專利名稱：一種帶圖像監控的輪式自主移動焊接機器人控制系統的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于機器人焊接技術領域，具體來說是一種帶圖像監控的輪式自主移動焊接機器人控制系統。
背景技術：
對大型鋼結構構件，由于工作范圍大，必須進行現場焊接。此類焊接作業具有現場條件復雜、焊接施工量大、焊縫不規則以及焊接工藝復雜等特點，機器人自動化、智能化焊接是解決這一問題的主要手段。對于大型鋼結構的焊接，部件本身結構、重量影響不適合旋轉或轉動，因此不適合專機或固定式機械手作業。在的重要部件上，保證穩定的焊接質量，是其關鍵問題。受焊接工人情緒、焊接勞動強度的影響，手工多層多道焊接質量很難得以穩定。機器人焊接系統一般由焊接承載機構、焊接系統、控制系統組成。承載機構又分為固定式工業機械手、軌道式小車、自主移動式機構；焊接系統由焊接電源、焊槍、保護氣、送絲機構等組成；控制系統負責承載機構的運動、跟蹤、焊接質量控制等。目前常用的大型鋼結構焊接的是軌道式機器人焊接系統，該系統由機器人運行軌道、機器人及焊接系統組成，使用時需要預先進行軌道鋪設，僅適用于能夠鋪設軌道的焊縫，并且軌道的柔性在一定范圍內，無法適應焊縫形式的變換。大型設備屬于單件小批量產品，多數焊縫是非標結構，焊縫整體結構形式復雜，因此，這種軌道式結構的應用受到限制。清華大學開發了履帶式磁吸附自主移動焊接機器人，履帶式吸附移動機構吸附可靠性好但轉向性能差，造成機器人運動靈活性差、作業位置調整困難。北京石油化工學院開發了磁輪式自主移動焊接機器人，磁輪式吸附移動機構運動靈活性好但吸附能力差，機器人吸附可靠性低。綜上，現有自主移動焊接機器人綜合性能不好。并且上述的幾種機器人由于其結構和功能上的缺陷，使其操作控制系統的模塊和功能設置存在不足，造成了在實際控制機器人進行焊接操作時，不能按照實際情況對焊縫進行焊接。該控制系統能夠保證準確方便的控制機器人的運動，監控用來實現機器人的運動反饋，保證機器人按照預定軌跡運動。如專利申請號為200810033297.6，申請日為2008年I月31日，名稱為“基于視覺傳感的弧焊機器人焊接監控系統”的發明專利，其主要技術方案為包括焊接機器人、機器人控制器、視覺傳感系統、接口電路裝置、主控計算機，雙逆變弧焊電源，其中視覺傳感系統動態采集焊接熔池的圖像，并將圖像傳送到主控計算機，主控計算機接收視覺傳感器提供圖像信息，進行圖像處理，并根據處理結果通過接口電路裝置調整雙逆變弧焊電源和控制焊接機器人，接口電路裝置由模擬信號輸出子模塊、焊接開關及過程狀態檢測子模塊和機器人控制器通用I/o子模塊組成；焊接機器人通過機器人控制器接收主控計算機發送的行走指令信號，移動焊槍進行焊接。上述專利面向的機器人對象是普通機器人；并且上述專利的通訊方式單一，最終控制的機器人進行焊接的精度不高。
實用新型內容為了克服現有的焊機器人制系統存在的上述缺陷，現在特別提出一種能控制焊接機器人在曲面鋼結構上運動、并且實現宏觀遙控、微觀自主、實時反饋的一種帶圖像監控的輪式自主移動焊接機器人控制系統。為實現上述目的，本實用新型的技術方案如下一種帶圖像監控的輪式自主移動焊接機器人控制系統，其特征在于，包括機器人本體、監控模塊、通訊模塊和執行模塊，其特征在于所述監控模塊包括人機交互模塊、監控攝像機、圖像采集卡、和焊縫跟蹤傳感器；所述通訊模塊包括工業以太網模塊、工業現場總線模塊和串口模塊；上述的監控模塊和執行模塊通過工業以太網模塊連接；執行模塊與機器人本體通 過工業現場總線模塊連接；執行模塊與監控模塊的焊縫跟蹤傳感器通過串口模塊連接；執行模塊與第三方焊接設備通過工業現場總線模塊連接，第三方焊接設備包括電焊機和電焊機適配器；所述監控攝像機與圖像采集卡信號連通，圖像采集卡通過PCI總線與工控機信號連通，上述信號均為雙向連通。所述監控攝像機和焊縫跟蹤傳感器均設置在機器人本體上。所述人機交互模塊為工控機。所述執行模塊包括機器人電機驅動裝置、焊縫跟蹤裝置、焊接控制裝置、任務的調度和處理裝置、運動控制裝置；上述執行模塊的各裝置分別安裝在機器人本體上；所述的控制系統的各個模塊和裝置均為多線程設置。本實用新型的優點在于I、本系統采用的多線程技術，可以實現同時響應多個模塊，，把監控模塊、通訊模塊等模塊和裝置放在不同的線程中，從而這些模塊可以獨立運行互不影響，從而提高了相應速度。2、采用的是實現宏觀遙控、微觀自主方案，用于環境監控圖像處理模塊的監控攝像機是宏觀的，而用于熔池圖像模塊的監控攝像機實現的是微觀監控，備宏觀焊接環境監控及微觀焊接熔池監控功能，實現了智能化焊接。3、通訊模塊采用了工業以太網、工業現場總線、串口(RS232)通訊協議相互結合的形式，能夠及時反饋(小于30毫秒)運動和焊接的狀態，判斷機器人當前的運行情況。
圖I是本實用新型框架示意圖。附圖中I、機器人本體2、監控模塊3、通訊模塊4、執行模塊5、人機交互模塊6、監控攝像機7、圖像采集卡8、焊縫跟蹤傳感器9、工業以太網模塊10、工業現場總線模塊11、串口模塊12第三方焊接設備。
具體實施方式
帶圖像監控的輪式自主移動焊接機器人控制系統，包括機器人本體、監控模塊、通訊模塊和執行模塊，所述監控模塊包括人機交互模塊、監控攝像機、圖像采集卡、和焊縫跟蹤傳感器；所述通訊模塊包括工業以太網模塊、工業現場總線模塊和串口模塊；上述的監控模塊和執行模塊通過工業以太網模塊連接；執行模塊與機器人本體通過工業現場總線模塊連接；執行模塊與監控模塊的焊縫跟蹤傳感器通過串口模塊連接；執行模塊與第三方焊接設備通過工業現場總線模塊連接，第三方焊接設備包括電焊機和電焊機適配器；所述監控攝像機與圖像采集卡信號連通，圖像采集卡通過PCI總線與工控機信號連通，上述信號均為雙向連通，所述監控攝像機和焊縫跟蹤傳感器均設置在機器人本體上。所述人機交互模塊為工控機。所述執行模塊包括機器人電機驅動裝置、焊縫跟蹤裝置、焊接控制裝置、任務的調度和處理裝置、運動控制裝置；上述執行模塊的各裝置分別安裝在機器人本體上；所述的控制系統的各個模塊和裝置均為多線程設置。工控機，即IPC( Industrial Personal Computer),是一種穩定性好的增強型個人計算機，它可以作為一個工業控制器在工業環境中可靠運行。在本專利中，工控機是用來運行。圖像處理模塊和人機交互模塊的計算機硬件。 監控模塊包括圖像處理模塊和人機交互模塊。圖像處理模塊包括焊縫圖像處理模塊，熔池圖像處理模塊、環境圖像處理模塊以及攝像頭角度控制與變焦控制模塊。其中焊縫圖像處理模塊處理激光傳感器拍攝的焊縫圖像，用于實現對焊縫的跟蹤和糾偏，保證焊槍使用沿著焊縫的軌跡前進。焊縫圖像處理模塊處理激光傳感器拍攝的焊縫圖像，用于實現對焊縫的跟蹤和糾偏，保證焊槍使用沿著焊縫的軌跡前進。具體方法如下激光傳感器通過RS232接口傳回焊縫的圖像，我們算出焊槍頭距離焊縫中心的像素點，把像素點的個數作為偏差值(橫軸偏差和縱軸偏差兩種)。當偏差值的的絕對值大于I個像素時，啟動糾偏程序，從而保證焊槍頭距離焊縫的高度值和水平值不變。即激光傳感器傳回焊縫圖像(通過RS232接口)一一》算出圖像中焊槍頭距離焊縫中心的像素點——》得出橫軸偏差和縱軸偏差——》當偏差大于I個像素時啟動糾偏程序。熔池圖像處理模塊處理焊接時熔池的圖像，用于監測焊接過程和熔池的狀態，保證焊接質量；采用了專業的攝像機采集熔池視頻，通過PCI總線傳回實時的熔池圖像，顯示在人機交互界面上，便于用戶(焊接工人)觀察熔池狀態，判斷焊接質量的好壞。對熔池圖像做一系列的處理，包括圖像復原、圖像平滑、閾值分割、面積濾波、邊緣檢測、快速蒙版、角點檢測、灰度掃描、祛除偽點、曲線擬合等。這些處理屏蔽了焊接弧光、飛濺的不利影響，從而得到我們良好的圖像效果。環境圖像處理模塊處理焊機機器人周圍環境的圖像，用于觀察焊接環境，當出現障礙時及發現，避免出意外情況；采用的是實現宏觀遙控、微觀自主方案。多自由度云臺拍攝的是周圍環境的圖像，是常規圖像，只需要傳回圖像即可，不需要對圖像做任何額外處理。實現工件環境監控，完成焊前起始點宏觀操作；當出現障礙時及發現，避免出意外情況。本系統采用的是實現宏觀遙控、微觀自主方案，環境監控是宏觀的，而前面提到的熔池圖像模塊實現的是微觀監控。攝像頭角度控制與變焦控制模塊控制攝像機的運動的方向(上下左右)，圖像的放大縮小，初始化圖像采集卡、圖像采集的起停，從而保證攝像機的成像效果。通訊模塊采用了工業以太網、工業現場總線、串口(RS232)模塊協議，其中監控模塊和執行模塊通過工業以太網(EtherNet/IP)模塊連接，最大響應時間小于10毫秒；執行模塊與第三方的設備，如電焊機及適配器等，通過工業現場總線(DeviceNet)連接，最大響應時間小于5毫秒；執行模塊與機器人本體的電機驅動器通過工業現場總線(CanOpen)模塊連接，最大響應時間小于5毫秒；執行模塊與焊縫跟蹤傳感器通過串口(RS232)連接，最大響應時間小于5毫秒；整個系統的最長疊加響時間小于30毫秒。本實用新型的通信方式如圖所示。通訊部分采用了工業以太網、工業現場總線、串口(RS232)等通訊協議，其中上位機監控軟件和下位機執行軟件通過工業以太網(EtherNet/IP)連接,下位機與電焊機通過工業現場總線(DeviceNet)連接,下位機與機器人本體的電機驅動器通過工業現場總線(CanOpen)連接，下位機與焊縫跟蹤傳感器通過串口(RS232)連接其中，DeviceNet總線能控制和監視的信號如下I.輸出信號包括焊接開始標志、操作模式選擇(人工模式、遠程模式)、保護氣開關、送絲機運動的方向(正向、反向)、焊接作業號(可以編輯0-255個焊接作業)、焊接程序號(可以編輯0-255個焊接程序)、焊接錯誤清空、輸入功率、電弧長度。2.輸入信號包括實際的焊接電流、實際的焊接電壓、焊接錯誤號、當前的焊接作業號、當前的焊接程序號、焊接電源是否可用、電弧是否穩定標志。串口 RS232主要用來設定焊縫的基準位置(包括橫軸位置與縱軸位置)，獲取焊槍當前位置與焊縫的偏差值(精確到O. 05毫米)，從而使得焊槍始終沿著焊縫的方向運動，跟蹤精度可達O. 2毫米。現場總線CanOpen主要用來控制機器人運動輪的電機，包括電機的電流電壓、電機的轉速、加速度、起停信號。本系統的工作流程如下1。首先打開電源開關給機器人上電，控制系統開機并完成自檢；2。連接網絡，通過人機交互模塊查看網絡連接狀態；3。焊接前運動機構的準備，包括通過移動平臺監控模塊把爬行機構移動到合適位置，通過十字滑塊監控模塊把焊槍對準焊縫的起始位置，通過擺動器監控模塊設置擺動器的頻率、擺動幅度、擺動停留時間；4。通過焊接過程監控模塊設置焊接參數，包括焊接電流、電壓、焊接作業編號、焊接類型；5。初始化圖像監控通過攝像機控制模塊控制攝像機的拍攝角度，使得成像效果良好，通過焊縫圖像處理模塊初始化并獲取焊縫圖像，通過熔池圖像處理模塊初始化并獲取熔池圖像，通過環境圖像處理模塊初始化并獲取環境圖像；6。開始焊接通過焊接過程監控模塊發出開始焊接的命令，在人機界面上觀察焊接的過程和焊機的狀態；7。解釋焊接通過焊接過程監控模塊發出結束焊接的命令。其中執行模塊包括的機器人電機驅動裝置、焊縫跟蹤裝置、焊接控制裝置、任務的調度和處理裝置、運動控制裝置均為現有技術中使用的裝置。可編程計算機控制器,簡稱PCC(programmable computer controller),是一種新一代可編程計算機控制器。Devicenet 是 90 年代中期發展起來的一種基于 CAN (Controller Area Network)技術的開放型、符合全球工業標準的低成本、高性能的通信網絡，最初由美國Rockwell公司開發應用。Devicenet現已成為國際標準IEC62026-3《低壓開關設備和控制設備控制器 設備接口》，并已被列為歐洲標準，也是實際上的亞洲和美洲的設備網標準。
權利要求1.一種帶圖像監控的輪式自主移動焊接機器人控制系統，其特征在于，包括機器人本體(I)、監控模塊(2 )、通訊模塊(3 )和執行模塊(4)，其特征在于 所述監控模塊(2)包括人機交互模塊(5)、監控攝像機(6)、圖像采集卡(7)、和焊縫跟蹤傳感器(8)； 所述通訊模塊(3)包括エ業以太網模塊(9)、エ業現場總線模塊(10)和串ロ模塊(11); 上述的監控模塊(2 )和執行模塊(4 )通過エ業以太網模塊(9 )連接；執行模塊(4 )與機器人本體(I)通過エ業現場總線模塊(10)連接；執行模塊(4)與監控模塊(2)的焊縫跟蹤傳感器(8)通過串ロ模塊(11)連接。
2.根據權利要求I所述的ー種帶圖像監控的輪式自主移動焊接機器人控制系統，其特征在于所述執行模塊(4)與第三方焊接設備(12)通過エ業現場總線模塊(10)連接，第三方焊接設備(12 )包括電焊機和電焊機適配器。
3.根據權利要求2所述的ー種帶圖像監控的輪式自主移動焊接機器人控制系統，其特征在于所述監控攝像機(6)與圖像采集卡(7)信號連通，圖像采集卡(7)通過PCI總線與エ控機信號連通，上述信號均為雙向連通。
4.根據權利要求3所述的ー種帶圖像監控的輪式自主移動焊接機器人控制系統，其特征在于所述監控攝像機(6)和焊縫跟蹤傳感器(8)均設置在機器人本體(I)上。
5.根據權利要求4所述的ー種帶圖像監控的輪式自主移動焊接機器人控制系統，其特征在于所述人機交互模塊(5)為エ控機。
6.根據權利要求5所述的ー種帶圖像監控的輪式自主移動焊接機器人控制系統，其特征在于所述執行模塊(4)包括機器人電機驅動裝置、焊縫跟蹤裝置、焊接控制裝置、任務的調度和處理裝置、運動控制裝置；上述執行模塊(4)的各裝置分別安裝在機器人本體(I)上。
7.根據權利要求1-6任意一項所述的一種帶圖像監控的輪式自主移動焊接機器人控制系統，其特征在于所述的控制系統的各個模塊和裝置均為多線程設置。
專利摘要本實用新型屬于機器人焊接技術領域，具體來說是一種帶圖像監控的輪式自主移動焊接機器人控制系統，包括機器人本體、監控模塊、通訊模塊和執行模塊，所述監控模塊包括人機交互模塊、監控攝像機、圖像采集卡、和焊縫跟蹤傳感器；通訊模塊包括工業以太網模塊、工業現場總線模塊和串口模塊；監控模塊和執行模塊通過工業以太網模塊連接；執行模塊與機器人本體通過工業現場總線模塊連接；執行模塊與監控模塊的焊縫跟蹤傳感器通過串口模塊連接。本實用新型的優點在于本系統采用的多線程技術，可以實現同時響應多個模塊，把監控模塊、通訊模塊等模塊和裝置放在不同的線程中，從而這些模塊可以獨立運行互不影響，從而提高了相應速度。
文檔編號B23K9/10GK202607049SQ20122026589
公開日2012年12月19日 申請日期2012年6月7日 優先權日2012年6月7日
發明者姜周, 李永龍, 肖唐杰, 盛仲曦, 徐立強, 賀驥, 范傳康, 侯曉寶, 董娜, 桂仲成 申請人:中國東方電氣集團有限公司