双目立体视觉在焊接机器人应用中的研究现状 上

自上世纪60年代以来，随着工业机器人的问世，传统工业生产的人工劳作逐渐被机器人所取代，工业机器人的使用程度与规模成为这个国家工业发展程度与自动化水平的标志。据不完全统计，至2010年底世界各主要国家己经有约220万台机器人应用于各行各业中，如:化工、冶金、焊接、医疗、家政等传统行业，而用于工业焊接作业的焊接机器人占据很大的比例约为45%，应用非常广泛。国际上焊接机器人制造与应用出色的企业主要来自欧美日韩等国家，主要有:库卡 (KUKA)机器人公司、A.BB机器人制造公司、日本川崎机器人制造公司、日本发那科公司、OTC公司等。我国是世界制造业大国，工业生产中对焊接机器人的市场需求非常广阔，国内许多科研院所对焊接机器人进行了深入的研究，也取得了不错的成果。目前国内的焊接机器人的制造与使用主要有以下两家企业，首钢莫托曼机器人有限公司与新松机器人自动化股份有限公司，然而与欧美等企业相比有着相当的不足之处，主要集中于焊接机器人的制造水平、机器人控制系统、机器人焊接精度等方面，同时也只是少量生产没有形成一定的市场规模，国内在这个领域还有很大的进步空间

作为一种智能化的可编程系统，焊接机器人按照其编程的方法可以分为离线编程、示教编程和自主编程三种模式。

(1)示教编程

示教编程主要是指通过人工操作的方法，移动焊接机器人末端的焊枪在立体曲面焊缝上进行移动并完成焊接，记录下焊接机器人各个运动参数、焊缝跟踪轨迹、焊接工艺要求等，根据记录下的数据通过逐点示教的方法使焊接机器人再现整个焊接的流程。由于这种方式需要在操作人员外部干预的情况下才能实现焊接作业，因而稳定性较差;机器人本身缺乏外部环境的感知使得可靠性也较低;而且如果遇到相对复杂的工件，需要焊接工人消耗大量的时间进行示教编程，效率低下;同时当工作环境的参数以及工件局部发生变化时，需要重新进行示教编程，耗时耗力，不适用于焊接环境以及工作任务经常变化的情况闭。

(2)离线编程

离线编程主要是指利用计算机图像处理技术和建模方法，通过多种传感设备采集的信息，建立焊接机器人以及目标工件的模型，对离线编程结果进行三维图像仿真实验，将仿真得到的结果以代码的形式传递给焊接机器人控制系统，最终实现焊接机器人的自主焊接作业。相比于示教编程，离线编程方法减少了人工干预的结果，避免了实际工作中出现的偶然性因素，减少了焊接机器人的工作时间，

(3)自主编程

自主编程主要是指焊接机器人系统利用多种传感设备，充分获取焊接过程中的真实环境参数，自主识别工作台、夹具、目标工件等信息，根据工艺参数以及焊接要求，自主编程并实时控制焊接机器人进行移动与焊接作业。相比于示教编程，降低了工作的复杂度，大大减少了机器人以及操作人员的工作时间，提高了实际效率;相比于离线编程，由于自主编程完全是在真实的工作环境下进行作业，得到的传感数据以及工作参数均是实时数据，因此无须根据工作台的信息进行偏差调整。自主编程技术使焊接机器人的自主性以及适应性得到了极大的提升，有着广阔的发展空间，目前自主编程中常用的传感设备主要有:视觉传感器、光电式传感器、超声波传感器、接触式传感器、电弧式传感器等。视觉传感器主要利用CCD摄像机、红外探测仪、激光扫描器等设备采集工作图像，因具有信息采集丰富、非接触不易干扰、环境适应性好、抗电磁干扰等优点得到广泛的应用。超声波传感器具有价格较低廉，定向测距效果较好等优点，但是实际工作过程中易受到噪声、保护气流、障碍物的影响，测量精度较低。接触式传感器主要利用探针沿着焊缝轨迹进行移动，根据探针在焊缝上的偏移量得到末端焊枪与焊缝的相对位置，从而控制焊枪进行相应的移动，接触式传感器具有价格低廉、检测过程简单、使用相对容易等优点，但是探针长期与焊缝接触磨损较严重，会影响测量精度需要经常更换，而且对于复杂的工作环境以及需要高速焊接的场合适应性较低。电弧式传感器仅根据焊接作业中电弧的参数就可以得到焊枪与焊缝的相对位置，不依赖于其它传感设备，在V型焊缝中应用非常广泛，但是对复杂焊缝的检测效果较差。相比而言视觉传感器通过采集焊缝图像得到目标的特征与参数，受工作环境、工件对象等限制较小，采集信息丰富，对复杂的焊缝有较好的适应性，因此给焊接机器人赋予视觉是实现焊接智能化的关键。