一種基於攝像頭的增強現實的焊接培訓終端設備的製作方法

2023-10-08 10:05:19

本實用新型屬於三維仿真技術領域，主要涉及的是一種基於攝像頭的增強現實的焊接培訓終端設備。具體是一種通過攝像頭識別並定位焊槍焊件同時疊加攝像頭採集的真實背景以形成虛實結合相輔相成的畫面的焊接操作培訓終端設備。

背景技術：

焊接是製造業重要的加工工藝。雖然目前各種自動焊與半自動焊發展迅速，但手工焊仍然有著比較廣泛的應用，這就需要焊工要有紮實的操作手法和規範的動作。

隨著三維仿真技術的迅速發展，各種虛擬培訓系統不斷出現並展示出廣闊的發展空間。虛擬焊接培訓系統無論在提高培訓效率還是降低培訓成本上都有著巨大的優勢，同時還可以改善培訓環境,減少焊接弧光、煙塵等有害物質對焊工身體健康造成的影響。虛擬焊接培訓系統的技術核心是採用虛擬實境技術、計算機圖形學、數據採集與處理相結合的方法，將焊接操作者的操作信息經過多渠道識別與合成，並在顯示設備上顯示出來。隨著計算機軟硬體的飛速發展，無論從科技進步，還是從節約能源和保護環境來看，虛擬焊接培訓系統必將成為焊接技術的教育與培訓的重要輔助方式，也將引領焊接培訓的發展。

目前焊接培訓模擬系統取得了長足的發展，如：

林肯環球股份有限公司研發的多款焊接仿真器，其中VRTEX360功能比較全，支持全位置焊接，可以在虛擬環境裡模擬焊接操作過程，並可以將虛擬焊接的全過程顯示在顯示屏幕上比如焊槍位置姿態、焊縫成型、熔池漸變。由於採用的是比較常用的電磁追蹤器，容易受到大塊金屬的幹擾，同時定位精度不夠，不能沿著直線行走，物體做原地旋轉運動的過程位置發生較大的變化，以至於應用到焊接模擬仿真產品上有很多限制，比如不能將工件做成標準大小（工件越大距離定位器遠的地方精度更差）、追蹤器附近不能有金屬塊（增加產品製造難度加大企業生產成本）。

武漢灣流科技股份有限公司也相繼推出了多款焊接仿真設備，但都是以光學設備作為基礎並配合加速度計、陀螺儀來定位焊槍和頭部的相對位置，由於光學定位因固定位置容易受到物體的遮擋，因此在模擬T型焊件、管管焊件、管板焊件時受到的限制很大，同樣不能完全模擬平、橫、立、仰焊接姿勢，光學定位距離越遠要想穩定識別物體需要將識別物做大使其和真實焊槍差別過大影響美觀，同時採用了多傳感器來識別定位焊槍和頭部運動勢必會增加設計複雜度、增加製造成本。

加拿大蒙特婁123認證公司研發的123arc焊接訓練模擬器（Welding Simulator）是一臺通過計算機處理器，模擬電弧焊接環境及操作過程的教學、科研儀器，通過虛擬仿真技術和頭戴顯示器使操作者置身於虛擬場景中來對焊接操作者進行培訓，通過虛擬仿真技術操作者無法感知真實環境，無法與真實環境交互，同時受制於定位方式導致機器體積大笨重。

中國石油天然氣第一建設公司與西安交通大學共同申請的專利「基於單目攝像機的模擬焊接培訓虛擬弧長檢測系統及方法」（CN201310186497.6），其為了快速檢測出模擬焊接時模擬弧長，通過在模擬焊條頭部設計互成45°的雙光點雷射發生裝置，使其在模擬試板（平板玻璃）上打出兩個光斑，該兩個光斑的坐標通過設置於模擬試板底部的單目攝像機進行採集，採集的坐標數據傳輸給計算機；模擬焊條安裝在模擬焊鉗上，模擬焊鉗中裝有雙傾角傳感器，用於檢測模擬焊條橫滾角和俯仰角值；模擬焊鉗上的雙傾角傳感器採集的模擬焊條橫滾角和俯仰角值實時傳送給計算機。計算機結合兩個光源的位置、光線夾角、焊條傾角參數計算模擬焊條端部距模擬試板的高度，即虛擬弧長。存在體積大、笨重、佔用空間面積大、實現平橫立仰焊接位置需要笨重的機械臂的支持等問題。

上述虛擬焊接培訓系統都存在體積大、笨重、成本高、切換焊接姿勢麻煩、無法實現增強現實，因此在實際應用中有很大的局限性。

技術實現要素：

鑑於上述問題，本實用新型的任務是提出一種基於攝像頭的增強現實的焊接培訓終端設備，解決了現有焊接培訓終端體積大、笨重、製作成本高、切換焊接姿勢繁瑣、無法實現增強現實的的弊端。通過攝像頭識別並定位焊槍焊件同時疊加攝像頭採集的真實背景以形成虛實結合的畫面進而得到增強現實顯示，具有體積小、成本低、製作簡單、切換焊接姿勢方便的特點。

本實用新型實現上述目的採取的技術方案是：

一種基於攝像頭的增強現實的焊接培訓終端設備，包括主機、3D視景眼鏡、仿真焊槍及仿真焊件，在所述3D視景眼鏡上設置有攝像頭模組，在所述仿真焊槍上設置有多個仿真焊槍識別碼，在所述仿真焊件表面設置有多個仿真焊件識別碼，通過操作主機面板上的按鍵以及調節旋鈕選擇要培訓的焊接任務並調節焊接所需的相關參數（操作面板上的調節旋鈕或者按鍵開關與主機主控板相連接並採集開關或者旋鈕相應狀態）；通過3D視景組件識別固定於仿真焊槍上的焊槍識別碼來識別不同類型焊槍並採集3D姿態數據（所述仿真焊槍組件通過操作面板上的增強現實焊槍組件接口連接主控板並採集焊槍開關狀態、焊槍是否接入、焊槍種類等狀態），並對得到的當前圖像進行處理顯示當前識別的虛擬物體進而得到一副增強現實的圖像並在3D視景眼鏡裡顯示；通過固定於頭部的攝像頭來檢測識別碼來識別相應物體並計算相應的3D姿態信息（所述的識別碼集有多種標準圖形，同樣也可以由多個標準圖形進行各種組合，在應用中可以根據實際所應用物體的大小採用不同的組合方式，以生成區別與不同物體的唯一組合）。

進一步，在所述的攝像頭模組設置有補償燈。

進一步，所述仿真焊槍識別碼設置在仿真焊槍的前端。

進一步，所述仿真焊件識別碼設置在仿真焊件表面，即在仿真焊件表面增加一層焊件識別碼。

進一步，所述主機部分為移動式箱體結構。

進一步，所述仿真焊槍識別碼和仿真焊件識別碼均有多種標準圖形，多個標準圖形可進行各種組合。

本實用新型解決現有培訓終端體積大、笨重、製作成本高、切換焊接姿勢繁瑣、無法實現增強現實的問題。通過攝像頭識別並定位焊槍焊件同時疊加攝像頭採集的真實背景以形成虛實結合的畫面進而做到增強現實顯示，通過增強現實顯示操作者頭戴顯示器仍可以和外界交互比如可以調節設備上的相關旋鈕；焊槍焊件識別碼只要在攝像頭的可視區域內就可以被識別和定位通過將焊件識別碼擺放在不同的位置和姿勢就可以方便的切換焊接姿勢甚至不再需要機械臂。使得整個焊接操作培訓更加簡單真實，且本設備具有結構簡單、佔地面積小甚至可以做成桌面式便攜設備、價格低的優點，且本設備可以模擬任何焊接姿勢而無需任何機械臂輔助，且該設備通過增強現實技術使得整個環境更加真實使操作者也更容易上手進而提升培訓效率同時減輕教學負擔。

附圖說明

為了更清楚的說明本實用新型實施例或者現有技術中的技術方案，面將對實施例或現有技術描述中所需要的附圖做簡單地介紹，顯而易見地，下圖描述中的附圖僅僅是不發明的一些實施例，對於本領域或普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1圖2為本實用新型的結構圖。

圖3為本實用新型的3D視景組件視圖。

圖4為本實用新型增強現實焊槍組件視圖。

圖5為本實用新型的增強現實焊件組件視圖。

圖6為部分識別碼集視圖。

圖中：1—操作面板，11—操作與顯示觸屏， 12—增強現實焊槍組件接口，13—3D視景組件接口，14—按鍵以及調節旋鈕，15—音量調節旋鈕，16—把手， 17—頂蓋，20—可移動底座，21—後面板，22—主控板，31—3D視景眼鏡，32—補償燈，33—攝像頭模組，41—仿真焊槍，42—焊槍識別碼，51—仿真焊件，52—焊件識別碼。

具體實施方式

以下結合本實用新型實施例中的附圖對本實用新型的原理和特徵進行描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。

如圖1-2所示：所述主機部分為移動式箱體17結構，由可移動底座20、把手16、後面板21、主控板22、操作面板、操作與顯示用觸屏11構成，所述後面板21固定於可移動底座20上面的後側，所述操作面板1固定於可移動底座20的前側，所述主控板22固定於操作面板1的內側，主控板22採用的是公知技術不在詳細描述。在操作面板1上還設置有操作與顯示用觸屏11、增強現實焊槍組件接口12、3D視景組件接口13、按鍵以及調節旋鈕14及音量調節旋鈕15（調節音箱聲音大小），均與主控板22連接。通過所述的操作面板上的按鍵以及調節旋鈕14來調節焊接所需的相關參數，並採集開關或者旋鈕相應狀態。在所述後面板21設置有電源開關和電源接口。在所述箱體17的頂蓋上端設置有把手16。

圖3所示為3D視景組件，由3D視景眼鏡31、攝像頭模組33和補償燈32組成，所述3D視景眼鏡31採用普通3D視景眼鏡即可，通過3D視景組件接口13與主控板22連接。所述的攝像頭模組33固定於3D視景眼鏡上方，並在攝像頭模組上方中間位置固定有補償燈32，當焊接環境比較暗時可以開啟光照補償燈來增加亮度提高識別準確度和識別穩定性，3D視景眼鏡主要用於3D顯示，通過攝像頭得到當前圖像並通過OPENCV軟體對當前圖像進行處理，顯示當前識別的虛擬物體進而得到一副增強顯示的圖像，並在3D視景眼鏡裡顯示。

圖4所示為增強現實焊槍組件，由仿真焊槍41和仿真焊槍識別碼42組成。仿真焊槍41的結構和形狀與真實焊槍儘量保持一致，這樣更有真實感和手感。仿真焊槍41通過增強現實焊槍組件接口12與主控板22連接，在仿真焊槍41的前端添加仿真焊槍識別碼42，仿真焊槍識別碼42為多個可選擇的識別碼，均設置在仿真焊槍41的前端，是仿真焊槍的唯一標識符用於識別不同的焊槍以及定位仿真焊槍。

圖5所示為增強現實焊件，由仿真焊件51和仿真焊件識別碼52組成，仿真焊件識別碼52為多個可選擇的識別碼，均設置在仿真焊件51表面，即在仿真焊件表面增加一層焊件識別碼。對於不同形狀焊件其原理與其類似，仿真焊件大小採用標準大小。

所述的識別碼集有多種標準圖形，同樣也可以由多個標準圖形進行各種組合，在應用中可以根據實際所應用物體的大小採用不同的組合方式，以生成區別與不同物體的唯一組合，通過固定於頭部的攝像頭來檢測識別碼來識別相應物體並計算相應的3D姿態信息。

使用該仿真焊接培訓終端設備的方法如下：

第一步，操作者將3D視景眼鏡組件通過3D視景眼鏡組件接口13連接到主控板22並打開3D視景眼鏡13；

第二步，焊接操作者頭戴3D視景眼鏡31，通過操作與顯示觸屏11選擇要培訓的焊接任務；

第三步，通過操作面板1上的按鍵以及調節旋鈕14調節焊接參數比如電壓、電流、氣體流量、焊絲直徑、極性選擇等；

第四步，操作者根據培訓焊接任務選擇相應的增強現實仿真焊槍41和焊槍識別碼42，並通過增強現實焊槍接口12連接到主控板22；

第五步，操作者根據培訓焊接任務選擇相應的增強現實仿真焊件51和焊件識別碼52，並擺放正確的位置和姿勢，操作者手拿增強現實焊槍在增強現實焊件上面進行模擬焊接，同時操作者可以在3D視景眼鏡裡觀看融池、焊縫等焊接效果。