控制平臺，其特征在于調節所述激光光束包括計算機，根據攝像頭采樣圖像情況輸出一個調節電壓數給多軸運動控制器，信號匹配轉換器，從多軸運動控制器接收電壓調節數信號，并輸出模擬電壓信號給電壓調節電路；電壓調節電路的輸出根據輸入線性變化，以調節激光器的亮度。
5.按權利要求1所述的控制平臺，其特征在于所述的控制器包括多軸控制器，接收計算機發出的電壓控制信號；信號匹配轉換器，接收來自多軸控制器的電壓控制信號；伺服包，接收經信號匹配轉換器數模轉換的信號；交流伺服電機，接收伺服電機產生的信號，并形成驅動脈沖。
6.按權利要求5所述的控制平臺，其特征在于還包括安裝在伺服電機上的絕對碼盤，產生碼盤信號；伺服電機，接收碼盤信號，并將碼盤信號傳遞給絕對碼盤轉換器；碼盤轉換器，一方面，第一碼盤轉換器將碼盤絕對位置信號傳給第二碼盤轉換器，第二碼盤轉換器再將第二和第一碼盤轉換器的絕對位置信號都傳回多軸控制器；另一方面，第二和第一碼盤轉換器將絕對碼盤信號轉換為增量信號， 第二碼盤轉換器將此信號傳給第一信號匹配轉換器，第一碼盤轉換器將增量信號分別傳給第二和第三信號匹配轉換器；最后，通過ISA總線，多軸運動控制器再將各電機的絕對位置讀數上傳計算機。
全文摘要
一種具有視覺焊縫自動跟蹤功能的弧焊機器人控制平臺，包括控制器，用于控制機器人的運動；機器人，在所述控制器的控制下，移動焊槍進行焊接；計算機，用于計算機器人的各種參數，通過控制器控制機器人的運動；激光器，向被焊工件發出平面光束；固定在機器人末端的攝像頭，采集由激光器產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視頻線傳送到計算機進行處理。本發明具有開放的結構體系，可以控制多種類型的工業機器人、伺服控制器、視頻設備，能夠更加靈活地控制工業機器人，更加方便地增加或改變其硬件配置，實現不同的功能，使現有的機器人生產進一步適應現代工業生產小批量多品種的要求。
文檔編號B23K9/00GK1511669SQ02158340
公開日2004年7月14日 申請日期2002年12月27日 優先權日2002年12月27日
發明者譚民, 徐德, 梁自澤, 景奉水, 顧農, 陳剛, 趙曉光, 涂志國, 譚 民 申請人:中國科學院自動化研究所