本發明涉及機器人材料處理，且更特別地涉及用于監測機器人處理工具相對于被安裝成鄰近所述機器人處理工具的追蹤攝像機的位置的測距儀裝置及方法。所述機器人處理工具特別可以是焊接炬，且所述追蹤攝像機特別地可以是焊接接頭追蹤攝像機。
背景技術：
焊接接頭追蹤激光攝像機通常被設計成具有三角激光器，該三角激光器前視在焊接炬前面的固定距離處。這些攝像機有時候配備有額外的二維(2d)視頻彩色攝像機，該二維視頻彩色攝像機與三角激光器一同位于攝像機的正面，并與該三角激光器察看相同的區域。這些追蹤激光攝像機無法監測焊接炬尖端的區域或無法監測焊接炬相對于追蹤攝像機和焊接接頭的位置。焊接炬與工件或附近結構的偶然碰撞可引起焊接炬的永久變形以及焊接炬相對于激光攝像機的位移，從而破壞機器人tcp(工具中心點)的初始校準。此相對位移若未經檢測及修正，可導致焊接接頭的追蹤失誤并導致焊接缺陷。此類位移或永久變形甚至仍會發生在配備有如專利us6,346,751(delfino等人)中所述的防撞安全工具架的機器人上。us5,329,092(weaver等人)提出相對于焊接機器人安裝在固定位置的對準校準塊。該塊具有v形凹槽，焊條被規劃成定期地進入該v形凹槽。若焊條接觸到校準塊的側壁，則檢測到焊條的未對準。每當需要對準檢查時，機器人的工作操作就必須停止，且炬尖端朝向校準塊的位移占用了時間及空間。
技術實現要素：
根據本發明的一個方面，提供了一種用于監測機器人處理工具相對于被安裝成鄰近所述機器人處理工具的追蹤裝置的位置的測距儀裝置，所述測距儀裝置包括：
主體，其能夠附接至所述追蹤裝置；
激光器單元，其由所述主體支撐，所述激光器單元具有激光器及操作性投影結構，所述操作性投影結構用于在所述機器人處理工具的預定目標區域上投影三角激光標記；
攝像機單元，其由所述主體支撐，所述攝像機單元具有圖像傳感器及光學觀看結構，使得所述機器人處理工具的所述目標區域上的所述三角激光標記、所述機器人處理工具的工具中心點以及處理區域均處于所述攝像機單元的視野中；以及
控制單元，其連接至所述激光器單元及所述攝像機單元，所述控制單元具有：
激光器控制電路，其用于控制所述激光器單元的操作；及
圖像分析儀電路，其用于接收由所述攝像機單元的所述圖像傳感器產生的圖像信號，根據所述圖像信號中的所述三角激光標記產生三角激光測量數據，產生作為所述三角激光測量數據的函數的用于指示所述機器人處理工具的位置的信號，并傳輸由所述攝像機單元產生的所述圖像信號。
根據本發明的另一方面，提供了一種用于監測機器人處理工具相對于被安裝成鄰近所述機器人處理工具的追蹤裝置的位置的方法，所述方法包括以下步驟：
將測距儀裝置附接至所述追蹤裝置，所述測距儀裝置包括：激光器單元，其具有激光器及操作性投影結構，所述操作性投影結構用于投影三角激光標記；攝像機單元，其具有圖像傳感器及光學觀看結構；及控制單元，其連接至所述激光器單元及所述攝像機單元；
定位所述激光器單元，使得所述三角激光標記能夠被投影在所述機器人處理工具的預定目標區域上；
定位所述攝像機單元，使得所述三角激光標記、所述機器人處理工具的工具中心點及處理區域均處于所述攝像機單元的視野中；
控制所述激光器單元的操作，使得所述三角激光標記被投影在所述機器人處理工具的所述預定目標區域上；
接收由所述攝像機單元的所述圖像傳感器產生的圖像信號；
根據所述圖像信號中的所述三角激光標記產生三角激光測量數據；
產生作為所述三角激光測量數據的函數的用于指示所述機器人處理工具的位置的信號；及
傳輸由所述攝像機單元產生的所述圖像信號，由此利用所述圖像信號及用于指示所述機器人處理工具的位置的所述信號來監測所述機器人處理工具的位置。
附圖說明
將在下面在本文中參照下列附圖給出優選實施例的詳細說明。
圖1為圖示根據本發明的實施例的機器人焊接炬和具有測距儀裝置的焊接接頭追蹤攝像機的立體示意圖。
圖2為圖示根據本發明的實施例的機器人焊接炬和具有測距儀裝置的焊接接頭追蹤攝像機的側視立面示意圖。
圖3為圖示根據本發明的實施例的測距儀裝置的橫剖面示意圖。
圖4為圖示根據本發明的實施例的測距儀裝置的立體示意圖。
圖5為根據本發明的實施例的測距儀裝置的前視示意圖。
圖6為根據本發明的實施例的測距儀裝置的示意方塊圖。
圖7為圖示根據本發明的實施例的具有三角激光標記的目標方塊的圖像的示意圖。
圖8為圖示根據本發明的實施例的三角激光測量數據的曲線圖。
圖9為圖示根據本發明的實施例的測距儀裝置的校準序列的流程圖。
圖10圖示根據本發明的實施例的測距儀裝置的操作模式的流程圖。
具體實施方式
參照圖1及圖2，所顯示的是機器人焊接炬2(例如，氣體保護金屬極電弧焊接(gasmetalarcwelding,gmaw)炬)的典型構置，機器人焊接炬2被附接至機器人腕4，并具有焊接接頭追蹤攝像機6，其中焊接接頭 追蹤攝像機6例如經由安裝架組合件(mountingbracketassembly)8被安裝成鄰近機器人焊接炬2，安裝架組合件8通過機械耦合及夾具10被附接至機器人腕4。焊接接頭追蹤攝像機6被配置為例如使用以一個角度投影至工件16上的激光線14以及由焊接接頭追蹤攝像機6拍攝的圖像的適當三角分析在機器人焊接炬2前面以固定的前視距離(look-aheaddistance)追蹤焊接接頭12(如圖1中所示)。
雖然本發明的下列說明是參照具有機器人焊接炬及焊接接頭追蹤攝像機的焊接技術而給出的，須了解其他材料處理技術亦打算歸入本發明。密封劑槍、切割或加工工具為可用來取代焊接炬的機器人處理工具的示例。同樣地，也可使用追蹤裝置來取代焊接接頭追蹤攝像機，該追蹤裝置追蹤邊緣或另一可追蹤組件，以用于導引機器人處理工具的位移。
根據本發明的實施例，焊接接頭追蹤攝像機6具有測距儀裝置18，以用于監測機器人焊接炬2相對于焊接接頭追蹤攝像機6的位置。
參照圖3，測距儀裝置18具有主體20，主體20可被附接至焊接接頭追蹤攝像機6(例如，如圖1中所示)。激光器單元22由主體20支撐。激光器單元22具有激光器24及操作性投影結構26(例如，線透鏡(linelens))，操作性投影結構26將激光點轉換為激光線，以用于將三角激光標記28投影在機器人焊接炬2的預定目標區域上(例如，如圖1中所示)。攝像機單元30由主體20支撐。攝像機單元30具有圖像傳感器32及光學觀看結構34，以便可通過圖像觀測器32來觀看機器人焊接炬2的目標區域上的三角激光標記28、機器人焊接炬2的工具中心點(tcp)36、及焊接區域38(如圖1中所示)。
參照圖6，控制單元40連接至激光器單元22及攝像機單元30。控制單元40具有激光器控制電路，以用于控制激光器單元22的操作。控制單元40還具有圖像分析儀電路，以用于接收由攝像機單元30的圖像傳感器32產生的圖像信號，根據例如圖7中所示的圖像信號中的三角激光標記28來產生三角激光測量數據，產生作為三角激光測量數據的函數的用于指示機器人焊接炬2(例如，如圖1中所示)的位置的信號，并通過例如視頻輸出連接器58傳輸由攝像機單元30產生的圖像信號。激光器控制電路及圖像分析儀電路可通過與處理單元(cpu)44連接的現場可 編程門陣列(fpga)42來實施，處理單元44具有處理器46及存儲器48(或者若有必要，則具有多個處理器及多個存儲器模塊)，原因在于此類組件是高度可配置的并且可用于執行各種功能。然而，須了解的是，若有必要，例如可以通過使用微控制器或由離散的電氣及電子組件制成的電路按照不同的方式來實施激光器控制電路。
參照圖3、圖4及圖5，主體20優選地具有安裝組合件(例如，銷及螺栓50)，以用于在焊接接頭追蹤攝像機6的面向機器人焊接炬2(如圖1及2中所示)的一側52上安裝主體20。安裝組合件使主體20的傾斜角度被調整成追蹤攝像機6相對于焊接炬2的傾斜角度，使得激光器單元22及攝像機單元30被定向及定位，以在測距儀裝置18被安裝在追蹤攝像機6上時固定炬角度及前視距離(lad)。這可以通過下列方式來實現：使主體20在追蹤攝像機6的為此目的具有適當的安裝角度的一側上具有安裝表面；或使追蹤攝像機6具有用于測距儀裝置18的容納表面(accommodatingsurface)。根據需要，安裝組合件可以是可調整的，以調整測距儀裝置18相對于追蹤攝像機6的角度。安裝組合件優選地應當是氣密的，以防止可能的煙氣進入。
再次參照圖1及圖2，機器人焊接炬2的目標區域優選地具有目標54，目標54在機器人焊接炬2的面向焊接接頭追蹤攝像機6的前側上延伸。目標54可以是被雕刻在機器人焊接炬2的前側上的標記(圖中未顯示)或通過適當的托架結構55被附接至機器人焊接炬2并具有優選地針對三角經過良好調整的形狀的塊。如圖1及圖2中所示，該形狀可有利地對應于從機器人焊接炬2朝向焊接接頭追蹤攝像機6投影的三角形狀。此類目標組件改善三角測量的精確度，例如，在炬主體的xyz位置的情況下優于0.2mm。所述塊可有利地由經過硬質陽極化處理的鋁、黃銅、或其他具有優良的焊濺物耐受性的材料制成。
再次參照圖6，存儲器48可以被圖像分析儀電路使用，以用于儲存機器人焊接炬2(例如，如圖1中所示)的參考位置數據。連接至存儲器48的處理器46可被配置成對用于指示機器人焊接炬2的位置的信號與參考位置數據進行比較，并在檢測到用于指示機器人焊接炬2的位置的信號與參考位置數據之間的差值超過預設的位移閾值時產生警告信號。根 據需要，所檢測到的位置差值、警告數據以及時間戳可被儲存在存儲器48中。警告信號可通過連接器56進行外部傳輸。替換地或額外地，警告信號可采取下列形式：由揚聲器(未圖示)輸出的可聽聲音，或由光指示器(未圖示)輸出的可視信號。處理器46可被配置成在產生警告信號時在存儲器48中儲存來自由攝像機單元30的圖像傳感器32產生的圖像信號的圖像。圖像可通過例如位于同軸線路49的端部處的視頻輸出連接器58進行外部傳輸，以供操作者例如在平板或顯示屏幕(未圖示)上觀看。控制單元40可具有無線通信模塊(未圖示)，以用于在需要時與外部裝置(未圖示)通信，例如，m2mlot(機器對機器物聯網)。連接器56可用于例如通過控制線路43及以太網絡線路45與控制單元40通信，并用于例如通過供電線路47提供電力供應。
存儲器48可用于儲存焊接炬識別數據及相應的焊接炬配置數據。于是，處理器46可被配置成具有如下功能：根據在由攝像機單元30的圖像傳感器32產生的圖像信號中檢測到的識別標記來檢測機器人焊接炬2(如圖1中所示)的識別符(例如，條形碼)；以及從存儲器48檢索相應的焊接炬配置數據，以用于產生三角激光測量數據。如圖1中所示，圖像信號中的識別標記可例如源自于被附接至機器人焊接炬2的id標簽60。可選地，機器人焊接炬2及測距儀裝置18兩者可配備有iot通信。
由激光器單元22投影的三角激光標記28(例如，如圖1中所示)可由平行線或交叉線組成，以改善三角測量精準度。攝像機單元30可具有傳感器接口板170，以用于預處理圖像信號。攝像機單元30優選地具有自動對焦裝置以及可由控制單元40控制的可調整感興趣區域。攝像機單元30優選地具有在圖像傳感器32前面延伸的快門71，如圖3中所示，快門71可通過控制單元40進行操作。快門71可有利地是液晶顯示器(lcd)快門，在焊接期間啟動以切割來自到達圖像傳感器32上的焊接電弧的強輻射。
處理器46優選地被配置成通過從攝像機單元30接收的圖像信號的圖像分析來計算tcp的位置。此tcp位置可用于定義坐標系統的原點。
參照圖7及圖8，圖像分析儀電路可被配置成檢測圖像信號中的強度峰值以及由三角激光標記28在機器人焊接炬2(例如，如圖1中所示) 上的投影產生的分段三角激光標記28中的兩個折點68、70。可通過調整多項式校準參數來判定機器人焊接炬2的作為兩個折點68、70之間的距離的函數的位置。圖8顯示攝像機單元30所觀看的輪廓的示例。
參照圖4及圖5，測距儀裝置18優選地可進一步具有發光二極管(led)62，各發光二極管(led)62由主體20支撐，并被定向以照亮圖像傳感器32(如圖3中所示)所觀看的場景。
再次參照圖3，測距儀裝置18優選地具有：投影窗64，其在激光器單元22及攝像機單元30的前面延伸；及空氣噴射結構66，其在投影窗64的外側上延伸，如圖5中所示。投影窗64隔離激光器單元22及攝像機單元30的固定的投影透鏡27、33。于是，測距儀裝置18的所有光學孔徑均被投影窗64冷卻且受到保護以免于污染物質及煙氣，投影窗64被設計成具有位于孔徑區域四周的集成空氣噴射結構66。
參照圖9，該圖顯示用于測距儀裝置18(例如，如圖1中所示)的可能的自動自校準序列。最初，如方塊72所描述，將測距儀裝置18作為焊接接頭追蹤攝像機6的整體部件或單獨部件附接至焊接接頭追蹤攝像機6。激光器單元22應被定位成使得三角激光標記28可投影在機器人焊接炬2的目標區域上。如方塊74所描述，攝像機單元30應被定位成使得三角激光標記28、機器人焊接炬2的工具中心點36、及焊接區域38均可由圖像傳感器32觀看。接著開始校準。如方塊76所描述，構置(setup)的特征及參數被確認，以判定/檢查焊接接頭追蹤攝像機6的前視距離(lad)、其角度等。如方塊78所描述，激光器單元22的操作被控制成使得三角激光標記28投影在機器人焊接炬2的目標區域上，且攝像機單元30的視野覆蓋至少目標區域，以用于執行校準。在實施例中，如圖2中的虛線所顯示，攝像機單元30的視野具有錐體形狀57，所述形狀從攝像機單元30開始展開(雖然以2d顯示，但須了解的是，錐體形狀具有3d體積)。如方塊80所描述，針對串流(steaming)及檢查兩種模式來調整攝像機單元30的聚焦區域。如方塊82所描述，例如操作者通過與測距儀裝置18的控制單元40連接的平板或個人計算機(pc)(未圖示)輸入構置的參數(例如，攝像機相對于炬軸的角度、追蹤激光線的前視距離、炬目標位置的容差、在焊接序列期間或之間用于炬目標位置監測且亦用 于焊接接點監測的圖像傳感器32的感興趣區域)，并開始校準序列。攝像機單元30可通過讀取炬主體上的炬id標簽60來自動地輸入參數，且可從控制單元40的存儲器48中的數據庫檢索參數數據。如方塊84所描述，可通過打開發光二極管(led)62及激光器24并通過攝像機單元30獲取目標54上的三角激光標記28的圖像來開始校準序列。如方塊86所描述，被編程在控制單元40中的視覺算法接著例如通過強度峰值及分段三角激光標記28的兩個折點68、70來判定三角激光標記28的位置。折點68、70之間的距離取決于三角激光標記28在目標上的位置。如方塊88所描述，控制單元40判定目標的2d圖像上的位置、其外觀尺寸、及三角激光標記28在目標上的位置。如方塊90所描述，根據目標的實際尺寸，通過調整多項式校準參數來校準如方塊88所描述的在目標三角激光標記28上測量的兩個折點68、70之間的距離。如方塊92所描述，因而在機器人焊接炬2的參考坐標系中使用兩個折點68、70的位置來判定機器人焊接炬2的標準xyz位置，并完成校準。如圖7中所示，折點68、70的垂直位置提供沿x軸的位移測量，折點68、70的水平位置提供沿y軸的位移測量，而折點68、70之間的距離提供沿z軸的位移測量。還計算位置的變動并將其儲存在存儲器48中。控制單元40可被配置成遵循用于定義何時應執行校準檢查的校準檢查例程。在另一實施例中，可通過交叉線激光來測量炬位置，交叉線激光找出炬主體的y中心及被雕刻在炬主體表面上的交叉線的xz位置。
參照圖10，該圖顯示測距儀裝置18的可能的標準操作處理。如方塊94所描述，在焊接序列之前，攝像機單元30被置于串流模式中。可例如通過視頻輸出連接器58(如圖6中所示)將實時視頻(real-timevideo)傳輸至操作者的顯示器(未圖示)。控制單元40計算圖像的平均像素強度。當其超過預設的閾值時，啟動液晶顯示器(lcd)快門71，并檢測到焊接開始。如方塊96所描述，這可對應于焊接處理的開始，在如方塊98所描述的自動檢測步驟中，lcd快門71被打開，且發光二極管(led)62被關掉，而在如方塊100所描述的另一自動檢測步驟中，基于攝像機單元30拍攝的圖像的平均像素強度檢測焊接停止，在這種情況下，液晶顯示器(lcd)快門71被關掉，且發光二極管(led)62被打開。如方塊102所描述，存儲器48可用于2d視頻儲存。如方塊104所描述，控制單元 40等待例如如方塊106所描述的由機器人或操作者提出的位置檢查請求。如方塊108所描述，在接收到此請求時，攝像機單元30停止串流并切換成炬位置檢查模式。如方塊110所描述，控制單元40改變圖像傳感器32的聚焦參數、點亮激光器單元22、以及獲取2d圖像。如方塊112所描述，控制單元40接著在如上述的校準序列中計算炬xyz位置，并在記錄文件中儲存其值。如方塊114所描述，控制單元40比較最后測量的位置與初始位置。如方塊116所描述,若這些位置之間的差值在預設限值內，則焊接作業可繼續。若否，則如方塊118所描述，產生警告信號以警告操作者，并可由操作者停止焊接作業。可由控制單元40或可選地由操作者傳送命令，以驗證目標校準。若檢測到炬未對準，則要求改正動作。若否，則攝像機單元30返回串流模式，準備好焊接。在另一實施例中，僅可在檢查模式中通過圖像傳感器32在焊接序列之間測量炬位置。
再次參照圖1，測距儀裝置18因而允許相對焊接炬位置的在線監測，并允許檢測可由與工件16或另一組件的碰撞導致的機器人焊接炬2相對于焊接接頭追蹤攝像機6的任何意外位移。測距儀裝置18的背側定位允許更佳地觀看tcp-焊接池區域，并可通過接頭追蹤及焊接完全執行從部件及接頭位置朝著機器化或機器人化焊接程序的完全自動化提供有關炬識別、電弧時間追蹤、定時器功能、以及焊接處理協助的信息。根據需要，測距儀裝置18可附接至追蹤攝像機6的其他位置或側。測距儀裝置18可用于監測其他機器人工具(例如，密封劑槍、切割或加工工具等)的需要精確定位的部分。測距儀裝置18容許機器人焊接炬2在機器人腕4上的弱剛性安裝，以防止炬或機器人由于碰撞而損壞。攝像機6的前表面可制作得較小，并對焊接炬2造成較小的阻礙。根據攝像機6的型號，控制單元40(如圖6中所示)可被實施在攝像機6的控制單元中。優選地，測距儀裝置18位于攝像機6的上部部分上，以便更遠離焊接區域并較少曝露至焊接的焊濺物、熱及煙氣。根據需要，測距儀裝置18可通過安裝架組合件8附接至追蹤攝像機6。可在附接至機器人焊接炬2的目標54或炬主體上的參考標記的幫助下測量準確的相對xyz炬位置。可在焊接期間或在焊接序列之間監測炬位置。當檢測到位移大于預設閾值時，可顯示、記錄警告信號并將其傳送至焊接操作者。三角形目標54的設計適合許多類型的焊接炬，且還產生高的xyz分辨率。在另一實施例中， 雙線三角激光器單元22可用來在被雕刻于炬主體上的簡單交叉線的幫助下直接測量圓柱狀炬主體的位置。
操作者可隨時在視頻監測器(未圖示)上遠程觀看2d焊接接頭追蹤攝像機6和攝像機單元30的視野以用于處理管理，并驗證由追蹤激光找到的追蹤點如接頭上的焊接炬尖端和焊條尖端的位置所見般地被請求。操作者還可在焊接期間監測電弧光、炬尖端周圍的煙氣及焊濺物。在警告信號之后，操作者可查看檢測到炬位移時所取得的2d圖像、查看此圖像的感興趣區域、攝像機單元30獲取的三角輪廓、此時的炬位置、及其之前的時間演化。還可在無激光三角的情況下直接在2d圖像上檢測圓柱狀炬尖端中心與焊接接頭的較大偏離。
在實施例中，追蹤攝像機6被設計成例如使用背側(或其他側)安裝結構及集成的接口連接器來容納測距儀裝置18，該安裝結構具有用于螺栓50(例如，如圖5中所示)的螺紋孔)，使得可針對其操作與測距儀裝置18共享攝像機6的內置的控制單元。
再次參照圖6，例如，控制單元40可被配置成具有各種操作模式，使得圖像傳感器32獲取其上具有激光線的目標54(例如，如圖1中所示)的連續圖像以及焊接炬2前面的焊接接頭的可見場景的連續圖像。視覺算法可被實施在cpu44或fpga42中。cpu44可用于執行用于用戶校準(處理、圖形界面、參數輸入、攝像機6的β角(betaangle)、lad等)的代碼，提供圖形用戶界面(gui)使得用戶可定義用于聚焦的感興趣區域(即，用于測量目標54的區域以及用于監測的另一區域)，提供用于觀看結果的界面、串流器/保存視頻、輸入容差、發生移動情況下的響應管理、執行分析以及自動啟動液晶顯示器(lcd)快門71。通用校準多項式可硬碼化在控制單元40中。由攝像機單元30獲取的圖像可用于計算像素間距離(目標54具有預先定義的寬度/高度)，且通用多項式可作為像素間距離的函數而改變。
圖像傳感器32可有利地是互補性氧化金屬半導體(cmos，complementarymetal-oxidesemiconductor)彩色傳感器，以用于炬位置的三角測量并用于焊接區域的彩色視頻，板170則是cmos接口板。濾光片可通過lcd快門71來實施，以允許在焊接及無焊接的情況下的焊接 區域的三角測量及2d彩色視頻。
發光二極管(led)62及lcd快門71可通過與控制單元40的fpga42連接的驅動器41來操作。
雖然已在附圖中圖示并在上文中描述了本發明的實施例，但是對所屬技術領域的普通技術人員而言明顯的是，在不偏離本發明的情況下可作出各種修改。