基于視覺(jué)的焊槍空間位姿實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)

郭吉昌，朱志明，孫博文

（清華大學(xué)機(jī)械工程系先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

0 前言

對(duì)于空間位置的金屬結(jié)構(gòu)件焊接，除了由焊接電流和電弧電壓決定的線能量外，焊槍相對(duì)于待焊點(diǎn)的空間位置和姿態(tài)（簡(jiǎn)稱位姿）對(duì)焊縫成形質(zhì)量具有重要影響。前者決定了被焊母材的熔化量和焊絲的熔敷量，后者決定了電弧力對(duì)熔池液態(tài)金屬的作用方向，與重力共同決定了熔池液態(tài)金屬的流動(dòng)行為，進(jìn)而影響焊縫成形。因此，根據(jù)焊接坡口（焊縫）的空間位置和走向，合理設(shè)置和控制焊槍相對(duì)于待焊點(diǎn)的空間位姿，對(duì)保證焊縫成形質(zhì)量至關(guān)重要。對(duì)于復(fù)雜多變的空間軌跡焊接，或者被焊母材焊接坡口存在加工和安裝誤差以及在焊接過(guò)程中因焊接熱輸入而產(chǎn)生局部變形時(shí)，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)和識(shí)別焊槍的空間位姿，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在線調(diào)整和控制的研究十分必要，具有重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。如何實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的焊槍空間位姿實(shí)時(shí)檢測(cè)和識(shí)別，并實(shí)現(xiàn)基于檢測(cè)數(shù)據(jù)和識(shí)別結(jié)果的焊槍空間位姿閉環(huán)控制，是焊接從業(yè)者一直以來(lái)的努力方向。

視覺(jué)傳感是焊接領(lǐng)域檢測(cè)和傳感技術(shù)的研究前沿以及未來(lái)的發(fā)展方向。其中，基于激光的掃描式和結(jié)構(gòu)光式視覺(jué)傳感器因具有良好的精度和抗干擾能力而得到廣泛應(yīng)用。掃描式激光視覺(jué)傳感器視場(chǎng)深度大，但檢測(cè)精度較低；受掃描速度影響，實(shí)時(shí)性也相對(duì)較差；在高精度控制或需要高頻調(diào)整的高速跟蹤場(chǎng)合以激光結(jié)構(gòu)光式視覺(jué)傳感器的應(yīng)用為主。根據(jù)視覺(jué)單元數(shù)量的不同，視覺(jué)傳感器可分為單目、雙目和多目視覺(jué)。根據(jù)傳感器光路結(jié)構(gòu)的不同，又可以分為直射-斜接收、斜射-直接收、斜射-斜接收3種結(jié)構(gòu)類型[1]。不同視覺(jué)單元數(shù)量和光路結(jié)構(gòu)的視覺(jué)傳感器各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合綜合考慮和選擇。

本文簡(jiǎn)要介紹了視覺(jué)傳感在焊接領(lǐng)域的典型研究和應(yīng)用，對(duì)目前焊槍空間位姿的檢測(cè)和控制方法進(jìn)行了歸納和深入分析，并介紹了提出的基于激光結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感的焊槍空間位姿檢測(cè)的最新研究成果和進(jìn)展，展望了可能應(yīng)用于焊接領(lǐng)域的視覺(jué)傳感器的潛在發(fā)展方向。梳理相關(guān)技術(shù)，以期為焊接過(guò)程的焊槍位姿實(shí)時(shí)檢測(cè)和識(shí)別研究提供參考和借鑒，為焊縫成形質(zhì)量控制提供有效方法和依據(jù)。

1 視覺(jué)傳感在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用

根據(jù)是否人為施加主動(dòng)光源，視覺(jué)傳感技術(shù)可分為主動(dòng)視覺(jué)和被動(dòng)視覺(jué)兩類。主動(dòng)視覺(jué)因所施加光源具有可控性，在圖像處理上相對(duì)更加簡(jiǎn)單和便捷，成為視覺(jué)傳感器研究和發(fā)展的主流。根據(jù)使用工況和檢測(cè)目標(biāo)的不同，主動(dòng)視覺(jué)所使用的激光結(jié)構(gòu)光有多種類型，如點(diǎn)陣、雙線、多線、圓形、網(wǎng)格和編碼結(jié)構(gòu)光等。視覺(jué)傳感器在焊接領(lǐng)域的研究和應(yīng)用主要集中在3個(gè)方面：焊接坡口檢測(cè)與焊縫跟蹤、熔池形貌檢測(cè)與焊縫熔透控制、在多層多道焊中用于輔助焊接軌跡規(guī)劃。

以視覺(jué)傳感器為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)焊接坡口檢測(cè)和焊縫跟蹤在焊接領(lǐng)域的研究和應(yīng)用最多，其技術(shù)關(guān)鍵在于快速穩(wěn)定的圖像處理算法和高精度、智能化的控制方法。劉習(xí)文[2]將VC++與MATLAB相結(jié)合，給出了一種高精度且抗干擾性較強(qiáng)的用于焊接坡口識(shí)別的圖像處理算法，整個(gè)過(guò)程耗時(shí)約0.23 s。MDinham等[3]采用基于eye-in-hand的雙目立體被動(dòng)視覺(jué)，實(shí)現(xiàn)了窄間隙電弧焊中曲線焊縫的自動(dòng)識(shí)別與定位，并給出了基于霍夫變換的圖像處理算法，其定位精度小于±1 mm。W Shao等[4]使用3個(gè)一字線激光器組合而成的平行結(jié)構(gòu)光方案（由2個(gè)紅光和1個(gè)綠光組成，綠光用于定位，紅光用于檢測(cè)和跟蹤），實(shí)現(xiàn)了空間曲面窄間隙激光焊接中的接頭檢測(cè)和焊縫跟蹤，接頭寬度的檢測(cè)誤差不大于0.1mm，焊接工件法線方向的角度誤差小于3°。Y Xu等[5-6]設(shè)計(jì)了一種新型的基于單目視覺(jué)的被動(dòng)視覺(jué)傳感器，通過(guò)對(duì)檢測(cè)圖像進(jìn)行分區(qū)域處理，可穩(wěn)定且高速地分別獲得焊絲位置、熔池中心、焊縫中心線等參數(shù)，其在GTAW和GMAW中的焊縫跟蹤精度分別達(dá)到±0.17 mm和±0.3 mm。

基于視覺(jué)的熔池表面三維形貌檢測(cè)技術(shù)主要有結(jié)構(gòu)光三維視覺(jué)法、陰影恢復(fù)形狀法以及雙目立體視覺(jué)法等[7]。Z Wang等[8]以GTAW為研究對(duì)象，將激光結(jié)構(gòu)光點(diǎn)陣投射到熔池表面，拍攝獲得熔池表面反射的結(jié)構(gòu)光形成的圖像，通過(guò)分析圖像變化，實(shí)現(xiàn)熔池表面三維形貌的重塑。該方法的圖像處理較復(fù)雜，目前處于研究階段。MLuo等[9]提出了一種基于灰度局部最大梯度的邊界檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)了基于綠色激光束視覺(jué)傳感的熔池邊界提取和寬度測(cè)量。

厚板多層多道焊的焊接軌跡規(guī)劃是自動(dòng)化焊接的關(guān)鍵技術(shù)之一。利用視覺(jué)傳感器輔助進(jìn)行多層多道焊的焊接軌跡規(guī)劃，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)伺服控制，是焊接領(lǐng)域研究的前沿與熱點(diǎn)。目前，計(jì)算機(jī)視覺(jué)應(yīng)用于多層多道焊的研究主要側(cè)重于圖像處理，特別是針對(duì)多層多道焊圖像的特征點(diǎn)識(shí)別及設(shè)計(jì)快速、有效的圖像處理算法。黎咸西[10]在基于激光結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了比例控制和模糊控制相結(jié)合的Fuzzy-P控制器，并進(jìn)行了針對(duì)V型坡口的多層多道焊試驗(yàn)，跟蹤精度達(dá)±0.3 mm。He Y等[11]基于單線結(jié)構(gòu)光的單目視覺(jué)傳感器，提出了一種微分多項(xiàng)式擬合的焊縫輪廓特征點(diǎn)提取方法，并給出了基于顯著性的視覺(jué)關(guān)注模型，能夠檢測(cè)出多層多道焊的關(guān)鍵位置信息，從而輔助焊槍定位。

2 焊槍空間位姿檢測(cè)和控制方法

如前文所述，焊接坡口或焊縫為空間位置時(shí)，為了保證焊縫成形質(zhì)量，焊槍相對(duì)于工件待焊點(diǎn)的空間位置和姿態(tài)需要進(jìn)行設(shè)置和控制，傳統(tǒng)方法多是在進(jìn)行焊接軌跡規(guī)劃的同時(shí)實(shí)現(xiàn)焊槍的空間位姿設(shè)置和控制。如文獻(xiàn)[12-13]分別提出了適用于現(xiàn)場(chǎng)焊接機(jī)器人的綜合軌跡規(guī)劃法和基于遞推算法的軌跡規(guī)劃方法，解決了箱型鋼結(jié)構(gòu)環(huán)縫焊接時(shí)存在直角轉(zhuǎn)角和關(guān)節(jié)耦合的焊槍姿態(tài)調(diào)整難題。翟敬梅[14]基于弗萊納－雪列矢量理論，提出了一種雙機(jī)器人協(xié)同焊接的軌跡優(yōu)化方法，得到了最優(yōu)初始焊接點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的最優(yōu)焊接軌跡。然而，在實(shí)際焊接過(guò)程中，由于存在工件（包括焊接坡口）加工和裝卡誤差、焊接過(guò)程的熱變形等導(dǎo)致的焊接坡口或焊縫尺寸變化，使得預(yù)設(shè)的焊槍空間位姿在很多情況下并不能完全適應(yīng)實(shí)際焊接工況，從而造成生產(chǎn)效率降低、焊縫成形和焊接接頭質(zhì)量無(wú)法全面保證等問(wèn)題。因此，在焊接生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)焊槍空間位姿的實(shí)時(shí)檢測(cè)和識(shí)別，并據(jù)此形成閉環(huán)控制十分重要。

目前，針對(duì)焊接過(guò)程中焊槍的空間位姿實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)研究和應(yīng)用相對(duì)較少，主要集中在3個(gè)方向，分別是基于角度傳感器、基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感器和基于多傳感器信息融合。

2.1 角度傳感器

在焊槍上固定或內(nèi)置角度傳感器（三軸陀螺儀），根據(jù)傳感器和焊槍之間固定的相對(duì)位置關(guān)系，可以獲得焊槍的空間姿態(tài)，然后通過(guò)空間位姿矩陣變換獲取焊槍相對(duì)于熔池的相對(duì)位姿。張剛等[15]設(shè)計(jì)構(gòu)建了基于MPU6050三軸陀螺儀的焊槍實(shí)時(shí)姿態(tài)傳感系統(tǒng)，建立了慣性測(cè)量單元－萬(wàn)向節(jié)－熔池三者間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型，并針對(duì)GTAW焊的鎢極空間位置和姿態(tài)進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果顯示，其相對(duì)于焊槍自身x、y坐標(biāo)軸的夾角α和β的測(cè)量誤差小于1.2°，與z軸的夾角γ的最大測(cè)量誤差為1.05°。W.J.Zhang等[16]通過(guò)在焊槍上固定安裝WIMU（無(wú)線慣性測(cè)量模塊，包含三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀）來(lái)獲得GTAW焊的焊槍空間姿態(tài)，由于其姿態(tài)的空間角度通過(guò)對(duì)陀螺儀角加速度的積分獲得，因此，其零漂移誤差相對(duì)較大。

2.2 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器

基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的焊槍空間位姿檢測(cè)研究和應(yīng)用相對(duì)較多。文獻(xiàn)[17-18]使用旋轉(zhuǎn)電弧傳感器，在分析傳感器信號(hào)與焊槍姿態(tài)和弧長(zhǎng)之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，總結(jié)出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。Jian Le等[19]將旋轉(zhuǎn)電弧傳感器應(yīng)用于船廠矩形角接焊縫的現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人焊接，建立了旋轉(zhuǎn)電弧傳感器和焊槍空間姿態(tài)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，能夠較好地實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤和單一方向的焊槍角度控制。王濤[20]通過(guò)優(yōu)化旋轉(zhuǎn)電弧的線性周期掃描路徑和原始特征信號(hào)的提取區(qū)域，提出了一種基于限幅、多周期均值及動(dòng)態(tài)貝葉斯變換和IVT（增量主成分算法）組合的數(shù)據(jù)降維濾波處理方法，提高了焊槍空間姿態(tài)的識(shí)別效率和精度。

旋轉(zhuǎn)電弧傳感器需要對(duì)焊槍進(jìn)行改造，在有限的空間內(nèi)集成電機(jī)、軸承、齒輪等，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工和應(yīng)用成本較高。使用中，需要通過(guò)大量試驗(yàn)建立傳感信號(hào)與焊槍姿態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，精確的數(shù)學(xué)模型較難建立。在焊縫跟蹤及焊槍高度檢測(cè)中，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的應(yīng)用較為成熟，精確度較高；針對(duì)焊槍空間位姿檢測(cè)，目前僅能實(shí)現(xiàn)焊槍單向前后擺動(dòng)的角度檢測(cè)，當(dāng)焊槍存在空間任意姿態(tài)擺動(dòng)時(shí)，僅能實(shí)現(xiàn)焊槍姿態(tài)的識(shí)別而不能具體檢測(cè)出各方向的擺角。

2.3 多傳感器信息融合

多傳感器信息融合技術(shù)主要是在角度傳感器的基礎(chǔ)上融合其他傳感技術(shù)，相對(duì)于旋轉(zhuǎn)電弧傳感器復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，該方法僅需對(duì)焊槍進(jìn)行簡(jiǎn)單改造。陳仲盛等[21]同時(shí)應(yīng)用三軸陀螺儀、三軸加速度傳感器、光纖傳感器和感應(yīng)線圈等4種傳感器來(lái)獲取焊槍相對(duì)于工件的空間姿態(tài)（見(jiàn)圖1），其中，感應(yīng)線圈用于獲取焊絲和工件的交點(diǎn)，即待焊點(diǎn)坐標(biāo)；光纖傳感器用于檢測(cè)焊槍和工件間的距離；焊槍內(nèi)嵌的三軸陀螺儀和加速度傳感器用于檢測(cè)焊槍空間位姿。該方法目前已應(yīng)用在焊接模擬訓(xùn)練的焊槍空間姿態(tài)檢測(cè)中。

張剛等[22-23]綜合使用5線激光結(jié)構(gòu)光和無(wú)線姿態(tài)傳感器來(lái)檢測(cè)熔池流態(tài)變化特征和焊槍空間姿態(tài)的關(guān)系（見(jiàn)圖2），以衡量焊工的焊接經(jīng)驗(yàn)和水平。結(jié)果表明，依據(jù)焊槍姿態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合熔池流態(tài)來(lái)衡量或推測(cè)焊工技能和經(jīng)驗(yàn)是可行的。

圖1 基于多傳感器信息融合的焊槍定位系統(tǒng)

圖2 基于激光結(jié)構(gòu)光視覺(jué)和角度傳感器融合的檢測(cè)系統(tǒng)

3 基于視覺(jué)傳感的焊槍位姿檢測(cè)

采用多傳感器信息融合技術(shù)獲取焊槍相對(duì)于待焊點(diǎn)的空間位姿不僅系統(tǒng)復(fù)雜，而且要對(duì)焊槍進(jìn)行改造。對(duì)旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行規(guī)律分析進(jìn)而建立其與焊槍空間姿態(tài)之間的數(shù)學(xué)模型，本質(zhì)上是一種基于大量試驗(yàn)的規(guī)律總結(jié)，其無(wú)限逼近的原理決定了無(wú)法獲得絕對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。與上述各種焊槍空間姿態(tài)檢測(cè)方法相比，基于視覺(jué)的焊槍空間姿態(tài)檢測(cè)和識(shí)別技術(shù)具有更多優(yōu)勢(shì)，如不需要破壞焊槍本體結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)焊接坡口尺寸檢測(cè)、焊縫跟蹤、焊槍空間位姿檢測(cè)等多種功能的集成。

3.1 基于視覺(jué)的姿態(tài)檢測(cè)和識(shí)別

與二維平面中的目標(biāo)位置和形狀識(shí)別相比，目標(biāo)的空間姿態(tài)識(shí)別更加困難。雙目視覺(jué)和多目視覺(jué)在空間深度信息上的識(shí)別優(yōu)勢(shì)也較多地應(yīng)用于空間目標(biāo)的姿態(tài)檢測(cè)。目前，基于視覺(jué)的空間姿態(tài)識(shí)別多集中于圖像處理過(guò)程的目標(biāo)特征提取方法和立體視覺(jué)的匹配問(wèn)題研究。Gao M等[24]將圓弧插補(bǔ)法用于提取單目視覺(jué)的目標(biāo)特征，解決了6自由度機(jī)械手的空間定位問(wèn)題。高春甫等[25]提出了一種區(qū)域邊緣線段立體匹配算法并應(yīng)用于雙目立體視覺(jué)，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜背景下機(jī)械手姿態(tài)的識(shí)別，識(shí)別精度高，相對(duì)誤差達(dá)到1.7%。

相對(duì)于主動(dòng)視覺(jué)法，采用被動(dòng)視覺(jué)進(jìn)行基于單目視覺(jué)的目標(biāo)特征提取或基于雙目（多目）視覺(jué)的立體視覺(jué)匹配算法，圖像處理過(guò)程相對(duì)更加復(fù)雜且實(shí)時(shí)性較差。主動(dòng)視覺(jué)法所采用光源的固有特征可以給圖像處理過(guò)程的特征提取帶來(lái)便利，使視覺(jué)檢測(cè)過(guò)程更加簡(jiǎn)便且實(shí)時(shí)性較好。激光具有方向性、單色性和相干性好等優(yōu)點(diǎn)，常被用作主動(dòng)視覺(jué)的外部光源。杜雨馨等[26]以十字激光器與激光標(biāo)靶為信息源，構(gòu)建了一套巷道掘進(jìn)機(jī)的機(jī)身位姿實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)；通過(guò)分析標(biāo)靶上十字光線成像特征，建立了掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿空間解算模型；該模型利用機(jī)身與十字激光面的空間關(guān)系，通過(guò)空間矩陣變換得到機(jī)身相對(duì)于巷道的三軸傾角以及在巷道斷面上的偏離位移，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿的自動(dòng)實(shí)時(shí)檢測(cè)。

3.2 基于激光結(jié)構(gòu)光的焊槍空間位姿檢測(cè)

目前，利用激光結(jié)構(gòu)光進(jìn)行目標(biāo)的空間姿態(tài)和形狀檢測(cè)多是基于掃描方式。陶威等[27]設(shè)計(jì)了一種采用單線激光結(jié)構(gòu)光掃描的機(jī)器人3D視覺(jué)傳感系統(tǒng)，基于激光三角測(cè)量原理和MeshLab幾何處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了被檢測(cè)物的3D形貌實(shí)時(shí)成像。掃描式視覺(jué)傳感器的精度受激光斑點(diǎn)尺寸制約，同時(shí)，受掃描速度和圖像處理時(shí)間影響，實(shí)時(shí)性難以滿足實(shí)際焊接生產(chǎn)應(yīng)用要求，多用于焊接接頭和坡口的空間位置及形狀檢測(cè)，尚無(wú)用于焊槍空間位姿實(shí)時(shí)檢測(cè)的報(bào)道。

在針對(duì)焊槍空間位姿的檢測(cè)中，獲取焊槍相對(duì)于待焊點(diǎn)坐標(biāo)的空間姿態(tài)信息更有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接成形質(zhì)量的有效控制。為此提出了一種新型的基于復(fù)合激光結(jié)構(gòu)光的多功能視覺(jué)傳感器[28]，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用斜射-直接收式光路結(jié)構(gòu)。

圖3 基于復(fù)合激光結(jié)構(gòu)光的新型多功能視覺(jué)傳感器

圖3所示的視覺(jué)傳感器系統(tǒng)主要由工業(yè)CCD相機(jī)及廣角鏡頭、微型攝像機(jī)、減光和濾光片、十字線激光器、一字線激光器及機(jī)械結(jié)構(gòu)件等元器件組成。激光器投射至工件表面的激光線受焊接坡口形狀的影響形成相應(yīng)的畸變特征，CCD相機(jī)獲取包含畸變特征的圖像，通過(guò)圖像處理提取特征點(diǎn)的坐標(biāo)，然后利用傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)和組合結(jié)構(gòu)光之間的空間幾何關(guān)系。該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)焊接過(guò)程中的焊接坡口截面尺寸檢測(cè)、焊縫跟蹤、焊槍高度檢測(cè)、焊槍空間位姿檢測(cè)、焊接過(guò)程監(jiān)控等多種功能。其檢測(cè)算法基于激光結(jié)構(gòu)光在工件表面的形變特征和傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，簡(jiǎn)化了使用前和使用中的傳感器標(biāo)定問(wèn)題，通過(guò)單目視覺(jué)和對(duì)單幅圖像的處理實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)（焊接坡口和焊槍空間位姿）的空間信息檢測(cè)，有效解決了單目視覺(jué)傳感器在使用過(guò)程中存在深度方向信息丟失的問(wèn)題，同時(shí)避免了為彌補(bǔ)深度信息而進(jìn)行的復(fù)雜操作（如激光掃描，被測(cè)物移動(dòng)）或基于多幅圖像的信息比對(duì)分析（多目視覺(jué)或單目視覺(jué)多角度成像），進(jìn)而有效提高工程應(yīng)用的實(shí)時(shí)性。

基于十字線激光器和一字線激光器組合的視覺(jué)傳感器實(shí)現(xiàn)焊槍空間位姿檢測(cè)的前提條件是：焊槍3個(gè)空間位姿參數(shù)中（焊槍高度h1，前后擺動(dòng)角度α和左右擺動(dòng)角度β，如圖4所示），1個(gè)參數(shù)為確定值，即在1個(gè)參數(shù)確定的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)另外2個(gè)位姿參數(shù)的檢測(cè)。為解決此問(wèn)題，進(jìn)一步提出了一種基于4條一字線激光組合的視覺(jué)傳感器[29]，能夠?qū)崿F(xiàn)焊槍相對(duì)于工件待焊點(diǎn)的空間任意三維位姿參數(shù)的檢測(cè)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖4 焊槍空間位姿的三自由度分解

圖5 焊槍全空間位姿檢測(cè)視覺(jué)傳感器

圖5所示的視覺(jué)傳感器系統(tǒng)由CCD相機(jī)、工業(yè)廣角鏡頭、4個(gè)一字線激光器、減光及濾光片和相關(guān)結(jié)構(gòu)裝配件組成。其中，一字線激光器2-1、2-2和2-3所投射的激光平面相互平行，與工件平面相交分別形成激光線條4、10和9。一字線激光器2-4所投射的激光平面與另外3個(gè)激光平面垂直相交，從而在工件坡口內(nèi)形成激光線11。一字線激光器2-1可提供焊槍空間位姿求解所需的待焊點(diǎn)坐標(biāo)（由圖像處理獲得的激光線4與激光線11的交點(diǎn)即為待焊點(diǎn)坐標(biāo)），避免了通過(guò)電弧圖像處理提取電弧中心點(diǎn)坐標(biāo)的問(wèn)題，優(yōu)化了圖像處理算法，從而給傳感器引入新的固有參數(shù)?；诤附悠驴趯?duì)激光線條形成的畸變特征，通過(guò)圖像處理提取出相關(guān)特征點(diǎn)，利用傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)和組合結(jié)構(gòu)光之間的空間幾何關(guān)系并結(jié)合待焊點(diǎn)空間坐標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)焊槍相對(duì)于待焊點(diǎn)的任意空間3個(gè)自由度位姿參數(shù)的檢測(cè)。

視覺(jué)傳感器和機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)合（見(jiàn)圖4、圖5），可以實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的視覺(jué)伺服控制。

4 焊槍空間位姿檢測(cè)技術(shù)展望

Vcsel（垂直腔面發(fā)射激光器）是一種新型的半導(dǎo)體激光器，相對(duì)于傳統(tǒng)的邊射型半導(dǎo)體激光器，易于實(shí)現(xiàn)高密度二維面陣的集成，即在很小的面積內(nèi)集成數(shù)萬(wàn)個(gè)Vcsel陣列，已成功商用于手機(jī)的人臉識(shí)別功能。其基本原理是由Vcsel芯片投射出數(shù)萬(wàn)個(gè)覆蓋人臉的激光點(diǎn)陣（Dot projector），然后由紅外攝像機(jī)（Infrared amera）和距離傳感器（Proximity sensor）獲取由物體表面凹凸特征引起的ToF（光飛行時(shí)間）改變或結(jié)構(gòu)光畸變的特征，進(jìn)而由相應(yīng)的處理算法進(jìn)行被測(cè)物的三維重構(gòu)。這是一個(gè)由Vcsel光源芯片、紅外相機(jī)、處理器芯片、3D模型重構(gòu)算法等技術(shù)組成的系統(tǒng)集成模組，所涉及的技術(shù)環(huán)節(jié)和工藝流程較為復(fù)雜，目前相關(guān)技術(shù)被國(guó)外壟斷。

基于Vcsel的3D視覺(jué)傳感器是目前視覺(jué)傳感器研究的前沿[30-32]，其陣列特征、功耗和精度的優(yōu)勢(shì)是未來(lái)機(jī)器人3D視覺(jué)的主要解決方案，也是工業(yè)視覺(jué)最有潛力的發(fā)展和應(yīng)用方向。相對(duì)于以雙目視覺(jué)或多目視覺(jué)為基礎(chǔ)的多圖像立體特征匹配的圖像處理算法，基于Vcsel的3D視覺(jué)傳感具有更高的檢測(cè)精度和更好的實(shí)時(shí)性。因此，隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)的發(fā)展，將基于Vcsel的3D視覺(jué)傳感器應(yīng)用于焊接過(guò)程的傳感和控制，將會(huì)是焊接過(guò)程視覺(jué)傳感技術(shù)具有重要價(jià)值的研究和應(yīng)用方向，可以從根本上改觀目前的視覺(jué)傳感器存在的功能不夠全面、體積相對(duì)較大、實(shí)時(shí)性不能保證等狀況。

5 結(jié)論

在焊接坡口或焊縫為空間位置和軌跡時(shí)，焊槍相對(duì)于待焊點(diǎn)的空間位置和姿態(tài)的檢測(cè)、識(shí)別和控制，對(duì)于實(shí)際焊接生產(chǎn)制造的焊接成形質(zhì)量控制具有重要意義。目前，在對(duì)焊槍空間位姿檢測(cè)和識(shí)別的方法中，基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的檢測(cè)方法僅能夠?qū)崿F(xiàn)單一自由度的焊槍位姿檢測(cè)，基于角度傳感器的檢測(cè)方法功能比較單一，而基于多傳感器融合的檢測(cè)方法往往需要對(duì)焊槍或待焊工件進(jìn)行特殊改造，其工程通用性較差。

基于激光結(jié)構(gòu)光的視覺(jué)傳感器具有綜合優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)焊接坡口檢測(cè)、焊縫跟蹤、焊槍空間位姿檢測(cè)、焊接過(guò)程監(jiān)控等多種功能的集成，同時(shí)工程適用性很好?；赩csel的視覺(jué)傳感器在檢測(cè)算法和精度上的優(yōu)勢(shì)，在焊接視覺(jué)傳感中會(huì)有很好的發(fā)展和應(yīng)用前景。