[发明专利]一种基于三维视觉的大型结构件自动化焊接系统及方法

权利要求书

1.一种基于三维视觉的大型结构件自动化焊接系统，其特征在于，包括多自由度机器人(6)，多自由度机器人(6)前端设置的三维视觉相机(5)及终端设置的焊接系统(4)，控制多自由度机器人(6)的控制器(7)和上位机(8)；

所述的焊接系统(4)，包含了焊机(11)和焊枪(15)，焊枪(15)通过法兰和多自由度机器人(6)的轴相连接，三维视觉相机(5)通过转接板装夹在焊枪(15)上，三维视觉相机(5)的光轴和焊枪(15)的末端方向在同一个平面内，其安装夹角在±90°内。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维视觉的大型结构件自动化焊接系统，其特征在于，所述的多自由度机器人(6)为用于搭载、调整三维视觉相机(5)和焊枪(15)位置、姿态的执行机构，其为多轴工业机器人系统。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于三维视觉的大型结构件自动化焊接系统，其特征在于，所述的多自由度机器人(6)通过底座连接在外部轴(2)上。

4.根据权利要求1所述的一种基于三维视觉的大型结构件自动化焊接系统，其特征在于，所述的三维视觉相机(5)测量精度不低于0.5mm，深度图帧速率大于1帧每秒，峰值功耗低于20瓦特、体积小于0.0005立方米、重量低于1kg。

5.根据权利要求3所述的一种基于三维视觉的大型结构件自动化焊接系统，其特征在于，所述的外部轴(2)为1-6个轴，外部轴2包括用于扩展机器人的行程地轨(14)，多自由度机器人(6)的底座通过滑台(13)安装在外部轴(2)的地轨(14)上。

6.根据权利要求1所述的一种基于三维视觉的大型结构件自动化焊接系统，其特征在于，所述的上位机(8)中有三维建模软件平台，分别标定多自由度机器人(6)和焊接系统(4)的工具坐标系转换关系，以及多自由度机器人(6)和三维视觉相机(5)之间的坐标关系，两个标定过程没有先后顺序关系，具体为：

首先，确保三维视觉相机(5)本身是进行标定过的，能够获取相机的内参；

其次，对焊接系统(4)和多自由度机器人(6)标定：将焊接系统4的焊枪15使用多自由度机器人6引导到固定的空间点，变换自由度机器人6的位置和姿态，同时保证焊枪15的末端空间坐标不变，多次进行上述操作后，计算出焊接系统4末端的焊枪15坐标在自由度机器人6系统坐标系中的位姿转换关系^toolT_base；

然后，进行三维视觉相机5和多自由度机器人6标定，定义多自由度机器人6的末端到底座的齐次变换矩阵为^robotT_base，三维视觉相机5坐标系到目标物体工件坐标系的变换矩阵为^camT_obj，使用多自由度机器人6挂载三维视觉相机5，拍摄坐标点已知的标定板，记录多自由度机器人6的位置和姿态；保持标定板不动，多次改变机器人的位置和姿态，拍摄标定板，其中不同的两次拍摄可表示为：

^robot1T_base·^cam1T_robot1·^objT_cam1＝^robot2T_base·^cam2T_robot2·^objT_cam2

由于三维视觉相机5与多自由度机器人6的末端之间的坐标关系不变，即：

^cam1T_robot1＝^cam2T_robot2＝^camT_robot，

有：

(^robot2T^-1_base·^robot1T_base)·^camT_robot＝^camT_robot·(^objT_cam2·^objT^-1_cam1) (1)

通过多次拍摄，求解上述方程，得到三维视觉相机5和多自由度机器人6的坐标变换关系^camT_obot；

三维视觉相机5手眼转换关系^camT_tool为：

最后，进行闭环控制，得到三维视觉相机(5)和焊枪(15)末端的工具坐标系的转换关系，使用焊枪(15)末端碰触标定板中已知的位置点，得到其在多自由度机器人(6)工具坐标系下的位置P′(x，y，z)，使用三维视觉相机(5)拍摄标定板，从而得到上述已知位置点在三维视觉相机(5)坐标系中的位置P″(x，y，z)，将表征P′(x，y，z)和P″(x，y，z)空间距离的下式能量方程P代入上述的优化过程方程(1)中，以方程(2)求得^camT_tool为初值，进一步闭环迭代求解，求出最优化的手眼转换矩阵^camT_tool：

能量方程如下：

P＝|P₁′(x，y，z)P₁″(x，y，z)|+|P′₂(x，y，z)P″₂(x，y，z)|+...

其中，|P₁′(x，y，z)P₁″(x，y，z)|表点P₁′(x，y，z)到P₁″(x，y，z)的欧式距离，下标表示多个位置点。