[发明专利]一种基于结构光三维视觉的中厚板机器人焊接视觉寻位装置

说明书

本发明公开了一种基于结构光三维视觉的中厚板机器人焊接视觉寻位装置，由机器人手臂和扫描测头构成；机器人手臂用于带动扫描测头；扫描测头用于对工件进行点云采集，进一步通过平面与曲面拟合求交线的方法识别焊缝轨迹，提供机器人寻位坐标。本发明采用结构光三维面扫描技术用于中厚板复杂焊缝的扫描，通过三维点云的分割和拟合计算，提取焊缝轨迹和宽度，提供给焊接机器人快速精准的焊缝寻位及焊接工艺参数，有效帮助机器人实现如车厢板、钢结构、人防门、集装箱、工程机械、管板件等的中厚板自动化焊接。

技术领域

本发明涉及机器人视觉领域，涉及一种机器人焊接视觉寻位装置和方法，特别是涉及一种基于结构光三维视觉的中厚板机器人焊接寻位装置与方法。

背景技术

中厚板一般指厚度大于4mm的钢板或其他金属材料板件，机器人中厚板焊接是一种对常见的焊接应用，通常具备以下几个特点：焊接前在工装夹具上进行组对点焊；需要使用焊缝寻找、焊缝跟踪及多层多道焊接功能；多数焊接需要配置大型变位机，使焊接处于船型焊或角焊缝的最佳位置进行焊接。应用领域包括工程机械、建筑钢结构、煤炭机械、专用车车厢板、换热器管板件、集装箱板、桥梁、锅炉船舶等。利用机器人进行中厚板焊接主要有以下优点：

稳定和提高焊接质量；

提高劳动生产率；

改善工人劳动强度，可在有害环境下工作；

降低了对工人操作技术的要求；

轨迹编程示教是中厚板焊接机器人引导的一个必要环节，但由于中厚板体积较大，焊缝往往不够规则，前道工序下料和组对精度难以控制，误差较大，导致机器人在焊接中厚板时难以通过传统示教编程和夹具定位来完成批量化的焊接，这极大的阻碍了机器人焊接在该领域的应用推广。

为了减少编程时间以及实现对不规则焊缝的识别，利用视觉测量方法对是焊接机器人引导得到越来越多的重视。常见的视觉引导方法包括被动视觉法和激光焊缝跟踪法。被动视觉用摄像机拍摄焊缝图，对二维图片进行图像处理来提取焊缝平面轨迹，其特点是设备简单，缺点是精度较差，缺乏三维信息，对复杂的焊缝不适用。激光焊缝跟踪方法是基于激光三角三维测距原理，投射线激光到焊缝表面，摄像机从另一个角度来拍摄激光图案，计算机提取图案中的截面轮廓，求轮廓特征点，再对多个位置的特征点进行连接得到焊缝轨迹。该方法的优点是精度高、鲁棒性好，缺点有如下几个方面：

需要事先机器人示教编程实现大致的路径规划，做好焊缝位置对准，

只适合直线焊缝和圆形焊缝的提取

每次只能采集工件一个截面轮廓，无法对工件整体形状进行扫描分析，适应不了复杂焊缝轨迹的提取，如空间自由曲线、圆柱与平面交线、圆柱与圆柱交线。

另一方面，光学面扫描三维测量技术也日益成熟，结构光投影方法，其原理是将带有编码的散斑或光栅图案投影到被测物体表面，由相机拍摄经被测物体表面调制的变形图案，再进一步解调得到三维信息，最后经过标定得到物体表面的三维形貌。这种技术的优点是一次可以扫描物体整个区域的点云，具有形状三维重建的功能。但是对于焊接工件这样的金属材质，装置的体积也较大，不便安装，因此在焊接机器人焊缝轨迹提取上应用较少。

综上所述，这些问题阻碍了视觉技术在焊接机器人领域的进一步应用，间接影响了焊接机器人在中厚板应用领域的进一步普及。为此，迫切需要发明一种可以采用结构光面扫描的装置和方法来突破现有瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于克服上述中厚板机器人焊接轨迹寻位困难，针对中厚板典型工件提出几种面扫描结构光焊缝寻位方法。特别采用MEMS微镜面扫描方法实现小型化结构光三维扫描装置。采用机器人手臂带动扫描扫描装置对工件进行点云采集，进一步通过平面与曲面拟合求交线的方法识别焊缝轨迹，提供机器人寻位坐标。同时，本文还提出了针对不同类型工件的复杂焊缝轨迹自动扫描和轨迹提取的具体方法和步骤，有效的节省了编程示教时间，保证了轨迹提取精度。