本发明公开了一种三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统，包括：包括：三坐标直角机器人、工作台、线激光传感器、焊接电源、焊枪、焊接配套设备、焊枪夹持装置、嵌入式工业控制器和工件。本发明还公开了一种应用于三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统的跟踪方法，包括以下步骤：1、调整三坐标直角机器人位置；2、得到初始焊缝特征点和相邻区域；3、求出偏差值；4、采集每一帧图像并发送至嵌入式工业控制器；5、使图像纯净度变高；6、将得到的图像进行高斯核相关算法处理；7、将特征空间映射到更高维空间；8、得到新的一帧中焊缝特征点的位置；9、将偏差发送给伺服驱动器；10、完成焊缝自动跟踪。具有提高了焊接精度等优点。
1.一种三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统，其特征在于，包括：三坐标直角机器人、工作台、线激光传感器、焊接电源、焊枪、焊接配套设备、焊枪夹持装置、嵌入式工业控制器和工件；
所述工件放置在工作台上，工件的位置和倾斜角度可以手动调节，线激光传感器固定安装在焊枪末端，焊枪通过焊枪夹持装置安装在三坐标直角机器人的Z轴上，三坐标直角机器人通过其X轴固定安装在工作台上，嵌入式工业控制器通过以太网线与线激光传感器相连，焊枪和焊接配套设备通过电缆线与焊接电源相连接，线激光传感器和焊枪通过三坐标直角机器人的运动而改变空间位置；
所述三坐标直角机器人包括：伺服系统和运动系统；所述伺服系统包括：伺服电机和伺服驱动器；所述运动系统：包括X轴方向线性模组、Y轴方向线性模组、Z轴方向线性模组、X轴和Y轴方向线性模组连接板、Y轴和Z轴方向线性模组连接板以及三个弹性联轴器；
将线激光传感器中相机采集到的图像先经过预处理后，采用高斯核相关跟踪算法，得到当前帧图像中焊缝中心特征点的像素坐标值，将该坐标值转换成相机坐标系下的三维坐标值之后，把该值与初始值的偏差值通过TwinCAT软件实时发送给三坐标直角机器人，从而带动焊枪完成自动焊接；
线激光传感器采集到焊缝的图像并发送回嵌入式工业控制器，控制器通过调用Halcon软件的库函数进行初始化，得到初始的焊缝特征点和相邻区域；嵌入式工业控制器将得到的初始特征点像素坐标值转换成相机坐标系下的三维坐标值，并以此坐标值作为基准与以后得到的坐标值进行比较，从而求出偏差值；线激光传感器以每秒60帧的速率不断地采集捕捉到的图像并发送给工业控制器进行处理计算；嵌入式工业控制器首先将得到的图像进行阈值处理、二值化和三幅图像相乘处理，使得得到的焊接图像中飞溅和弧光噪声大大减小，使得图像纯净度变高；将得到的图像进行高斯核相关算法处理，首先以初始的特征点为中心提取正样本，并在其周围提取负样本来进行样本训练，并通过循环矩阵来实现样本之间的转换；为了简化计算，引入高斯核函数将特征空间映射到更高维空间；通过傅里叶逆变换计算出新的一帧图像中特征点的坐标值；嵌入式工业控制器将得到的偏差值通过TwinCAT实时内核发送给伺服启动器；伺服驱动器给伺服电机发送一系列的脉冲，伺服电机通过弹性联轴器带动三坐标直角机器人运动，固定在三坐标直角机器人Z轴末端上的焊枪便会运动到焊缝中心点完成整个自动焊接过程。
2.根据权利要求1所述的三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统，其特征在于，所述工作台包括铝型材支架和支撑板，所述工件放置于焊接支撑板上，所述焊接支撑板放置于工作台下支撑板上，所述的X轴方向线性模组固定在工作台上支撑板上。
3.根据权利要求1所述的三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统，其特征在于，所述焊枪夹 持装置包括焊枪夹持器和焊枪连接板，焊枪夹持器夹持焊枪并起到绝缘作用，焊枪连接板将焊枪夹持器固定在Z轴线性模组上，焊枪固定在Z轴方向的线性模组上，并跟随Z轴线性模组一起运动。
4.一种应用于权利要求1所述的三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统的跟踪方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、调整三坐标直角机器人的位置；
S2、焊接开始前，线激光传感器中的相机先采集图像并发送到嵌入式工业控制器，嵌入式工业控制器通过调用Halcon软件的库函数进行初始化，得到初始的焊缝特征点和相邻区域；
S3、嵌入式工业控制器将得到的初始特征点像素坐标值转换成相机坐标系下的三维坐标值，并以此坐标值作为基准与以后得到的坐标值进行比较，从而求出偏差值；
S4、焊接开始后，线激光传感器的相机连续采集每一帧图像，并发送至嵌入式工业控制器进行处理计算；
S5、嵌入式工业控制器首先将得到的图像进行阈值处理、二值化和三幅图像相乘处理，使得得到的焊接图像中飞溅和弧光噪声大大减小，使得图像纯净度变高；
S6、将得到的图像进行高斯核相关算法处理，首先以初始的特征点为中心提取正样本，并在其周围提取负样本来进行样本训练，并通过循环矩阵来实现样本之间的转换，一个样本的循环矩阵如下所示；
上式中，x＝[x1 x2 x3 … xn]为矩阵的第1行向量，表示用于训练的正样本，X为x经过循环偏移得到的循环矩阵，表示在正样本周围提取的所有负样本；
S7、引入高斯核函数将特征空间映射到更高维空间得到回归函数和傅里叶变换之后的解变为；
上式中，z表示初始的目标模型， 表示z的傅里叶变换， 表示训练样本样本x和z乘积的核函数，为待求的参数矩阵，列向量y表示回归值矩阵，λ为防止过拟合的正则化参数；
S8、通过傅里叶逆变换后可得到新的一帧中焊缝特征点的位置：
上式中，(ci,ri)表示当前帧特征点的行坐标和列坐标值，(ci-1,ri-1)表示上一帧特征点的行坐标和列坐标值，(Δc,Δr)表示特征点行坐标和列坐标值的变化量；
通过嵌入式工业控制器将其转换到相机坐标系下，并与初始化的坐标值进行比较，得到偏差值(Δy,Δz)；
S9、嵌入式工业控制器通过TwinCAT软件实时的将偏差(Δy,Δz)发送给伺服驱动器；
S10、伺服驱动器驱动伺服电机运动并通过弹性联轴器使得三坐标直角机器人运动，使焊枪末端的焊丝沿着工件的焊缝中点运动，完成三坐标直角机器人的焊缝自动跟踪。
三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统及其跟踪方法
技术领域
[0001] 本发明涉及机器人线激光焊缝自动跟踪系统，特别涉及三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统及其跟踪方法。
背景技术
[0002] 现在的焊接机器人基本上都是在焊接之前先进行示教，让机器人每次都走一个固定的轨迹，这种方式有一个好处就是重复精度高，运动轨迹不需要修正，但是，他有一个致命的缺陷就是不够随机应变，不够灵活，当需要焊接的工件加工精度比较差，或者需要实时焊接加工轮廓尚不明确的工件时，这种焊接机器人就会变得无能为力，需要重新示教才能完成，这样每次示教都会花费大量的时间，既费时又费力，不能满足现代工厂对于焊接加工的要求。
[0003] 因此，为了能够满足对于工件本身加工精度，减少因每次工件形状改变而进行重新示教所花费的时间，应该对焊接机器人加装视觉系统来满足现代工业对焊接技术的要求。
[0004] 实时的焊缝跟踪系统以及从图像处理得到的坐标转换成机器人相应的运动是当前焊接机器人焊接过程中亟待解决的问题，国内外的很多学者围绕目标跟踪算法、相应的图像处理、标定算法和机器人实时通讯系统进行了深入细致的研究。早期提出了一些跟踪的方法如光流法，但是这类早期的标准跟踪算法有一个局限就是跟踪目标要保证没有完全遮挡或者消失，还有一点是该方法只能进行短期跟踪，因此，此类算法又叫做短期跟踪器。随着现代技术的发展，长期跟踪变得越来越重要，长期跟踪要求跟踪器能够检测跟踪一个无限长的视频序列，因此，跟踪器本身要具备一定的检测能力，其中最重要的是当目标被完全遮挡或者消失导致跟踪失败时，跟踪器能够重新检测，直到目标物体出现时能够重新找到目标并进行跟踪。
[0005] F.Henriques等在2014年提出了一种叫做KCF(Kernerlized Correlation Filter，即：高斯核相关跟踪算法)使得跟踪速度有了很大提升，在同样的测试数据集上，平均运行速度达到172帧/s(使用HOG特征的情况下)。而且据文章的实验结果显示，准确率比现在的跟踪算法都高。之所以能有这么快的速度，得益于作者巧妙地通过循环偏移构建出了分类器的训练样本，从而使得数据矩阵变成了一个循环矩阵。然后基于循环矩阵的特性把问题的求解变换到了傅里叶变换域，从而避免了矩阵求逆的过程，大大降低了算法的复杂度。
[0006] 因此，为了解决焊缝实时跟踪的问题，研究并改进了高斯核相关跟踪算法，并设计了三坐标直角机器人进行焊缝跟踪实验，本发明依此提出。
发明内容
[0007] 本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统，解决了现有的焊接机器人焊接工件之前必须先进行示教操作，并且操作繁杂，效率低下以及精度不高的问题。
[0008] 本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种应用于三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统的跟踪方法。
[0009] 本发明的首要目的通过下述技术方案来实现：三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统，其中系统包括三坐标直角机器人，工作台，线激光传感器，焊接电源，焊枪，焊接配套设备，焊枪夹持装置，嵌入式工业控制器及工件，线激光传感器安装在焊枪上，焊枪通过夹持装置安装在三坐标直角机器人的Z轴上，三坐标直角机器人由三个线性模组组成，三个模组之间通过连接板相互关联，三坐标直角机器人通过X轴方向的模组与工作台相连接固定，待焊工件也置于工作台上；三坐标直角机器人将焊枪移动至待焊工件上方，首先由线激光传感器中的线激光发生器产生条纹式激光，通过传感器中的工业相机捕捉当前帧的图像，并将图像发送给嵌入式工业控制器，利用高斯核相关算法得到图像中焊缝中心点的位置坐标，然后工业控制器通过计算得出目标位置点与焊枪末端的距离，并通过TwinCAT软件实时内核将距离偏差值实时发送给伺服驱动器，伺服驱动器驱动伺服电机使得三坐标直角机器人运动，从而将焊枪末端移动到焊缝位置处进行焊接工作。
[0010] 所述三坐标直角机器人包括伺服系统和运动系统；所述伺服系统包括伺服电机和伺服驱动器；所述运动系统包括X轴方向线性模组、Y轴方向线性模组、Z轴方向线性模组、X轴和Y轴方向线性模组连接板、Y轴和Z轴方向线性模组连接板以及三个弹性联轴器。所述的三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统，其特征在于，所述工作台包括铝型材支架和支撑板，所述工件放置于焊接支撑板上，所述焊接支撑板放置于工作台下支撑板上，所述的X轴方向线性模组固定在工作台上支撑板上。所述的三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统，其特征在于，所述焊枪夹持装置包括焊枪夹持器和焊枪连接板，焊枪夹持器夹持焊枪并起到绝缘作用，焊枪连接板将焊枪夹持器固定在Z轴线性模组上，这样焊枪就能固定在Z轴方向的线性模组上，并跟随Z轴线性模组一起运动。
[0011] 本发明的另一目的通过如下技术方案实现：一种应用于三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统的跟踪方法，包括如下步骤：
[0012] S1、调整三坐标直角机器人的位置，使得固定在Z轴上的焊枪末端(即焊丝末端)位于待焊工件焊缝位置的正上方，使得固定在焊枪上的线激光传感器处于最佳工作位置，即在焊接过程中既能捕捉到清晰地图像，又不会使得线激光传感器和待焊工件发生干涉；
[0013] S2、焊接开始前线激光传感器中的相机先采集图像并发送到嵌入式工业控制器，嵌入式工业控制器通过调用Halcon软件的库函数进行初始化，得到初始的焊缝特征点和相邻区域；
[0014] S3、嵌入式工业控制器将得到的初始特征点像素坐标值转换成相机坐标系下的三维坐标值，并以此坐标值作为基准与以后得到的坐标值进行比较，从而求出偏差值；
[0015] S4、焊接开始后线激光传感器的相机连续采集每一帧图像，并发送至嵌入式工业控制器进行处理计算；
[0016] S5、嵌入式工业控制器首先将得到的图像进行阈值处理、二值化和三幅图像相乘处理，使得得到的焊接图像中飞溅和弧光噪声大大减小，使得图像纯净度变高；
[0017] S6、将得到的图像进行高斯核相关算法处理，首先以初始的特征点为中心提取正样本，并在其周围提取负样本来进行样本训练，并通过循环矩阵来实现样本之间的转换，一个样本的循环矩阵如下所示；
[0018]
[0019] S7、引入高斯核函数将特征空间映射到更高维空间得到回归函数和傅里叶变换之后的解变为；
[0020]
[0021]
[0022] S8、通过傅里叶逆变换后可得到新的一帧中焊缝特征点的位置：
[0023] 通过嵌入式工业控制器将其转换到相机坐标系下，并与初始化的坐标值进行比较，便会得到偏差值(Δy,Δz)；
[0024] S9、嵌入式工业控制器通过TwinCAT软件实时的将偏差(Δy,Δz)发送给伺服驱动器；
[0025] S10、伺服驱动器驱动伺服电机运动并通过弹性联轴器使得三坐标直角机器人运动，从而使得焊枪末端的焊丝沿着工件的焊缝中点运动，这样便完成了三坐标直角机器人的焊缝自动跟踪。
[0026] 本发明的工作原理是：三坐标直角机器人带动焊枪运动到待焊工件的正上方，并使焊枪末端与焊缝的距离适中，焊接开始之前，线激光传感器中的相机首先采集图像并发送至嵌入式工业控制器，嵌入式工业控制器利用Halcon软件提取出图像中的激光条纹，并求出激光条纹的交点(c0,r0)，交点即为待焊工件的焊缝中心点，以交点为中心提取出周围的一片区域作为正样本，正样本周围提取出一系列同样大小的区域作为负样本，通过标定算法将交点的像素坐标值转换成相机坐标系下的三维坐标值(x0,y0,z0)，这样就得到了初始的作为参考的坐标值和正负样本，焊接开始之后线激光传感器中的相机连续不断的采集图像并发送至嵌入式工业控制器，工业控制器首先将得到的图像进行阈值处理、二值化和三幅图像相乘处理，这样可以减少弧光和飞溅的干扰，然后利用高斯核相关算法，在初始的特征点周围提取一系列正负样本，样本之间的转换通过循环矩阵来实现，引入高斯核函数将特征空间引入到更高维的空间，最后通过傅里叶逆变换得到当前帧图像中特征点的位置坐标(c,r)，将该坐标值也通过标定算法换算成相机坐标系下的坐标值(x,y,z)，将该坐标值与初始坐标值相比较，便得到了两者之间的偏差值(Δy,Δz)，嵌入式工业控制器通过TwinCAT软件实时的将偏差值发送给伺服驱动器，伺服驱动器驱动伺服电机进行相应的运动，伺服电机通过弹性联轴器使得三坐标直角机器人运动，从而带动焊枪运动到工件焊缝中心点进行焊接，这样便完成了焊缝自动跟踪的过程。
[0027] 本发明的三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统包括：三坐标直角机器人、工作台、线激光传感器、焊接电源、焊枪、焊接配套设备、焊枪夹持装置、嵌入式工业控制器及工件，线激光传感器安装在焊枪上，焊枪通过夹持装置安装在三坐标直角机器人的Z轴上，三坐标直角机器人由三个线性模组组成，三个模组之间通过连接板相互关联，三坐标直角机器人通过X轴方向的模组与工作台相连接固定，待焊工件也置于工作台上；三坐标直角机器人将焊枪移动至待焊工件上方，首先由线激光传感器中的线激光发生器产生条纹式激光，通过传感器中的工业相机捕捉当前帧的图像，并将图像发送给嵌入式工业控制器，利用高斯核相关算法得到图像中焊缝中心点的位置坐标，然后工业控制器通过计算得出目标位置点与焊枪末端的距离，并通过TwinCAT软件实时内核将距离偏差值发送给伺服驱动器，伺服驱动器驱动伺服电机使得三坐标直角机器人运动，从而将焊枪末端移动到焊缝位置处进行焊接工作。解决了现在焊接机器人焊接时需要事先示教的过程，节省了大量时间，并且提高了焊接精度。
[0028] 本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0029] (1)本发明通过线激光传感器自动识别焊缝的特征点，并通过嵌入式工业控制器进行后续的通讯、计算和处理，装置结构简单，系统易于维护，通过嵌入式工业控制器实现数据的自动采集和处理，能有效提高数据处理的效率；
[0030] (2)本发明自动化程度比较高，能够实现焊缝图像自动实时采集，自动焊接，焊缝自动实时跟踪，大大提高了生产效率。
附图说明
[0031] 图1是本发明三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统总体结构示意图。
[0032] 图2是本发明三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统中的三坐标直角机器人装置部分结构示意图。
[0033] 图3是本发明三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统中的工作台部分结构示意图。
[0034] 图4是本发明三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统中的焊枪加持装置部分结构示意图。
[0035] 图5是三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统方法流程示意图。
具体实施方式
[0036] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0037] 实施例
[0038] 如图1所示，一种三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统，包括：焊接电源1-1、焊接配套装置1-2、焊枪夹持装置1-3、三坐标直角机器人1-4、焊枪1-5、线激光传感器1-
6、嵌入式工业控制器1-7、工作台1-8和工件1-9。所述工件1-9放置在工作台1-8上，工件1-9的位置和倾斜角度可以手动调节，线激光传感器1-6固定安装在焊枪1-5末端，焊枪1-5通过焊枪夹持装置1-3安装在三坐标直角机器人1-4的Z轴上，三坐标直角机器人1-4通过其X轴固定安装在工作台1-8上，嵌入式工业控制器1-7通过以太网线与线激光传感器1-6相连，焊枪1-5和焊接配套设备1-2通过电缆线与焊接电源1-1相连接，线激光传感器1-6和焊枪1-5通过三坐标直角机器人1-4的运动而改变其在空间的位置。
[0039] 如图2所示，三坐标直角机器人包括伺服系统和运动系统；所述伺服系统包括台达伺服电机2-1和台达伺服驱动器2-2；所述运动系统包括X轴方向线性模组2-3、Y轴方向线性模组2-4、Z轴方向线性模组2-5、X轴和Y轴方向线性模组连接板2-6、Y轴和Z轴方向线性模组连接板2-7以及三个弹性联轴器2-8；所述嵌入式工业控制器为研华IPC-510，当嵌入式工业控制器通过TwinCAT软件实时内核给伺服驱动器2-2发出偏差信号后，伺服驱动器2-2就会以脉冲的形式发送给伺服电机2-1，伺服电机2-1根据脉冲的大小和数量做出相应转动，伺服电机2-1通过弹性联轴器使得三坐标直角机器人的三个坐标轴2-3、2-4和2-5做直线运动，固定在Z轴线性模组上的焊枪就会运动到相应的位置处，从而完成焊接过程。
[0040] 如图3所示，所述工作台包括铝型材支架和支撑板，所述铝型材支架3-1其截面尺寸为60*60mm，所述焊接支撑板放3-2置于工作台下支撑板3-3上,下支撑板3-3材质为铝合金，规格尺寸为1350*540*3，2所述的X轴方向线性模组固定在工作台上支撑板3-4上，上支撑板3-4材质为铝合金，规格尺寸为1350*300*8，所述控制柜3-5固定安装在铝合金支架右侧面，材质为薄铁板，规格尺寸为800*350*900。
[0041] 如图4所示，所述焊枪夹持装置包括焊枪夹持器4-1和焊枪连接板4-2，焊枪夹持器4-1夹持焊枪4-3并起到绝缘作用，焊枪连接板4-2将焊枪夹持器4-1固定在Z轴线性模组上，这样当Z轴线性模组运动时，焊枪4-3和线激光传感器4-4会跟随Z轴线性模组一起运动。
[0042] 本发明所述的各零部件可选型如下，但选型不限于此：嵌入式工业控制器：可选用其他同类型的嵌入式工业控制器；其中，工件：可选用其它形状规则的同类型工件。
[0043] 如图5所示，首先通过嵌入式工业控制器控制三坐标直角机器人末端的焊枪运动到焊缝的正上方，这样在焊接过程中既能捕捉到清晰地图像，又不会使得线激光传感器和待焊工件发生干涉。然后线激光传感器采集到焊缝的图像并发送回嵌入式工业控制器，控制器通过调用Halcon软件的库函数进行初始化，得到初始的焊缝特征点和相邻区域。嵌入式工业控制器将得到的初始特征点像素坐标值转换成相机坐标系下的三维坐标值，并以此坐标值作为基准与以后得到的坐标值进行比较，从而求出偏差值。线激光传感器以每秒60帧的速率不断地采集捕捉到的图像并发送给工业控制器进行处理计算。嵌入式工业控制器首先将得到的图像进行阈值处理、二值化和三幅图像相乘处理，使得得到的焊接图像中飞溅和弧光噪声大大减小，使得图像纯净度变高。将得到的图像进行高斯核相关算法处理，首先以初始的特征点为中心提取正样本，并在其周围提取负样本来进行样本训练，并通过循环矩阵来实现样本之间的转换。为了简化计算，引入高斯核函数将特征空间映射到更高维空间。通过傅里叶逆变换计算出新的一帧图像中特征点的坐标值。嵌入式工业控制器将得到的偏差值通过TwinCAT实时内核发送给伺服启动器。伺服驱动器给伺服电机发送一系列的脉冲，伺服电机通过弹性联轴器带动三坐标直角机器人运动，固定在三坐标直角机器人Z轴末端上的焊枪便会运动到焊缝中心点完成整个自动焊接过程。
[0044] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本方明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
