本發明涉及機器人線激光實時焊縫跟蹤系統，尤其涉及六自由度焊接機器人線激光實時焊縫跟蹤方法。

背景技術：

由于焊接作業存在工作環境惡劣、勞動強度大、效率低下等問題，當前焊接機器人已經逐步在的汽車生產、工程機械、造船以及集裝箱生產等許多領域得到應用.焊接機器人通常采用示教再現的工作模式.為確保這種工作模式能在具體的焊接環境中實施，前工序中需通過人工點焊完成焊接工件的定位，這會引起定位誤差，使實際軌跡偏離示教軌跡，從而導致示教編程獲得的機器人焊接軌跡偏離了再現時的軌跡。

隨著機器視覺技術的發展，焊接機器人廣泛使用視覺檢測技術校正再現軌跡，實現焊縫跟蹤。焊縫跟蹤系統通常將視覺系統安裝在機械手末端，當機器人作業時，視覺系統與焊槍同步工作，實時檢測工件在焊接過程中由高溫引起的熱變形，并調整焊槍與焊縫間的位置。

焊縫實時跟蹤系統主要技術指標是激光條紋8和焊接熔池5之間的距離d，如附圖4。d越小則跟蹤精度越高，通常希望d＜30mm，但是這會導致視覺系統檢測的圖像信息中存在強烈的弧光和飛濺，造成測量精度降低和產生大量錯誤數據，當焊接電流超過300A后，此現象更加明顯。為了減小弧光飛濺的干擾，目前大部分焊縫跟蹤系統的d都在70mm左右，這大大降低了跟蹤實時性與焊接精度。因此如何從含有強烈噪聲干擾的圖像中識別出焊縫，快速、準確獲取其位置是實時焊縫跟蹤中重要的問題。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術的不足,提供一種六自由度焊接機器人線激光實時焊縫跟蹤系統及方法，旨在解決當前自動焊接技術中視覺圖像處理困難以及激光條紋與焊接熔池距離過大的問題

上述目的是通過以下技術方案實現的：

一種六自由度焊接機器人線激光實時焊縫跟蹤方法，該方法基于的跟蹤系統包括六自由度機械臂、焊槍、線激光視覺傳感器、工作臺、自動焊機、送絲機構、嵌入式工業控制器、控制柜，包括步驟：

(1)焊接時將線激光視覺傳感器中相機采集到的圖像先進行圖像預處理；

(2)采用基于加權余弦相似度(WLCS)的特征點提取算法，得到預處理后的當前幀圖像中焊縫中心特征點的像素坐標值；

(3)將所述坐標值轉換成相機坐標系下的三維坐標值之后，把該值與初始值的偏差值實時發送給六自由度機器人，從而帶動焊槍完成自動焊接過程。

進一步地，在進行步驟(1)之前，還包括步驟：

根據線激光傳感器中的相機采集的圖像獲取焊接前初始的焊縫特征點和相鄰區域。

進一步地，所述的根據線激光傳感器中的相機采集的圖像獲取焊接前初始的焊縫特征點和相鄰區域的步驟具體包括：

(1)調整六自由度焊接機器人機械臂的位置，使得焊槍末端(即焊絲末端)位于待焊工件焊縫位置的正上方，并使得固定在焊槍上的線激光傳感器處于最佳工作位置，即在焊接過程中既能捕捉到清晰地圖像，又不會使得線激光傳感器和待焊工件發生干涉；

(2)線激光傳感器中的相機采集圖像并發送到嵌入式工業控制器，嵌入式工業控制器通過調用Halcon軟件的庫函數進行初始化，得到初始的焊縫特征點和相鄰區域；

(3)嵌入式工業控制器將得到的焊接前初始特征點像素坐標值轉換成基于相機坐標系的三維坐標值。

進一步地，所述的步驟(1)具體包括：

(11)焊接時線激光傳感器的相機連續采集每一幀圖像，并發送至嵌入式工業控制器進行處理計算；

(12)嵌入式工業控制器將得到的圖像進行用于減小焊接圖像中飛濺和弧光噪聲、使得圖像純凈度變高的預處理。

進一步地，所述的預處理包括閾值處理、二值化和三幅圖像相乘處理。

進一步地，所述步驟(2)具體包括：

(21)初始化跟蹤器，嵌入式工業控制器通過調用Halcon軟件的庫函數進行初始化，得到初始的焊縫特征點和相鄰區域；

(22)利用運動模型p(x_t|x_t-1)在圖像中采集大量目標的候選狀態，x_t表示為目標物體的狀態變量，下標t為當前圖像幀數；

(23)利用測量模型p(y_t|x_t)來評估候選狀態變量，找出與候選狀態變量相似度最高的觀測向量，y_t為對應x_t的觀測向量，此處觀測模型采用加權余弦相似度(WLCS)測量法；

(4)通過在傅里葉框架下應用粒子濾波法，算出最佳候選狀態位置作為該圖像中焊縫特征點的實際位置坐標，計算方法是：

p(x_t|y_1:t-1)＝∫p(x_t|x_t-1)p(x_t-1|y_1:t-1)dx_t-1

p(x_t|y_1:t)＝p(y_t|x_t)p(x_t|y_1:t-1)/p(y_t|x_t)p(x_t|y_1:t-1)

式中y_1:t表示從時刻1到時刻t的所有觀測向量，第一個公式是預測公式，通過時刻1到時刻t-1的觀測向量y_1:t-1預測時刻t的狀態變量x_t；第二個公式是更新公式，在第一個公式中加入時刻t的觀測向量y_t更正狀態變量x_t。

進一步地，所述步驟(23)的加權余弦相似度(WLCS)測量法具體包括步驟：

(231)計算出余弦相似度：

式中y為觀測向量，t為目標模塊，下標j為第j個子區域向量，w為對應子區域向量的權重；

(232)計算出余弦相似度后進入在線更新，包括權重與目標模塊的更新；模塊更新公式為：

式中ε是預先設定的閾值，η是更新率；

(233)完成目標模塊t的更新后，采集該圖像模塊的正樣本和負樣本，并通過解決下列最優化問題更新權重：

其中Ω⁺與Ω^-分別表示焊縫特征點的正樣本與負樣本，w′等于上一時刻的權重值，即w′＝w_t-1。

進一步地，所述步驟(3)具體包括：

(31)將獲得的圖像中焊縫中心特征點的像素坐標值轉換成相機坐標系下的三維坐標值之后與當前焊槍位置三維坐標進行比較，得到偏差值(Δx,Δy,Δz)；

(32)嵌入式工業控制器實時地將所述偏差值(Δx,Δy,Δz)發送給伺服驅動器，伺服驅動器驅動伺服電機并帶動六自由度機械臂運動，從而使得焊槍末端的焊絲沿著工件的焊縫中點運動，完成六自由度機器人的實時焊縫跟蹤過程。

相比現有技術，本發明有如下優點：

(1)通過線激光傳感器檢測焊縫特征點，精度高。通過嵌入式工業控制器對焊縫圖像進行處理，控制送絲與焊接裝置以及伺服驅動器，系統結構簡單，易于維護；

(2)利用基于WLCS的特征點提取算法，在能夠在含有大量弧光與飛濺的環境下提取焊縫中心點的坐標值，精度高，抗干擾能力強，將激光條紋與焊接熔池的距離縮小至30mm以內，增強了焊縫跟蹤的實時性。

附圖說明

圖1是本發明實施例的六自由度焊接機器人線激光實時焊縫跟蹤系統總體結構示意圖。

圖2是本發明實施例的六自由度焊接機器人線激光實時焊縫跟蹤系統中機械臂自由度示意圖。

圖3是本發明實施例的六自由度機械臂與焊槍、線激光視覺傳感器安裝示意圖。

圖4是本發明實施例的焊縫跟蹤系統中激光條紋與焊接熔池距離示意圖。

圖5是本發明六自由度焊接機器人線激光實時焊縫跟蹤方法整體工作流程圖。

圖6是本發明六自由度焊接機器人線激光實時焊縫跟蹤方法中特征點檢測算法流程圖。

圖中所示：1-六自由度機械臂；2-焊槍；3-線激光視覺傳感器；4-安裝底座；5-焊接熔池；6-相機；7-線激光發生器；8-激光條紋；9-工件；10-嵌入式工業控制器；11-控制柜；12-自動焊機；13-工作臺；14-倍福模塊。

具體實施方式

下面通過具體實施例對本發明的目的作進一步詳細地描述，實施例不能在此一一贅述，但本發明的實施方式并不因此限定于以下實施例。

實施例

如圖1所示，一種六自由度焊接機器人線激光實時焊縫跟蹤方法，該方法基于的跟蹤系統包括六自由度機械臂1、焊槍2、線激光視覺傳感器3、工作臺13、自動焊機12、送絲機構、嵌入式工業控制器10、控制柜11、倍福模塊14，工件9放置在工作臺13上，線激光視覺傳感器3通過安裝底座4安裝在焊槍2上，焊槍2置于六自由度機械臂1的末端，線激光傳感器和焊槍通過六自由度機械臂的運動而改變其在空間的位置。焊絲存放在容器中，通過導管，經由送絲裝置送向焊槍，送絲裝置固定于六自由度機械臂U軸上，容器固定于六自由度機械臂的S軸；所述自動焊機與嵌入式控制器通信，控制焊絲及焊槍工作，所述送絲機構為YWC-WFRPM42RD，所述嵌入式工業控制器為研華IPC-510，控制柜11為JZRCR-YTB21-F380，自動焊機為MOTOWELD-RD350。本實施例中，所述六自由度機械臂1為由六根軸組成，S軸與機器人架臺相連，T軸加裝焊槍，軸與軸之間裝有伺服電機，允許相互轉動(見圖1、圖2和圖3)

如圖5所示，本實施例提供的一種六自由度焊接機器人線激光實時焊縫跟蹤方法，包括步驟：

(1)焊接時將線激光視覺傳感器3中相機6采集到的圖像先進行圖像預處理；

(2)采用基于加權余弦相似度(WLCS)的特征點提取算法，得到預處理后的當前幀圖像中焊縫中心特征點的像素坐標值；

(3)將所述坐標值轉換成相機坐標系下的三維坐標值之后，把該值與初始值的偏差值(Δx,Δy,Δz)通過倍福模塊14實時發送給六自由度機器人，從而帶動焊槍完成自動焊接過程。

具體而言，在進行步驟(1)之前，還包括步驟：

根據線激光傳感器中的相機采集的圖像獲取焊接前初始的焊縫特征點和相鄰區域。

具體而言，所述的根據線激光傳感器中的相機采集的圖像獲取焊接前初始的焊縫特征點和相鄰區域的步驟具體包括：

(1)調整六自由度焊接機器人機械臂的位置，使得焊槍末端(即焊絲末端)位于待焊工件焊縫位置的正上方，并使得固定在焊槍上的線激光傳感器處于最佳工作位置，即在焊接過程中既能捕捉到清晰地圖像，又不會使得線激光傳感器和待焊工件發生干涉；

(2)線激光傳感器中的相機采集圖像并發送到嵌入式工業控制器，嵌入式工業控制器通過調用Halcon軟件的庫函數進行初始化，得到初始的焊縫特征點和相鄰區域；

(3)嵌入式工業控制器將得到的焊接前初始特征點像素坐標值轉換成基于相機坐標系的三維坐標值。

具體而言，如圖6所示，所述的步驟(1)具體包括：

(11)焊接時線激光傳感器的相機連續采集每一幀圖像，并發送至嵌入式工業控制器進行處理計算；

(12)嵌入式工業控制器將得到的圖像進行用于減小焊接圖像中飛濺和弧光噪聲、使得圖像純凈度變高的預處理，所述的預處理包括閾值處理、二值化和三幅圖像相乘處理。

具體而言，所述步驟(2)具體包括：

(21)初始化跟蹤器，嵌入式工業控制器通過調用Halcon軟件的庫函數進行初始化，得到初始的焊縫特征點和相鄰區域；

(22)利用運動模型p(x_t|x_t-1)在圖像中采集大量目標的候選狀態，x_t表示為目標物體的狀態變量，下標t為當前圖像幀數；

(23)利用測量模型p(y_t|x_t)來評估候選狀態變量，找出與候選狀態變量相似度最高的觀測向量，y_t為對應x_t的觀測向量，此處觀測模型采用加權余弦相似度(WLCS)測量法；

(4)通過在傅里葉框架下應用粒子濾波法，算出最佳候選狀態位置作為該圖像中焊縫特征點的實際位置坐標，計算方法是：

p(x_t|y_1:t-1)＝∫p(x_t|x_t-1)p(x_t-1|y_1:t-1)dx_t-1

p(x_t|y_1:t)＝p(y_t|x_t)p(x_t|y_1:t-1)/p(y_t|x_t)p(x_t|y_1:t-1)

式中y_1:t表示從時刻1到時刻t的所有觀測向量，第一個公式是預測公式，通過時刻1到時刻t-1的觀測向量y_1:t-1預測時刻t的狀態變量x_t；第二個公式是更新公式，在第一個公式中加入時刻t的觀測向量y_t更正狀態變量x_t。

具體而言，所述步驟(23)的加權余弦相似度(WLCS)測量法的具體為：

(231)計算出余弦相似度：

式中y為觀測向量，t為目標模塊，下標j為第j個子區域向量，w為對應子區域向量的權重；

(232)計算出余弦相似度后進入在線更新，包括權重與目標模塊的更新；模塊更新公式為：

式中ε是預先設定的閾值，η是更新率；

(233)完成目標模塊t的更新后，采集該圖像模塊的正樣本和負樣本，并通過解決下列最優化問題更新權重：

其中Ω⁺與Ω^-分別表示焊縫特征點的正樣本與負樣本，w′等于上一時刻的權重值，即w′＝w_t-1。

具體而言，所述步驟(3)具體包括：

(31)將獲得的圖像中焊縫中心特征點的像素坐標值轉換成相機坐標系下的三維坐標值之后與當前焊槍位置三維坐標進行比較，得到偏差值(Δx,Δy,Δz)；

(32)嵌入式工業控制器通過倍福模塊14實時地將所述偏差值(Δx,Δy,Δz)發送給伺服驅動器，伺服驅動器驅動伺服電機并帶動六自由度機械臂運動，從而使得焊槍末端的焊絲沿著工件的焊縫中點運動，完成六自由度機器人的實時焊縫跟蹤過程。

本實施例解決了當前焊縫跟蹤系統中激光條紋和焊接熔池距離過大的問題，具有完全自動化，焊接精度高，實時性好，抗干擾能力強等優點。

本實施例所述的各零部件可選型如下，但選型不限于此：嵌入式工業控制器：研華IPC-510，可選用其他同類型的嵌入式工業控制器；工件：角鋼，可選用其它形狀規則的同類型工件。

本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明權利要求的保護范圍之內。