基于ccd的大型海洋管道起始點(diǎn)識(shí)別與定位方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于CCD的大型海洋管道起始點(diǎn)識(shí)別與定位方法及系統(tǒng)，其屬于 自動(dòng)化焊接技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】：
[0002] 對(duì)于大型海洋管道的焊接，我國(guó)還停留在半自動(dòng)焊的水平上。在實(shí)際的焊接過程 中，由于管道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，而且管道直徑可達(dá)1000 mm甚至更大，因此，車間作業(yè)時(shí)，都先進(jìn)行 定位焊，暫時(shí)固定管道，之后采用焊槍位置基本不動(dòng)，變位機(jī)帶動(dòng)管道作圓弧回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方 式完成焊接。由于一般都采用定位焊中的一個(gè)焊點(diǎn)作為起始點(diǎn)，管道被裝夾后，每次焊點(diǎn)的 位置都不固定，因此，一般都進(jìn)行人工定位焊接起始點(diǎn)，即先利用變位機(jī)帶動(dòng)管道作回轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)，當(dāng)操作人員觀察到有焊點(diǎn)出現(xiàn)在上方時(shí)，手動(dòng)停止變位機(jī)，操作人員利用示教盒或其他 方式手動(dòng)使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到起始點(diǎn)，因此操作人員的水平要求高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，定位精度也得 不到保證，更重要的是嚴(yán)重降低了焊接效率低，制約了海洋管道建設(shè)的發(fā)展。
[0003] 由于海洋管道的需求量大，利用手動(dòng)定位起始點(diǎn)將大大提高時(shí)間成本。因此，把信 息傳感技術(shù)與現(xiàn)有的焊接機(jī)器人相結(jié)合，開發(fā)出自動(dòng)化的管道焊接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)起始點(diǎn)的自 動(dòng)定位，提高整個(gè)管道焊接系統(tǒng)的效率，是目前自動(dòng)化焊接技術(shù)的必然趨勢(shì)，也是技術(shù)創(chuàng)新 的必然需求。
[0004] 目前，視覺傳感技術(shù)作為焊接領(lǐng)域的研宄熱點(diǎn)，已取得了一些顯著的成果，但是應(yīng) 用較多的是一些結(jié)構(gòu)件，關(guān)于把視覺傳感應(yīng)用于大型管道焊接方面的研宄和應(yīng)用卻不多 見。目前，在可見的報(bào)道中，名稱為"基于單目視覺傳感的機(jī)器人初始焊位識(shí)別系統(tǒng)及方 法"（申請(qǐng)?zhí)?01110224808. 4)為了使機(jī)器人能夠準(zhǔn)確的移動(dòng)到焊接路徑的起始點(diǎn)，提供了 一種基于單目視覺傳感器的機(jī)器人初始焊位識(shí)別方法，但是該方法中待焊工件的焊縫時(shí)水 平的，視覺傳感器的高度固定不變，并不適用于大型的管道焊接起始點(diǎn)的精確定位。文獻(xiàn) "陳海永，方灶軍，徐德，等.基于視覺的薄鋼板焊接機(jī)器人起始點(diǎn)識(shí)別與定位控制[(期 干IJ )機(jī)器人]，2013,第35卷第1期，90-97"提出了一種起始點(diǎn)識(shí)別和焊槍精確對(duì)中焊縫起 始點(diǎn)的視覺控制方法，自動(dòng)確定包含焊槍特征點(diǎn)的圓形感興趣區(qū)域，但是該應(yīng)用針對(duì)的是 薄鋼板焊接，也不適用于大型管道焊接。
[0005] 因此，確有必要對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)以解決現(xiàn)有技術(shù)之不足。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足和生產(chǎn)需要，提供一種基于CCD的大型海洋管道起始 點(diǎn)識(shí)別與定位方法及系統(tǒng)，能夠自動(dòng)提取管道焊縫在定位焊中的一個(gè)焊點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)焊接起始 點(diǎn)的精確定位以及控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到起始點(diǎn)，從而解決在大型管道焊接中機(jī)器人自動(dòng)定位 到焊接起始點(diǎn)的技術(shù)問題。
[0007] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種基于C⑶的大型海洋管道起始點(diǎn)識(shí)別與定位方 法，其包括如下步驟：
[0008] 步驟I :焊縫位置的初步定位
[0009] (a)保持待焊的管道不動(dòng)，焊接機(jī)器人移動(dòng)到預(yù)先設(shè)定的位置，由CCD工業(yè)數(shù)字?jǐn)z 像機(jī)采集待焊管道的焊縫圖像，主控計(jì)算機(jī)通過USB線接收?qǐng)D片并進(jìn)行圖像處理，初步識(shí) 別焊縫，提取焊縫中心線，對(duì)圖片的中間行進(jìn)行掃描，得到焊縫中心線上的一點(diǎn)，計(jì)算焊槍 中心與該點(diǎn)的橫坐標(biāo)方向的像素偏差，并反饋給焊接機(jī)器人；
[0010] (b)焊接機(jī)器人向焊縫中心移動(dòng)，移動(dòng)過程中CCD實(shí)時(shí)采集圖像，主控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí) 接收并提取焊縫中心線，掃描圖片的中間行，得到焊縫中心線上的一點(diǎn)，計(jì)算焊槍中心與該 點(diǎn)的橫坐標(biāo)方向像素偏差的實(shí)時(shí)變化，當(dāng)像素偏差為零時(shí)，主控計(jì)算機(jī)發(fā)送停止信號(hào)給焊 接機(jī)器人，焊接機(jī)器人停止移動(dòng)，從而使焊接機(jī)器人初步定位到焊縫上方；
[0011] 步驟2 :焊接起始點(diǎn)像素坐標(biāo)的提取
[0012] (a)主控計(jì)算機(jī)發(fā)送開始信號(hào)給變位機(jī)，變位機(jī)帶動(dòng)管道作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，CXD實(shí)時(shí)采 集圖像，主控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)接收并對(duì)包含焊槍的矩形感興趣區(qū)域進(jìn)行圖像處理，當(dāng)檢測(cè)到有 管道定位焊中的焊點(diǎn)出現(xiàn)在感興趣區(qū)域內(nèi)時(shí)，發(fā)送停止信號(hào)給變位機(jī)，管道停止作回轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)；
[0013] (b)主控計(jì)算機(jī)對(duì)包含焊點(diǎn)的矩形感興趣區(qū)域進(jìn)行圖像處理，提取焊點(diǎn)的外輪廓 和質(zhì)心，質(zhì)心的像素坐標(biāo)就作為管道起始點(diǎn)的像素坐標(biāo)；
[0014] 步驟3 :焊接起始點(diǎn)的定位
[0015] (a)主控計(jì)算機(jī)發(fā)送運(yùn)動(dòng)信號(hào)給焊接機(jī)器人，焊接機(jī)器人沿基坐標(biāo)系Y方向水平 移動(dòng)一小段距離，CCD工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)采集焊縫圖像，主控計(jì)算機(jī)接收?qǐng)D片并對(duì)包含焊點(diǎn)的 矩形感興趣區(qū)域進(jìn)行圖像處理，利用圖像處理再次提取該焊點(diǎn)質(zhì)心的像素坐標(biāo)；
[0016] (b)利用通用雙目視覺計(jì)算起始點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，并根據(jù)工具坐標(biāo) 系和機(jī)器人基座標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣以及工具坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，把得 到的起始點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到機(jī)器人基座標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。
[0017] 進(jìn)一步地，步驟1(a)中像素偏差的計(jì)算具體步驟為：
[0018] (1)根據(jù)工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)內(nèi)部參數(shù)矩陣、工具坐標(biāo)系和機(jī)器人基座標(biāo)系之間的轉(zhuǎn) 換矩陣以及工具坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，計(jì)算焊槍中心在圖片中的像素坐標(biāo) (u, v)；
[0019] (2)對(duì)采集的圖片進(jìn)行圖像處理，提取焊縫邊緣和焊縫中心線，對(duì)焊縫圖片的中間 行從左邊開始掃描，得到焊縫中心線上的一點(diǎn)，記為（u k，vk)，計(jì)算焊槍中心到焊縫中心線的 像素偏差A(yù)u = u_uk。
[0020] 進(jìn)一步地，步驟I (b)中焊接機(jī)器人的移動(dòng)方向，由像素距離Au的正負(fù)決定，機(jī)器 只沿基座標(biāo)系的Y方向水平移動(dòng)。
[0021] 進(jìn)一步地，所述步驟3(b)中的工具坐標(biāo)系和機(jī)器人基座標(biāo)系之間的變換矩陣由 主控計(jì)算機(jī)從機(jī)器人控制柜中讀取焊接機(jī)器人的位姿換算得到，所述工具坐標(biāo)系和相機(jī)坐 標(biāo)系之間的變換矩陣由手眼標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到。
[0022] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種基于CCD的大型海洋管道起始點(diǎn)識(shí)別與定位系 統(tǒng)，其包括變位機(jī)，視覺傳感器，焊接機(jī)器人，機(jī)器人控制柜，焊接電源和主控計(jì)算機(jī)；所述 視覺傳感器包括剛性固定在焊接機(jī)器人末端焊槍上的CCD工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像 機(jī)與焊接機(jī)器人一起運(yùn)動(dòng)；所述變位機(jī)、焊接電源與機(jī)器人控制柜相連接，所述主控計(jì)算機(jī) 通過以太網(wǎng)與機(jī)器人控制柜連接，主控計(jì)算機(jī)發(fā)送信號(hào)給機(jī)器人控制柜進(jìn)而控制變位機(jī)的 運(yùn)動(dòng)；所述主控計(jì)算機(jī)和視覺傳感器通過USB連接；所述主控計(jì)算機(jī)包括圖像采集模塊、 圖像處理模塊和信息反饋及控制模塊，所述圖像采集模塊通過USB線控制CCD工業(yè)數(shù)字?jǐn)z 像機(jī)采集焊縫圖片并發(fā)送給主控計(jì)算機(jī)，所述圖像處理模塊包括焊縫位置初步定位、焊接 起始點(diǎn)像素坐標(biāo)的提取和焊縫起始點(diǎn)三維坐標(biāo)的定位三個(gè)圖像處理子模塊，所述信息反饋 及控制模塊反饋圖像處理的結(jié)果給機(jī)器人控制柜，控制變位機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及機(jī)器人的運(yùn) 動(dòng)，最終控制焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到焊接起始點(diǎn)。
[0023] 本發(fā)明具有如下有益效果：本發(fā)明提供了一種基于C⑶的大型海洋管道起始點(diǎn)識(shí) 別與定位方法及系統(tǒng)，滿足了目前機(jī)器人管道焊接自動(dòng)化的要求。只需添加視覺傳感系統(tǒng)， 不影響焊槍的靈活性和可達(dá)性，利用主控計(jì)算機(jī)作為控制中心，自動(dòng)采集焊縫圖片，實(shí)現(xiàn)了 焊接起始點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別，從而使焊接機(jī)器人自動(dòng)定位到焊接起始點(diǎn)，避免了人工定位的過 程，節(jié)省了時(shí)間成本，而且降低了人工定位誤差，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了管道焊接 的自動(dòng)化水平和焊接效率，保證了起始點(diǎn)的定位精度，為后續(xù)的自動(dòng)化焊接奠定了良好的 基礎(chǔ)。
【附圖說明】：
[0024] 圖1是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例的工作流程圖。
[0025] 圖2是識(shí)別與定位過程中焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程圖。
[0026] 圖3是焊接過程中系統(tǒng)中各坐標(biāo)系的位姿示意圖。
[0027] 圖4是本發(fā)明的基于C⑶的管道焊接機(jī)器人平臺(tái)示意圖。
[0028] 圖5是本發(fā)明中主控計(jì)算機(jī)的功能模塊圖。
[0029] 其中：
[0030] 1-變位機(jī)；2-管道；3-視覺傳感器；4-焊接機(jī)器人；5-機(jī)器人控制柜；6-焊接電 源；7-主控計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】：
[0031] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，下面結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明