[发明专利]基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置

说明书

本发明公开了一种用于机器人焊接的基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置及其检测算法。所述视觉传感器装置由工业CCD相机、镜头、辅助相机、十字线激光器、一字线激光器、减光和滤光系统及机械安装机构等组成。其中焊枪的中心轴线、工业CCD相机中心轴线、十字线和一字线激光器中心轴线共面；工业CCD相机中心轴线与焊枪的中心轴线平行，两个激光器中心轴线与焊枪的中心轴线夹角为α(如30°)。通过图像处理和基于三角测量原理的相关检测算法，该装置可以实现焊枪高度检测、焊接坡口截面尺寸检测、焊缝导引与跟踪、焊接过程实时监控等功能。具有体积小、综合成本低、检测功能丰富等优势，可以辅助焊接机器人实现自动化和智能化焊接。

技术领域

本发明涉及焊接机器人设备技术领域，具体是机器人焊接过程中实时视觉检测技术，尤其是基于激光结构光的视觉检测装置。

背景技术

机器人与计算机技术的发展使得焊接制造的自动化和智能化程度日益提高。其中焊接速度控制、焊接路径规划、工件位置信息和坡口尺寸参数检测是影响焊接质量和效率的重要因素。焊接过程自动化和智能化的发展需要焊枪高度检测、焊接坡口截面尺寸检测、焊枪和焊接坡口偏差识别、焊枪定位与焊缝跟踪技术的相应发展。高精度、小型化、功能丰富的传感器技术是提高焊接机器人智能化程度的重要技术手段。

为了实现焊接自动化和智能化，已经开发出了实时自动地获取焊接坡口尺寸参数、焊枪与焊接坡口相对位置信息的各种传感器技术，如电弧传感器、机械接触式传感器和视觉传感器等，其中视觉传感器由于其非接触性、反应快速、检测精度高、抗干扰能力强等特点受到广泛关注。视觉传感技术分为主动视觉和被动视觉两大类，主动视觉传感技术由于其抗干扰能力强，图像处理相对容易而广泛应用。主动视觉传感技术主要利用激光结构光法或激光扫描方法对焊接工件进行照射，并通过图像处理和三角测量原理获得相应的焊接坡口和工件特征参数信息。常用的激光结构光有点状激光、单线条激光、双线条激光、环形激光、激光条纹等。

现有技术公开了一种基于旁轴CCD的激光焊接质量在线监测装置、一种激光视觉焊缝跟踪系统及一种激光视觉传感器的设计方法及其装置，在此三个专利中的激光视觉传感器皆使用单线条激光。基于单线条的激光视觉传感器存在检测信息量少，仅能实现一维或二维方向上的焊缝定位或跟踪功能。经对现有技术的文献检索发现，毛志伟在2015年2月第36卷第2期的《焊接学报》上刊登的“双线激光传感焊枪定位与焊缝走向识别”一文，文中探讨了使用双线条激光器进行焊枪定位与焊缝走向识别技术。其传感器设计中的两个条形激光器对称布置在CCD两侧，当焊枪高度变动时，会对焊接坡口尺寸信息的检测和焊缝跟踪功能有一定影响，当两条激光在工件表面重合时，检测信息量会明显减少，且此空间布局形式会大大增加传感器体积，给传感器的小型化带来问题。现有技术公开了一种基于环形激光视觉传感的焊缝自动定位方法。该方法使用环形激光器，根据激光锥体坐标系与机器人本体坐标系的矩阵变换实现对焊缝的定位。但是该方法在对焊接坡口尺寸参数检测和焊枪高度信息监测上的功能较弱。

通过对相关技术的检索可知，目前在焊接机器人中使用的基于激光结构光的视觉传感器设计中，并没有使用十字激光和一字激光组合的设计方案，且检测功能相对较单一。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置，所述多功能视觉传感器装置集成程度高，检测功能丰富。

根据本发明实施例的基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置，所述多功能视觉传感器装置包括：固定座，所述固定座适于与焊枪相连；工业CCD相机，所述工业CCD相机与所述固定座相连以拍摄焊枪实施焊接过程的焊接坡口或形成的焊缝；工业镜头，所述工业镜头设在所述工业CCD相机的镜头前端以调节所述工业CCD相机的光学参数；辅助相机，所述辅助相机与所述固定座相连以辅助拍摄实施焊接过程的电弧及熔池临近区域；激光器，所述激光器设在所述固定座上以向所述焊枪实施焊接过程的焊接坡口或形成的焊缝投射激光线，所述激光器包括十字线激光器和一字线激光器，所述十字线激光器的中心轴线与所述一字线激光器的中心轴线相平行。