本发明涉及机器人材料处理，且更特别地涉及用于监测机器人处理工具相对于被安装成邻近所述机器人处理工具的追踪摄像机的位置的测距仪装置及方法。所述机器人处理工具特别可以是焊接炬，且所述追踪摄像机特别地可以是焊接接头追踪摄像机。
背景技术：
焊接接头追踪激光摄像机通常被设计成具有三角激光器，该三角激光器前视在焊接炬前面的固定距离处。这些摄像机有时候配备有额外的二维(2d)视频彩色摄像机，该二维视频彩色摄像机与三角激光器一同位于摄像机的正面，并与该三角激光器察看相同的区域。这些追踪激光摄像机无法监测焊接炬尖端的区域或无法监测焊接炬相对于追踪摄像机和焊接接头的位置。焊接炬与工件或附近结构的偶然碰撞可引起焊接炬的永久变形以及焊接炬相对于激光摄像机的位移，从而破坏机器人tcp(工具中心点)的初始校准。此相对位移若未经检测及修正，可导致焊接接头的追踪失误并导致焊接缺陷。此类位移或永久变形甚至仍会发生在配备有如专利us6,346,751(delfino等人)中所述的防撞安全工具架的机器人上。us5,329,092(weaver等人)提出相对于焊接机器人安装在固定位置的对准校准块。该块具有v形凹槽，焊条被规划成定期地进入该v形凹槽。若焊条接触到校准块的侧壁，则检测到焊条的未对准。每当需要对准检查时，机器人的工作操作就必须停止，且炬尖端朝向校准块的位移占用了时间及空间。
技术实现要素：
根据本发明的一个方面，提供了一种用于监测机器人处理工具相对于被安装成邻近所述机器人处理工具的追踪装置的位置的测距仪装置，所述测距仪装置包括：
主体，其能够附接至所述追踪装置；
激光器单元，其由所述主体支撑，所述激光器单元具有激光器及操作性投影结构，所述操作性投影结构用于在所述机器人处理工具的预定目标区域上投影三角激光标记；
摄像机单元，其由所述主体支撑，所述摄像机单元具有图像传感器及光学观看结构，使得所述机器人处理工具的所述目标区域上的所述三角激光标记、所述机器人处理工具的工具中心点以及处理区域均处于所述摄像机单元的视野中；以及
控制单元，其连接至所述激光器单元及所述摄像机单元，所述控制单元具有：
激光器控制电路，其用于控制所述激光器单元的操作；及
图像分析仪电路，其用于接收由所述摄像机单元的所述图像传感器产生的图像信号，根据所述图像信号中的所述三角激光标记产生三角激光测量数据，产生作为所述三角激光测量数据的函数的用于指示所述机器人处理工具的位置的信号，并传输由所述摄像机单元产生的所述图像信号。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于监测机器人处理工具相对于被安装成邻近所述机器人处理工具的追踪装置的位置的方法，所述方法包括以下步骤：
将测距仪装置附接至所述追踪装置，所述测距仪装置包括：激光器单元，其具有激光器及操作性投影结构，所述操作性投影结构用于投影三角激光标记；摄像机单元，其具有图像传感器及光学观看结构；及控制单元，其连接至所述激光器单元及所述摄像机单元；
定位所述激光器单元，使得所述三角激光标记能够被投影在所述机器人处理工具的预定目标区域上；
定位所述摄像机单元，使得所述三角激光标记、所述机器人处理工具的工具中心点及处理区域均处于所述摄像机单元的视野中；
控制所述激光器单元的操作，使得所述三角激光标记被投影在所述机器人处理工具的所述预定目标区域上；
接收由所述摄像机单元的所述图像传感器产生的图像信号；
根据所述图像信号中的所述三角激光标记产生三角激光测量数据；
产生作为所述三角激光测量数据的函数的用于指示所述机器人处理工具的位置的信号；及
传输由所述摄像机单元产生的所述图像信号，由此利用所述图像信号及用于指示所述机器人处理工具的位置的所述信号来监测所述机器人处理工具的位置。
附图说明
将在下面在本文中参照下列附图给出优选实施例的详细说明。
图1为图示根据本发明的实施例的机器人焊接炬和具有测距仪装置的焊接接头追踪摄像机的立体示意图。
图2为图示根据本发明的实施例的机器人焊接炬和具有测距仪装置的焊接接头追踪摄像机的侧视立面示意图。
图3为图示根据本发明的实施例的测距仪装置的横剖面示意图。
图4为图示根据本发明的实施例的测距仪装置的立体示意图。
图5为根据本发明的实施例的测距仪装置的前视示意图。
图6为根据本发明的实施例的测距仪装置的示意方块图。
图7为图示根据本发明的实施例的具有三角激光标记的目标方块的图像的示意图。
图8为图示根据本发明的实施例的三角激光测量数据的曲线图。
图9为图示根据本发明的实施例的测距仪装置的校准序列的流程图。
图10图示根据本发明的实施例的测距仪装置的操作模式的流程图。
具体实施方式
参照图1及图2，所显示的是机器人焊接炬2(例如，气体保护金属极电弧焊接(gasmetalarcwelding,gmaw)炬)的典型构置，机器人焊接炬2被附接至机器人腕4，并具有焊接接头追踪摄像机6，其中焊接接头 追踪摄像机6例如经由安装架组合件(mountingbracketassembly)8被安装成邻近机器人焊接炬2，安装架组合件8通过机械耦合及夹具10被附接至机器人腕4。焊接接头追踪摄像机6被配置为例如使用以一个角度投影至工件16上的激光线14以及由焊接接头追踪摄像机6拍摄的图像的适当三角分析在机器人焊接炬2前面以固定的前视距离(look-aheaddistance)追踪焊接接头12(如图1中所示)。
虽然本发明的下列说明是参照具有机器人焊接炬及焊接接头追踪摄像机的焊接技术而给出的，须了解其他材料处理技术亦打算归入本发明。密封剂枪、切割或加工工具为可用来取代焊接炬的机器人处理工具的示例。同样地，也可使用追踪装置来取代焊接接头追踪摄像机，该追踪装置追踪边缘或另一可追踪组件，以用于导引机器人处理工具的位移。
根据本发明的实施例，焊接接头追踪摄像机6具有测距仪装置18，以用于监测机器人焊接炬2相对于焊接接头追踪摄像机6的位置。
参照图3，测距仪装置18具有主体20，主体20可被附接至焊接接头追踪摄像机6(例如，如图1中所示)。激光器单元22由主体20支撑。激光器单元22具有激光器24及操作性投影结构26(例如，线透镜(linelens))，操作性投影结构26将激光点转换为激光线，以用于将三角激光标记28投影在机器人焊接炬2的预定目标区域上(例如，如图1中所示)。摄像机单元30由主体20支撑。摄像机单元30具有图像传感器32及光学观看结构34，以便可通过图像观测器32来观看机器人焊接炬2的目标区域上的三角激光标记28、机器人焊接炬2的工具中心点(tcp)36、及焊接区域38(如图1中所示)。
参照图6，控制单元40连接至激光器单元22及摄像机单元30。控制单元40具有激光器控制电路，以用于控制激光器单元22的操作。控制单元40还具有图像分析仪电路，以用于接收由摄像机单元30的图像传感器32产生的图像信号，根据例如图7中所示的图像信号中的三角激光标记28来产生三角激光测量数据，产生作为三角激光测量数据的函数的用于指示机器人焊接炬2(例如，如图1中所示)的位置的信号，并通过例如视频输出连接器58传输由摄像机单元30产生的图像信号。激光器控制电路及图像分析仪电路可通过与处理单元(cpu)44连接的现场可 编程门阵列(fpga)42来实施，处理单元44具有处理器46及存储器48(或者若有必要，则具有多个处理器及多个存储器模块)，原因在于此类组件是高度可配置的并且可用于执行各种功能。然而，须了解的是，若有必要，例如可以通过使用微控制器或由离散的电气及电子组件制成的电路按照不同的方式来实施激光器控制电路。
参照图3、图4及图5，主体20优选地具有安装组合件(例如，销及螺栓50)，以用于在焊接接头追踪摄像机6的面向机器人焊接炬2(如图1及2中所示)的一侧52上安装主体20。安装组合件使主体20的倾斜角度被调整成追踪摄像机6相对于焊接炬2的倾斜角度，使得激光器单元22及摄像机单元30被定向及定位，以在测距仪装置18被安装在追踪摄像机6上时固定炬角度及前视距离(lad)。这可以通过下列方式来实现：使主体20在追踪摄像机6的为此目的具有适当的安装角度的一侧上具有安装表面；或使追踪摄像机6具有用于测距仪装置18的容纳表面(accommodatingsurface)。根据需要，安装组合件可以是可调整的，以调整测距仪装置18相对于追踪摄像机6的角度。安装组合件优选地应当是气密的，以防止可能的烟气进入。
再次参照图1及图2，机器人焊接炬2的目标区域优选地具有目标54，目标54在机器人焊接炬2的面向焊接接头追踪摄像机6的前侧上延伸。目标54可以是被雕刻在机器人焊接炬2的前侧上的标记(图中未显示)或通过适当的托架结构55被附接至机器人焊接炬2并具有优选地针对三角经过良好调整的形状的块。如图1及图2中所示，该形状可有利地对应于从机器人焊接炬2朝向焊接接头追踪摄像机6投影的三角形状。此类目标组件改善三角测量的精确度，例如，在炬主体的xyz位置的情况下优于0.2mm。所述块可有利地由经过硬质阳极化处理的铝、黄铜、或其他具有优良的焊溅物耐受性的材料制成。
再次参照图6，存储器48可以被图像分析仪电路使用，以用于储存机器人焊接炬2(例如，如图1中所示)的参考位置数据。连接至存储器48的处理器46可被配置成对用于指示机器人焊接炬2的位置的信号与参考位置数据进行比较，并在检测到用于指示机器人焊接炬2的位置的信号与参考位置数据之间的差值超过预设的位移阈值时产生警告信号。根 据需要，所检测到的位置差值、警告数据以及时间戳可被储存在存储器48中。警告信号可通过连接器56进行外部传输。替换地或额外地，警告信号可采取下列形式：由扬声器(未图示)输出的可听声音，或由光指示器(未图示)输出的可视信号。处理器46可被配置成在产生警告信号时在存储器48中储存来自由摄像机单元30的图像传感器32产生的图像信号的图像。图像可通过例如位于同轴线路49的端部处的视频输出连接器58进行外部传输，以供操作者例如在平板或显示屏幕(未图示)上观看。控制单元40可具有无线通信模块(未图示)，以用于在需要时与外部装置(未图示)通信，例如，m2mlot(机器对机器物联网)。连接器56可用于例如通过控制线路43及以太网络线路45与控制单元40通信，并用于例如通过供电线路47提供电力供应。
存储器48可用于储存焊接炬识别数据及相应的焊接炬配置数据。于是，处理器46可被配置成具有如下功能：根据在由摄像机单元30的图像传感器32产生的图像信号中检测到的识别标记来检测机器人焊接炬2(如图1中所示)的识别符(例如，条形码)；以及从存储器48检索相应的焊接炬配置数据，以用于产生三角激光测量数据。如图1中所示，图像信号中的识别标记可例如源自于被附接至机器人焊接炬2的id标签60。可选地，机器人焊接炬2及测距仪装置18两者可配备有iot通信。
由激光器单元22投影的三角激光标记28(例如，如图1中所示)可由平行线或交叉线组成，以改善三角测量精准度。摄像机单元30可具有传感器接口板170，以用于预处理图像信号。摄像机单元30优选地具有自动对焦装置以及可由控制单元40控制的可调整感兴趣区域。摄像机单元30优选地具有在图像传感器32前面延伸的快门71，如图3中所示，快门71可通过控制单元40进行操作。快门71可有利地是液晶显示器(lcd)快门，在焊接期间启动以切割来自到达图像传感器32上的焊接电弧的强辐射。
处理器46优选地被配置成通过从摄像机单元30接收的图像信号的图像分析来计算tcp的位置。此tcp位置可用于定义坐标系统的原点。
参照图7及图8，图像分析仪电路可被配置成检测图像信号中的强度峰值以及由三角激光标记28在机器人焊接炬2(例如，如图1中所示) 上的投影产生的分段三角激光标记28中的两个折点68、70。可通过调整多项式校准参数来判定机器人焊接炬2的作为两个折点68、70之间的距离的函数的位置。图8显示摄像机单元30所观看的轮廓的示例。
参照图4及图5，测距仪装置18优选地可进一步具有发光二极管(led)62，各发光二极管(led)62由主体20支撑，并被定向以照亮图像传感器32(如图3中所示)所观看的场景。
再次参照图3，测距仪装置18优选地具有：投影窗64，其在激光器单元22及摄像机单元30的前面延伸；及空气喷射结构66，其在投影窗64的外侧上延伸，如图5中所示。投影窗64隔离激光器单元22及摄像机单元30的固定的投影透镜27、33。于是，测距仪装置18的所有光学孔径均被投影窗64冷却且受到保护以免于污染物质及烟气，投影窗64被设计成具有位于孔径区域四周的集成空气喷射结构66。
参照图9，该图显示用于测距仪装置18(例如，如图1中所示)的可能的自动自校准序列。最初，如方块72所描述，将测距仪装置18作为焊接接头追踪摄像机6的整体部件或单独部件附接至焊接接头追踪摄像机6。激光器单元22应被定位成使得三角激光标记28可投影在机器人焊接炬2的目标区域上。如方块74所描述，摄像机单元30应被定位成使得三角激光标记28、机器人焊接炬2的工具中心点36、及焊接区域38均可由图像传感器32观看。接着开始校准。如方块76所描述，构置(setup)的特征及参数被确认，以判定/检查焊接接头追踪摄像机6的前视距离(lad)、其角度等。如方块78所描述，激光器单元22的操作被控制成使得三角激光标记28投影在机器人焊接炬2的目标区域上，且摄像机单元30的视野覆盖至少目标区域，以用于执行校准。在实施例中，如图2中的虚线所显示，摄像机单元30的视野具有锥体形状57，所述形状从摄像机单元30开始展开(虽然以2d显示，但须了解的是，锥体形状具有3d体积)。如方块80所描述，针对串流(steaming)及检查两种模式来调整摄像机单元30的聚焦区域。如方块82所描述，例如操作者通过与测距仪装置18的控制单元40连接的平板或个人计算机(pc)(未图示)输入构置的参数(例如，摄像机相对于炬轴的角度、追踪激光线的前视距离、炬目标位置的容差、在焊接序列期间或之间用于炬目标位置监测且亦用 于焊接接点监测的图像传感器32的感兴趣区域)，并开始校准序列。摄像机单元30可通过读取炬主体上的炬id标签60来自动地输入参数，且可从控制单元40的存储器48中的数据库检索参数数据。如方块84所描述，可通过打开发光二极管(led)62及激光器24并通过摄像机单元30获取目标54上的三角激光标记28的图像来开始校准序列。如方块86所描述，被编程在控制单元40中的视觉算法接着例如通过强度峰值及分段三角激光标记28的两个折点68、70来判定三角激光标记28的位置。折点68、70之间的距离取决于三角激光标记28在目标上的位置。如方块88所描述，控制单元40判定目标的2d图像上的位置、其外观尺寸、及三角激光标记28在目标上的位置。如方块90所描述，根据目标的实际尺寸，通过调整多项式校准参数来校准如方块88所描述的在目标三角激光标记28上测量的两个折点68、70之间的距离。如方块92所描述，因而在机器人焊接炬2的参考坐标系中使用两个折点68、70的位置来判定机器人焊接炬2的标准xyz位置，并完成校准。如图7中所示，折点68、70的垂直位置提供沿x轴的位移测量，折点68、70的水平位置提供沿y轴的位移测量，而折点68、70之间的距离提供沿z轴的位移测量。还计算位置的变动并将其储存在存储器48中。控制单元40可被配置成遵循用于定义何时应执行校准检查的校准检查例程。在另一实施例中，可通过交叉线激光来测量炬位置，交叉线激光找出炬主体的y中心及被雕刻在炬主体表面上的交叉线的xz位置。
参照图10，该图显示测距仪装置18的可能的标准操作处理。如方块94所描述，在焊接序列之前，摄像机单元30被置于串流模式中。可例如通过视频输出连接器58(如图6中所示)将实时视频(real-timevideo)传输至操作者的显示器(未图示)。控制单元40计算图像的平均像素强度。当其超过预设的阈值时，启动液晶显示器(lcd)快门71，并检测到焊接开始。如方块96所描述，这可对应于焊接处理的开始，在如方块98所描述的自动检测步骤中，lcd快门71被打开，且发光二极管(led)62被关掉，而在如方块100所描述的另一自动检测步骤中，基于摄像机单元30拍摄的图像的平均像素强度检测焊接停止，在这种情况下，液晶显示器(lcd)快门71被关掉，且发光二极管(led)62被打开。如方块102所描述，存储器48可用于2d视频储存。如方块104所描述，控制单元 40等待例如如方块106所描述的由机器人或操作者提出的位置检查请求。如方块108所描述，在接收到此请求时，摄像机单元30停止串流并切换成炬位置检查模式。如方块110所描述，控制单元40改变图像传感器32的聚焦参数、点亮激光器单元22、以及获取2d图像。如方块112所描述，控制单元40接着在如上述的校准序列中计算炬xyz位置，并在记录文件中储存其值。如方块114所描述，控制单元40比较最后测量的位置与初始位置。如方块116所描述,若这些位置之间的差值在预设限值内，则焊接作业可继续。若否，则如方块118所描述，产生警告信号以警告操作者，并可由操作者停止焊接作业。可由控制单元40或可选地由操作者传送命令，以验证目标校准。若检测到炬未对准，则要求改正动作。若否，则摄像机单元30返回串流模式，准备好焊接。在另一实施例中，仅可在检查模式中通过图像传感器32在焊接序列之间测量炬位置。
再次参照图1，测距仪装置18因而允许相对焊接炬位置的在线监测，并允许检测可由与工件16或另一组件的碰撞导致的机器人焊接炬2相对于焊接接头追踪摄像机6的任何意外位移。测距仪装置18的背侧定位允许更佳地观看tcp-焊接池区域，并可通过接头追踪及焊接完全执行从部件及接头位置朝着机器化或机器人化焊接程序的完全自动化提供有关炬识别、电弧时间追踪、定时器功能、以及焊接处理协助的信息。根据需要，测距仪装置18可附接至追踪摄像机6的其他位置或侧。测距仪装置18可用于监测其他机器人工具(例如，密封剂枪、切割或加工工具等)的需要精确定位的部分。测距仪装置18容许机器人焊接炬2在机器人腕4上的弱刚性安装，以防止炬或机器人由于碰撞而损坏。摄像机6的前表面可制作得较小，并对焊接炬2造成较小的阻碍。根据摄像机6的型号，控制单元40(如图6中所示)可被实施在摄像机6的控制单元中。优选地，测距仪装置18位于摄像机6的上部部分上，以便更远离焊接区域并较少曝露至焊接的焊溅物、热及烟气。根据需要，测距仪装置18可通过安装架组合件8附接至追踪摄像机6。可在附接至机器人焊接炬2的目标54或炬主体上的参考标记的帮助下测量准确的相对xyz炬位置。可在焊接期间或在焊接序列之间监测炬位置。当检测到位移大于预设阈值时，可显示、记录警告信号并将其传送至焊接操作者。三角形目标54的设计适合许多类型的焊接炬，且还产生高的xyz分辨率。在另一实施例中， 双线三角激光器单元22可用来在被雕刻于炬主体上的简单交叉线的帮助下直接测量圆柱状炬主体的位置。
操作者可随时在视频监测器(未图示)上远程观看2d焊接接头追踪摄像机6和摄像机单元30的视野以用于处理管理，并验证由追踪激光找到的追踪点如接头上的焊接炬尖端和焊条尖端的位置所见般地被请求。操作者还可在焊接期间监测电弧光、炬尖端周围的烟气及焊溅物。在警告信号之后，操作者可查看检测到炬位移时所取得的2d图像、查看此图像的感兴趣区域、摄像机单元30获取的三角轮廓、此时的炬位置、及其之前的时间演化。还可在无激光三角的情况下直接在2d图像上检测圆柱状炬尖端中心与焊接接头的较大偏离。
在实施例中，追踪摄像机6被设计成例如使用背侧(或其他侧)安装结构及集成的接口连接器来容纳测距仪装置18，该安装结构具有用于螺栓50(例如，如图5中所示)的螺纹孔)，使得可针对其操作与测距仪装置18共享摄像机6的内置的控制单元。
再次参照图6，例如，控制单元40可被配置成具有各种操作模式，使得图像传感器32获取其上具有激光线的目标54(例如，如图1中所示)的连续图像以及焊接炬2前面的焊接接头的可见场景的连续图像。视觉算法可被实施在cpu44或fpga42中。cpu44可用于执行用于用户校准(处理、图形界面、参数输入、摄像机6的β角(betaangle)、lad等)的代码，提供图形用户界面(gui)使得用户可定义用于聚焦的感兴趣区域(即，用于测量目标54的区域以及用于监测的另一区域)，提供用于观看结果的界面、串流器/保存视频、输入容差、发生移动情况下的响应管理、执行分析以及自动启动液晶显示器(lcd)快门71。通用校准多项式可硬码化在控制单元40中。由摄像机单元30获取的图像可用于计算像素间距离(目标54具有预先定义的宽度/高度)，且通用多项式可作为像素间距离的函数而改变。
图像传感器32可有利地是互补性氧化金属半导体(cmos，complementarymetal-oxidesemiconductor)彩色传感器，以用于炬位置的三角测量并用于焊接区域的彩色视频，板170则是cmos接口板。滤光片可通过lcd快门71来实施，以允许在焊接及无焊接的情况下的焊接 区域的三角测量及2d彩色视频。
发光二极管(led)62及lcd快门71可通过与控制单元40的fpga42连接的驱动器41来操作。
虽然已在附图中图示并在上文中描述了本发明的实施例，但是对所属技术领域的普通技术人员而言明显的是，在不偏离本发明的情况下可作出各种修改。