一种基于视觉测量的无人爬壁焊接机器人及其焊接方法技术

本发明专利技术公开了一种基于视觉测量的无人爬壁焊接机器人及其焊接方法，包括主车系统和辅车系统，主车系统吸附在作业空间待焊接工件内壁上，通过微型工控机获取双目视觉导航仪、激光视觉传感器和视觉检测单元的焊缝信息，微型工控机控制多自由度机械臂移动焊枪在不同曲面区域内对待焊接工件爬壁焊接；辅车系统通过视觉模组获取主车系统位置信息，通过微型工控机控制辅车系统与主车系统随动，控制主车系统多自由度机械臂运动，同时为焊枪提供电源和冷却液。本发明专利技术解决了现有弧焊机器人无法满足非标产品生产环境的焊接需求、无法适应焊接过程中变形及工件本身不一致的问题和由于自重偏离焊接轨迹导致焊接质量不高的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于视觉测量的无人爬壁焊接机器人及其焊接方法
本专利技术属于焊接机器人
，具体涉及一种基于视觉测量的无人爬壁焊接机器人及其焊接方法。
技术介绍
随着焊接自动化的应用，大型结构件的焊接越来越多，在标准化产品生产环境下，如汽车、工程机械等制造行业，弧焊机器人已经广泛应用。但在非标产品生产环境下，如大型油罐、船舶、压力管道等，由于焊接面为曲面、焊接难度大，现有的弧焊机器人无法满足要求，均需现场工人手工焊接作业；同时，工人劳动强度大且环境恶劣、需要多名工人协同完成，对焊接要求较高、生产率较低。其根本原因在于：现有的弧焊机器人工作范围较小，虽然有的弧焊机器人能够利用第七轴扩大其工作范围，但是其灵活性较差，依旧无法满足实际使用要求。另外，现有的弧焊机器人一般都是示教型，示教本身需要相当大的工作量且无法适应焊接过程中的变形及工件本身不一致的情况。爬壁焊接机器人对负载要求很高，从而导致吸附力加大，进而使得负重加大，负重加大会使得机器人运动灵活性变差；同时负重也会导致水平方向行走时发生一定的偏移量，不利于机器人焊接姿态的快速调整。目前市面上的爬壁焊接机器人均采用遥控器结合人工识别焊缝的方式进行焊接，导致焊接质量无法保证，生产效率低下。因此，研制一种高度无人化、柔性化，能够精准定位引导焊接机器人到达指定焊缝位置的爬壁焊接机器人，对爬壁焊接机器人行业具有重要意义。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于视觉测量的无人爬壁焊接机器人，该专利技术可使爬壁焊接机器人具有无人化、精确定位、高度自动化及高柔性的特点，能够适应具有导磁性材料构成的曲面焊接。本专利技术是通过下述技术方案来实现的。本专利技术实施例提供了一种基于视觉测量的无人爬壁焊接机器人，包括主车系统和辅车系统，其中：主车系统，吸附在作业空间待焊接工件内壁上，通过微型工控机获取双目视觉导航仪、激光视觉传感器和视觉检测单元的焊缝信息，微型工控机控制多自由度机械臂移动焊枪在不同曲面区域内对待焊接工件爬壁焊接；辅车系统，通过视觉模组获取主车系统位置信息，通过微型工控机控制辅车系统与主车系统随动，控制主车系统多自由度机械臂运动，同时为焊枪提供电源和冷却液。对于上述技术方案，本专利技术还有进一步优选的方案：优选的，所述主车系统包括双目视觉导航仪、多自由度机械臂、视觉检测单元、送丝机、丝盘、两组高精度码盘、两组激光视觉传感器和微型工控机；双目视觉导航仪、多自由度机械臂、送丝机、丝盘、微型工控机以及两组激光视觉传感器A和激光视觉传感器B设在主车爬壁机架上，主车爬壁机架架设在驱动轮上；激光视觉传感器A和激光视觉传感器B分别设在主车爬壁机架前后两端并且竖直朝下，驱动轮通过微型工控机控制。优选的，所述视觉检测单元设在多自由度机械臂上，两组高精度码盘A和高精度码盘B分别设在驱动轮上；双目视觉导航仪和多自由度机械臂通过锁紧螺钉固定在主车爬壁机架底盘末端。优选的，所述辅车系统包括辅车机架、焊机、冷却水箱、送丝桶、视觉模组、电永磁吸盘、柔性导磁材料和机械臂控制柜；焊机、冷却水箱、送丝桶、机械臂控制柜均固定在辅车机架顶部，视觉模组安装在辅车机架底部；辅车机架侧壁包覆有柔性导磁材料。本专利技术实施例进而提供了所述爬壁焊接机器人的焊接方法，包括如下步骤：步骤1，主车系统利用双目视觉导航仪对作业空间进行系统环境感知并定位焊缝位置，引导主车系统至待焊接作业工件位置，同时辅车系统通过微型工控机控制辅车系统与主车系统随动；步骤2，微型工控机获取视觉检测单元焊缝信息，引导主车系统与多自由度机械臂联动，边行走边焊进行焊接，通过送丝机和丝盘将焊丝送入焊枪，并通过辅车系统的焊机起弧进行焊缝焊接；冷却水箱持续对焊枪进行降温；步骤3，焊接焊缝过程中，通过两组高精度码盘A、B对驱动轮打滑的偏移量进行测量，通过两组激光视觉传感器A、B对相对待焊接工件位置偏差量进行测量，通过计算两组高精度码盘的偏移量和当前主车系统相对待焊接焊缝位置的偏差量，控制主车系统修正偏移量；步骤4，重复步骤1至3，自此完成基于视觉测量的无人爬壁焊接机器人的焊接过程。优选的，所述步骤1具体操作步骤如下：11)双目视觉导航仪对采集到的周围空间环境图像信息进行去噪滤波预处理，对预处理后的图像识别当前位置的关键特征点，并提取其特征点的像素坐标，根据所提取的特征像素坐标利用双目视觉导航仪内参解算各特征点的空间坐标，并解算主车系统当前所在空间位置；12)当双目视觉导航仪完成定位后，引导主车系统到达待作业焊缝位置，焊缝类型分为水平和竖直，焊接水平焊缝时，主车系统沿着水平焊缝方向移动，焊接竖直焊缝时，主车系统沿着竖直焊缝水平中心路径移动；重复两组路径交替进行运动，直至完成整个焊接过程；13)对于焊缝边缘位置，利用canny边缘检测算法检测提取其信息；利用直线检测算法检测水平焊缝和竖焊缝位置，利用双目交汇计算得到焊缝位置，双目视觉导航仪识别当前主车系统所在位置，并在检测到完成焊接，利用立体视觉计算焊缝所在位置，根据当前位置规划下一时刻主车系统运动路径，控制主车系统运动到相应位置。优选的，所述步骤2具体操作步骤如下：21)利用视觉检测单元采集当前时刻线结构光投射到待焊接工件上的轮廓，微型工控机获取得到当前时刻线结构光投射到待焊接工件上的轮廓的坐标点集，将轮廓坐标点集转换到多自由度机械臂坐标下；22)微型工控机计算当前时刻焊缝的位置；23)将当前时刻焊缝的位置，并与初始设置位置进行比较，若当前焊缝位置与初始位置偏离超过设定阈值，则将偏移量反馈至微型工控机，控制多自由度机械臂移动相应偏移量；24)当检测到一段时间内采集到的焊缝已经完成焊接，则在完成焊接的前一时刻进行收弧操作，完成当前圈的焊接，然后进入步骤1，识别下一圈焊缝所在位置，控制主车系统运动到相应的位置。优选的，所述步骤3具体操作步骤如下：31)利用高精度码盘A、B对驱动轮打滑的偏移量造成的偏移量进行修正，修正主车系统行走X方向的偏移量x’；通过当前x值与初始设定Tx比较，在一定X阈值内，输出偏差，该偏差由机械臂补偿，超出一定X阈值时，驱动轮补偿；32)通过主车系统前后两组激光视觉传感器A、B对主车系统Z方向偏移量z’；前后两组视觉传感器实时采集当前焊缝位置坐标，得到前后两组焊缝视觉传感器采集到的焊缝当前位置Pz1(x1,z1)，Pz2(x2,z2)，即主车系统前后外轮廓所在位置，利用主车系统外轮廓位置实时计算两组采集位置，根据计算可得机器人坐标即中心点坐标Pz((x1+z2)/2,(y1+z2)/2)，通过与初始位置进行比较，超过设定阈值Tz，则输出当前偏移量为z’；33)设置初始的偏移量为(0，0，0)，分别实时采集高精度码盘A、B、视觉检测单元和激光视觉传感器A、B在X，Z方向上的偏移量，当任意方向偏移量超过该方向设定的阈值T后，将当前偏移量(x’，0，z’)反馈至控制平台，控制爬壁机器人进行相应的修正本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于视觉测量的无人爬壁焊接机器人，其特征在于，包括主车系统和辅车系统，其中：/n主车系统(1)，吸附在作业空间待焊接工件(3)内壁上，通过微型工控机(112)获取双目视觉导航仪(12)、激光视觉传感器和视觉检测单元(14)的焊缝信息，微型工控机(112)控制多自由度机械臂(13)移动焊枪(18)在不同曲面区域内对待焊接工件爬壁焊接；/n辅车系统(2)，通过视觉模组(25)获取主车系统位置信息，通过微型工控机(112)控制辅车系统(2)与主车系统(1)随动，控制主车系统多自由度机械臂(13)运动，同时为焊枪提供电源和冷却液。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于视觉测量的无人爬壁焊接机器人，其特征在于，包括主车系统和辅车系统，其中：
主车系统(1)，吸附在作业空间待焊接工件(3)内壁上，通过微型工控机(112)获取双目视觉导航仪(12)、激光视觉传感器和视觉检测单元(14)的焊缝信息，微型工控机(112)控制多自由度机械臂(13)移动焊枪(18)在不同曲面区域内对待焊接工件爬壁焊接；
辅车系统(2)，通过视觉模组(25)获取主车系统位置信息，通过微型工控机(112)控制辅车系统(2)与主车系统(1)随动，控制主车系统多自由度机械臂(13)运动，同时为焊枪提供电源和冷却液。


2.根据权利要求1所述的一种基于视觉测量的无人爬壁焊接机器人，其特征在于，所述主车系统(1)包括双目视觉导航仪(12)、多自由度机械臂(13)、视觉检测单元(14)、送丝机(15)、丝盘(111)、两组高精度码盘、两组激光视觉传感器和微型工控机(112)；双目视觉导航仪(12)、多自由度机械臂(13)、送丝机(15)、丝盘(111)、微型工控机(112)以及两组激光视觉传感器A(17)和激光视觉传感器B(19)设在主车爬壁机架(11)上，主车爬壁机架(11)架设在驱动轮上；激光视觉传感器A(17)和激光视觉传感器B(19)分别设在主车爬壁机架(11)前后两端并且竖直朝下，驱动轮通过微型工控机(112)控制。


3.根据权利要求2所述的一种基于视觉测量的无人爬壁焊接机器人，其特征在于，所述视觉检测单元(14)设在多自由度机械臂(13)上，两组高精度码盘A(16)和高精度码盘B(110)分别设在驱动轮上；双目视觉导航仪(12)和多自由度机械臂(13)通过锁紧螺钉固定在主车爬壁机架(11)底盘末端。


4.根据权利要求1所述的一种基于视觉测量的无人爬壁焊接机器人，其特征在于，所述辅车系统(2)包括辅车机架(21)、焊机(22)、冷却水箱(23)、送丝桶(24)、视觉模组(25)、电永磁吸盘(26)、柔性导磁材料(27)和机械臂控制柜(28)；焊机(22)、冷却水箱(23)、送丝桶(24)、机械臂控制柜(28)均固定在辅车机架(21)顶部，视觉模组(25)安装在辅车机架(21)底部；辅车机架(21)侧壁包覆有柔性导磁材料(27)。


5.一种基于视觉测量的无人爬壁焊接机器人的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，主车系统(1)利用双目视觉导航仪(12)对作业空间进行系统环境感知并定位焊缝位置，引导主车系统(1)至待焊接作业工件位置，同时辅车系统(2)通过微型工控机(112)控制辅车系统(2)与主车系统(1)随动；
步骤2，微型工控机(112)获取视觉检测单元(14)焊缝信息，引导主车系统(1)与多自由度机械臂(13)联动，边行走边焊进行焊接，通过送丝机(15)和丝盘(111)将焊丝送入焊枪(18)，并通过辅车系统(2)的焊机(22)起弧进行焊缝焊接；冷却水箱(23)持续对焊枪(18)进行降温；
步骤3，焊接焊缝过程中，通过两组高精度码盘A(16)、B(110)对驱动轮打滑的偏移量进行测量，通过两组激光视觉传感器A(17)、B(19)对相对待焊接工件(3)位置偏差量进行测量，通过计算两组高精度码盘的偏移量和当前主车系统(1)相对待焊接焊缝位置的偏差量，控制主车系统修正偏移量；
步骤4，重复步骤1至3，自此完成基于视觉测量的无人爬壁焊接机器人的焊接过程。


6.根据权利要求5所述的一种基于视觉测量的无人爬壁焊接机器人的焊接方法，其特征在于，所述步骤1具体操作步骤如下：
11)双目视觉导航仪(12)对采集到的周围空间环境图像信息进行去噪滤波预处理，对预处理后的图像识别当前位置的关键特征点，并提取其特征点的像素坐标，根据所提取的特征像素坐标利用双目视觉导航仪(12)内参解算各特征点的空间坐标，并解算主车系统(1)当前所在空间位置；
12)当双目视觉导航仪(12)完成定位后，引导主车系统(1)到...

【专利技术属性】
技术研发人员：于龙飞，吴易明，赵晓进，董林佳，王汉晨，张保军，
申请(专利权)人：西安中科光电精密工程有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61