[发明专利]一种主动激光视觉引导机器人激光焊接精确焊缝跟踪系统

权利要求书

1.一种主动激光视觉引导机器人激光焊接精确焊缝跟踪系统，其特征在于：包括：激光-复合焊接机器人(1)、主动激光视觉系统(2)、激光光源(3)、图像处理系统(4)和控制系统(5)，所述主动激光视觉系统(2)和激光光源(3)均设于激光-复合焊接机器人(1)上，所述图像处理系统(4)设于控制系统(5)中，所述激光-复合焊接机器人(1)、主动激光视觉系统(2)、激光光源、图像处理系统(4)均与控制系统(5)连接；

所述激光-复合焊接机器人(1)中设有工业机器人(11)、激光复合焊接头(12)、送丝机构(13)以及用于精确定位的定位十字滑台(14)和焊接电源，所述定位十字滑台(14)设于工业机器人(11)的前端，且其与滑台驱动电机连接，所述激光复合焊接头(12)安装于定位十字滑台(14)上，所述送丝机构(13)设于激光复合焊接头(12)的一侧，所述焊接电源对激光-复合焊接机器人(1)提供焊接电流、电弧电压、送丝速度参数一体化调节；

所述的主动激光视觉引导机器人激光焊接精确焊缝跟踪系统的工作方法，其特征在于：具体的工作方法如下：

1)：工作过程中首先通过激光视觉传感器通过将结构光投射到焊缝表面，识别出焊缝轮廓信息相关的激光条纹带(6)；

2)：然后工业相机获取上一步骤中产生的激光条纹带(6)的图像，并将数据传送给图像处理系统(4)，通过图像处理系统(4)的数据提取模块提取焊缝特征信息，从激光条纹带(6)的中心线检测到焊缝位置后，即：进行无变形激光条纹基线探测和焊缝特征点提取；

3)：然后再对焊缝进行智能跟踪，根据跟踪的结果来控制具体的焊接工作，在焊缝跟踪过程中会发现工业机器人(11)路径精确或者不精确两种情况；

4)：当上一步骤跟踪过程中确认工业机器人(11)路径精确时，其具体的工作方法如下：

a)、机器人控制器发出HOME位信号，并将定位十字滑台(14)恢复至中间初始位置；

b)、十字滑台控制器发出HOME位就位信号；c)、工业机器人(11)到达程序初始位，然后工业机器人(11)开始搜索起始点；

d)、机器人控制器搜索机器人工具端TCP(7)的起始点；

e)、然后建立寄存器队列，记录与焊缝特征点对应的激光视觉传感器位置序列；

f)、然后判断机器人工具端TCP(7)是否位于初始焊缝特征点，如果不是，那么其将要返回步骤b)至c)重新搜机器人工具端TCP(7)的起始点；如果是，那么机器人工具端TCP(7)位于焊缝路径起始位置信号，然后机器人控制器开始焊接操作指令；

g)、然后机器人控制器开始焊缝跟踪操作指令；h)、继续建立寄存器列队，

记录与焊缝特征点对应的激光视觉传感器位置序列；

i)、机器人工具端TCP(7)进行焊缝特征点跟踪操作；

j)、机器人工具端TCP(7)是否位于末位焊缝特征点，如果不是，那么其要返回步骤f)至g)重新进行寄存器列队建立；如果是，那么机器人工具端TCP(7)位于焊接路径最末端位置信号；

k)、机器人控制器结束焊接操作指令；

5)：在上述步骤3)在焊缝跟踪过程中会发现工业机器人(11)路径不精确，存在偏差时，需要对焊缝特征点轨迹的偏差进行补偿，使得机器人工具端TCP(7)沿较为精确的焊缝特征点所生成的路径运行，同时还需要定位十字滑台(14)对Y向和Z向进行精确定位，实现三维焊缝跟踪，直至完成激光焊接操作即可；

上述，步骤2 )图像处理系统(4)的数据提取模块提取焊缝特征信息，从激光条纹带的中心线检测到焊缝位置具体的方法如下：

所述图像处理系统(4)对主动激光视觉焊缝图像处理以及焊缝位置检测算法，其无需附加窄带滤波器；具体的工作方法包括两部分：(1)无变形激光条纹基线探测；(2)焊缝特征点提取；

1)无变形激光条纹基线探测的具体步骤如下：步骤一：图像预处理

A、对工业相机所获取的激光条纹图像进行均值滤波处理；该均值滤波方法如下式所示：

其中，LW为激光条纹宽度期望最大值，I为第i行第j列像素的图像强度，F为滤波后第i行第j列的结果值；

B、再将经处理图像从RGB色彩空间转换为HSV色彩空间，即再从图像中精确提取激光蓝光色彩，设定HSV三个通道的阈值，并对图像进行掩膜处理，三种阈值的设定使得低质量激光产生的低对比度激光条纹可获后续处理；

M＝M₁∩M₂∩M₃

其中，M₁，M₂，M₃，分别为H，S，V三通道的掩膜阈值，i，j分别为像素行列编号，M为最终所获掩膜交集区域；

C、原RGB图像再经灰度处理，转换为灰度图像，方法为：

Grey＝0.299*R+0.587*G+0.114*B

将原本的RGB(R,G,B)中的R,G,B以Grey替换，形成新的颜色RGB(Grey,Grey,Grey)，即可形成替换RGB(R,G,B)的单一通道灰度图，经掩膜交集应用至该单一通道灰度图；

D、然后再对图像进行中值滤波，去除椒盐噪声、斑点噪声，即：中值滤波用一个含有奇数点的滑动窗口，将邻域中的像素按灰度级排序，取中间值为输出像素；

由上述步骤一经处理所得的图像用于后续进一步的图像处理过程；步骤二：激光条纹轮廓探测A、通过激光峰值探测的方法，提取表征激光条纹带的轮廓边缘像素点，即：

令激光条纹竖直，设定水平每行像素取舍的强度阈值，获取强度峰值点，形成激光条纹带(6)基础；再对水平方向形成的像素强度峰值点进行噪声滤波；

对所获取像素强度峰值点进行拟合，返回得到激光条纹基线位置；B、焊缝特征点提取以竖直的激光条纹带(6)所获的基线为例，可知在基线上，沿基线的变形区域可视为含有焊缝特征点的位置：从激光条纹带(6)图像上提取这些焊缝特征点的步骤可概括为：一、确定竖直方向ROI；二、交叉点的标示与选择；三、确定水平方向的ROI；四、探测焊缝水平峰值点；

围绕先前所获的激光基线，对经滤波的图像依照如下方法进行裁剪，可确定竖直与水平方向ROI；

竖直ROI由下式获得，

ROI(i,c)＝I(i,j)

其中

其中，LW为所期望的激光条纹带(6)宽度，N为图像的行数，I(i,j)为第i行第j列的图像强度，ROI(i,c)为图像的感兴趣区域，p为原始图像中所探测的激光线条的列标；

从中，获得所提取激光线段变形区域的上部顶端特征点与下部底端特征点；

水平ROI由下式获得，

ROI(c,j)＝I′(i,j)

其中，Y_top≤i≤Y_bottom；min(X_top,X_bottom)≤j≤M

式中，Y_top，X_top，Y_bottom，X_bottom为图像I(i，j)中的交汇点集中上部顶端点与下部底端点的y轴与x轴的坐标值，M为图像I(i,j)的列数目；从中，可获得所提取激光线段变形区域的焊缝水平峰值特征点，获取焊缝水平峰值特征点的方法如下：

步骤一：去除噪声点，提取水平ROI内激光条纹带上的轮廓点，即所提取激光条纹带轮廓变形区域的特征点；

步骤二：将ROI内激光条纹带(6)的轮廓分为上部与下部两区，依据如下约束条件，分别在上下部区域内轮廓之外的部分，将激光条纹轮廓变形区内的间断点补充连续；

-LW≤P_ci≤LW

其中，LW为所期望的激光条纹带的宽度，P_ci为所补充间断点的列标；步骤三：对上述ROI内上下部激光条纹带(6)上轮廓点与所补充的间断点组成的点集分别进行线性拟合，所得的两条直线交点即可确定为焊缝峰值特征点。