本發(fā)明涉及一種用于機(jī)器人或自動化焊接中對金屬薄板結(jié)構(gòu)對接焊縫的視覺識別，尤其涉及一種焊接機(jī)器人。

背景技術(shù)：

薄板結(jié)構(gòu)的無間隙對接接頭在航空航天工業(yè)中應(yīng)用很廣，對此類接頭的自動識別和跟蹤要求也非常迫切。人們采用了多種方法對此進(jìn)行了研究，如激光掃描測距方法和光強(qiáng)分析方法、圖像分析方法以及電磁傳感器方法等。目前這些研究工作與實(shí)際應(yīng)用還有較大距離。因?yàn)檫@些方法幾乎都假設(shè)接頭有一定的間隙、錯(cuò)邊或傾斜特征，而實(shí)際中的接頭狀況難以滿足要求。例如，現(xiàn)有的焊縫具有各種不同的對接焊縫的情形，比如，有的地方有小的間隙，有的地方間隙稍大一點(diǎn)，另外的地方完全沒有間隙。所以現(xiàn)有的方法滿足不了實(shí)際的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種薄板焊接機(jī)器人，其能解決上述問題中的任一種。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種薄板焊接機(jī)器人，其特征在于，它包括：

機(jī)器手臂，其具有多個(gè)自由度；

焊槍，所述焊槍設(shè)置在所述機(jī)器手臂上，從而能隨著所述機(jī)器手臂運(yùn)動，所述焊槍用于對所述薄板進(jìn)行焊接；

視頻攝像機(jī)，其包括用于獲取所述薄板和/或焊縫圖像的圖像傳感器和用于控制所述圖像傳感器獲取圖像的電子快門；

主動照明，所述主動照明包括用于向所述視頻攝像機(jī)提供光的發(fā)光二極管，所述發(fā)光二極管基于所述電子快門動作而動作。

優(yōu)選地，所述發(fā)光二極管為大功率發(fā)光二極管。

優(yōu)選地，所述發(fā)光二極管基于所述電子快門使得所述圖像傳感器獲取圖像而開啟。

優(yōu)選地，所述發(fā)光二極管基于所述電子快門使得所述圖像傳感器不獲取圖像而關(guān)閉。

優(yōu)選地，所述發(fā)光二極管基于所述圖像傳感器獲取的圖像而調(diào)節(jié)其發(fā)出的光強(qiáng)。

優(yōu)選地，所述視頻攝像機(jī)、所述發(fā)光二極管和所述焊槍沿線性排布。

優(yōu)選地，所述視頻攝像機(jī)和所述發(fā)光二極管位于所述焊槍的移動方向的前方。

本發(fā)明采用上述裝置，可以對各種情形的薄板的對接焊縫（包括無間隙和有一定間隙的焊縫）可靠識別，而不會發(fā)生識別失敗的情況。

附圖說明

在此描述的附圖僅用于解釋目的，而不意圖以任何方式來限制本發(fā)明公開的范圍。另外，圖中的各部件的形狀和比例尺寸等僅為示意性的，用于幫助對本發(fā)明的理解，并不是具體限定本發(fā)明各部件的形狀和比例尺寸。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的教導(dǎo)下，可以根據(jù)具體情況選擇各種可能的形狀和比例尺寸來實(shí)施本發(fā)明。

圖1為本申請中采用該焊縫檢測方法的裝置。

圖2為采用現(xiàn)有技術(shù)中的焊接機(jī)器人獲取的鋁板對接焊縫焊接時(shí)沒有主動照明的圖像。

圖3為本申請中焊接機(jī)器人獲取的鋁板對接焊縫焊接時(shí)有主動照明的圖像。

圖4為本申請中焊接機(jī)器人獲取的3mm厚鋁板無間隙對接焊縫檢測結(jié)果的圖像。

圖5為本申請中焊接機(jī)器人獲取的3mm厚鋼板無間隙對接焊縫檢測結(jié)果的圖像。

圖6為本申請中焊接機(jī)器人獲取的3mm厚鋼板無間隙有人為劃痕對接焊縫檢測結(jié)果的圖像。

圖7為本申請中焊接機(jī)器人獲取的3mm厚鋼板無間隙有定位焊點(diǎn)對接焊縫檢測結(jié)果的圖像。

圖8為本申請中焊接機(jī)器人獲取的3mm厚鋁板間隙0.02mm對接焊縫檢測結(jié)果的圖像。

圖9為本申請中焊接機(jī)器人獲取的3mm厚鋁板間隙0.05mm對接焊縫檢測結(jié)果的圖像。

圖10為本申請中焊接機(jī)器人獲取的3mm厚鋼板間隙0.3mm對接焊縫檢測結(jié)果的圖像。

圖11為本申請中焊接機(jī)器人獲取的3mm厚鋼板間隙0.5mm對接焊縫檢測結(jié)果的圖像。

以上附圖的附圖標(biāo)記為：1、焊槍；2、視頻攝像機(jī)；3、主動照明。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖和本發(fā)明具體實(shí)施方式的描述，能夠更加清楚地了解本發(fā)明的細(xì)節(jié)。但是，在此描述的本發(fā)明的具體實(shí)施方式，僅用于解釋本發(fā)明的目的，而不能以任何方式理解成是對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的教導(dǎo)下，技術(shù)人員可以構(gòu)想基于本發(fā)明的任意可能的變形，這些都應(yīng)被視為屬于本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明公開了一種焊縫檢測方法，它包括以下步驟：

獲取焊縫圖像；

在獲取的焊縫圖像中，初始圖像的行方向大致垂直于焊縫，每隔n行選取一行進(jìn)行處理，共選取m行。這里m為大于8的正整數(shù)，n為大于或等于0的整數(shù)；f(i,j)表示了第j行的第i個(gè)點(diǎn)的像素灰度值；

對選取的行進(jìn)行平滑處理；

對平滑處理后的數(shù)據(jù)做一階差分；

在差分后的數(shù)據(jù)中選取k個(gè)極大值像素的位置和k個(gè)極小值像素的位置，其中k為2至4；

在對上一步中2k個(gè)位置的每一個(gè)的鄰域內(nèi)尋找一個(gè)灰度極小值的位置, 得到2k個(gè)新的位置；

對所有選取的行上的2k個(gè)點(diǎn)（共2k*m），做豪爾（Hough Transform）變化，得到

ρ = Xcosθ + Ysinθ，其中ρ原點(diǎn)到直線的距離，θ是該直線的法線與X軸的夾角；

具體地，在本實(shí)施方式中，在獲取薄板圖像后，將圖像的左上角定義為原點(diǎn)，由原點(diǎn)向下定義為Y方向；由原點(diǎn)向右定義為X方向；行的方向平行于X方向，列的方向平行于Y方向 。

為了加快處理速度，可以在沿Y方向，每隔m行選取一行進(jìn)行采樣。在本實(shí)施方式中，m可以為0至10中的任一個(gè)數(shù)。例如，一幅灰度圖像如果取樣為512 X 512個(gè)點(diǎn)的矩陣的話，共有262144個(gè)點(diǎn)，每一個(gè)點(diǎn)有一個(gè)灰度值，或者叫亮度值。坐標(biāo)的取法：坐標(biāo)原點(diǎn)在圖像的左上角，X方向?yàn)樗较蛴?，Y方向?yàn)榇怪毕蛳?。這里f(i,j)就表示了第j行的第i個(gè)點(diǎn)的像素灰度值。如果每隔1行取一行的話，最后就是取得256行，如果每隔3行取一行的話，最后就是取得128行。

對采樣得到的行進(jìn)行平滑處理，平滑窗口為3X1。

其中，在對選取的行進(jìn)行平滑處理，平滑處理的公式為f(i)=(f(i-1)+f(i)+f(i+1))/3。

對平滑處理后的數(shù)據(jù)做一階差分，d(i,j) =f(i,j)–f(i-1,j)，這里d(i,j)是像素點(diǎn)(i,j)處灰度差分值，f(i,j)和 f(i-1,j)分別是像素點(diǎn)(i,j)和(i-1,j)處的灰度值。在差分后的數(shù)據(jù)中選取k個(gè)極大值像素的位置和k個(gè)極小值像素的位置。在本實(shí)施方式中，k =為2至4中的任一個(gè)正整數(shù)。

在對上一步中2k個(gè)位置的每一個(gè)的鄰域內(nèi)尋找一個(gè)灰度極小值的位置, 得到2k個(gè)新的位置。這里鄰域半徑的選擇取實(shí)際假設(shè)的最大間隙寬度一半對應(yīng)的像素?cái)?shù)。

對所有選取的行上的2k個(gè)點(diǎn)（共2k*m）做豪爾（Hough Transform）ρ = Xcosθ + Ysinθ。參量ρ和θ唯一地確定了一條直線，ρ原點(diǎn)到直線的距離，θ是該直線的法線與X軸的夾角。

在變換后的數(shù)組中搜索最大值，這個(gè)最大值對應(yīng)的直線，就是我們候選的焊縫直線（圖像對應(yīng)的物理區(qū)域大概在11.2mm X 11.2mm，在整個(gè)圖像的范圍內(nèi)假設(shè)焊縫是直線是成立的）。

以上焊縫檢測算法不僅能夠可靠地檢測出無間隙和小間隙的對接焊縫，而且在有強(qiáng)烈的干擾如表面劃痕、定位焊點(diǎn)的情況下，檢測結(jié)果也非?？煽?。

在經(jīng)過焊縫檢測后，本發(fā)明采用的識別系統(tǒng)還可以對焊縫進(jìn)行驗(yàn)證。

一種焊縫驗(yàn)證方法，它包括以下步驟：

獲取焊縫圖像以及在焊縫圖像中待驗(yàn)證的焊縫直線；

在原始圖像的每一行與待驗(yàn)證的焊縫直線相交的點(diǎn)的兩邊各選取q個(gè)像素點(diǎn)組成圖像子集，初始圖像的行方向大致垂直于焊縫，其中q=32；

將所述圖像子集的所有行相加得到一個(gè)數(shù)組，對此數(shù)組做一階差分并找到最大值和最小值的位置，差分公式為D(i) =f(i)–f(i-1)；

如果最大值和最小值的位置位于待驗(yàn)證的焊縫直線的兩側(cè)，則判定待驗(yàn)證焊縫位置是可靠的；

如果最大值和最小值的位置不是位于待驗(yàn)證的焊縫直線的兩側(cè)，則判定待驗(yàn)證焊縫位置是不可靠的。

當(dāng)所得的最大值與最小值位置之間的距離大于事先設(shè)定的需調(diào)整的焊縫間隙寬度時(shí)，用最大值與最小值位置之間的的距離對所得的焊縫直線進(jìn)行調(diào)整。具體地，我們實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，如果焊縫間隙大于0.2mm, 檢測結(jié)果就做調(diào)整。這里最大值的位置對應(yīng)間隙的左邊緣，最小值的位置對應(yīng)間隙的右邊緣。最大值和最小值位置的差值對應(yīng)與間隙寬度。我們的實(shí)驗(yàn)中512X512的圖像對應(yīng)于物理尺寸11.2mm X 12.2mm，所以0.2mm對應(yīng)于9個(gè)像素。0.5mm的間隙就對應(yīng)于22個(gè)像素。在計(jì)算出最大值和最小值像素的位置間距后，就可以根據(jù)前面求圖像子集以及圖像像素與物理尺寸的關(guān)系反推算出新的值。

參照圖1所示，本申請還公開了一種薄板焊接機(jī)器人，它包括：

機(jī)器手臂，其具有多個(gè)自由度；

焊槍1，所述焊槍1設(shè)置在所述機(jī)器人手臂上，從而能隨著所述機(jī)器手臂運(yùn)動，所述焊槍1用于對所述薄板進(jìn)行焊接；

視頻攝像機(jī)2，其包括用于獲取所述薄板和/或焊縫圖像的圖像傳感器和用于控制所述圖像傳感器獲取圖像的電子快門；

主動照明3，所述主動照明3包括用于向所述視頻攝像機(jī)2提供照明的發(fā)光二極管，所述發(fā)光二極管基于所述電子快門動作而動作。

具體地，在本實(shí)施方式中，機(jī)器手臂可以具有六個(gè)甚至更多個(gè)自由度，以對焊槍1的運(yùn)行軌跡進(jìn)行精確控制。

焊槍1受控于機(jī)器手臂，從而可以對薄板進(jìn)行選擇性地操縱，例如焊接或者停止焊接。焊槍可以為氬弧焊槍等其他類似可以用于焊接的裝置。

視頻攝像機(jī)2的分辨率高，體積小，適合機(jī)器人使用。

視頻攝像機(jī)2包括高精度的圖像傳感器，圖像傳感器受控于電子快門以對薄板進(jìn)行圖像的獲取。

在本實(shí)施方式中，主動照明3采用大功率的發(fā)光二極管。由于發(fā)光二極管可以受控于電信號，從而發(fā)光二極管可以基于電子快門而控制。例如，當(dāng)電子快門操縱圖像傳感器獲取圖像時(shí)，發(fā)光二極管可以向薄板焊縫的區(qū)域提供照明，從而使獲取的薄板焊縫圖像具有合適的亮度。

而現(xiàn)有技術(shù)中采用的主動照明為傳統(tǒng)的照明燈，其開關(guān)控制常常有一定程度的延遲，因而不適用于高精度的、快速的場合。

相反的，本申請中的薄板焊接機(jī)器人，可以對薄板進(jìn)行快速處理，大大增加了其精度和可操縱性。

優(yōu)選地，所述發(fā)光二極管為大功率發(fā)光二極管。

優(yōu)選地，所述發(fā)光二極管基于所述電子快門使得所述圖像傳感器獲取圖像而開啟。

優(yōu)選地，所述發(fā)光二極管基于所述電子快門使得所述圖像傳感器不獲取圖像而關(guān)閉。

優(yōu)選地，所述發(fā)光二極管基于所述圖像傳感器獲取的圖像而調(diào)節(jié)其發(fā)出的光強(qiáng)。

優(yōu)選地，所述視頻攝像機(jī)2、所述發(fā)光二極管和所述焊槍沿線性排布。

優(yōu)選地，所述視頻攝像機(jī)2和所述發(fā)光二極管位于所述焊槍的移動方向的前方。

比對圖2所示，結(jié)合圖3至圖11示出，采用本申請中的焊接機(jī)器人獲取的圖像清晰度較高。

本說明書中的各個(gè)實(shí)施例均采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似的部分互相參見即可。

上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。