[实用新型]一种基于摄像头的增强现实的焊接培训终端设备

说明书

技术领域

本实用新型属于三维仿真技术领域，主要涉及的是一种基于摄像头的增强现实的焊接培训终端设备。具体是一种通过摄像头识别并定位焊枪焊件同时叠加摄像头采集的真实背景以形成虚实结合相辅相成的画面的焊接操作培训终端设备。

背景技术

焊接是制造业重要的加工工艺。虽然目前各种自动焊与半自动焊发展迅速，但手工焊仍然有着比较广泛的应用，这就需要焊工要有扎实的操作手法和规范的动作。

随着三维仿真技术的迅速发展，各种虚拟培训系统不断出现并展示出广阔的发展空间。虚拟焊接培训系统无论在提高培训效率还是降低培训成本上都有着巨大的优势，同时还可以改善培训环境,减少焊接弧光、烟尘等有害物质对焊工身体健康造成的影响。虚拟焊接培训系统的技术核心是采用虚拟现实技术、计算机图形学、数据采集与处理相结合的方法，将焊接操作者的操作信息经过多渠道识别与合成，并在显示设备上显示出来。随着计算机软硬件的飞速发展，无论从科技进步，还是从节约能源和保护环境来看，虚拟焊接培训系统必将成为焊接技术的教育与培训的重要辅助方式，也将引领焊接培训的发展。

目前焊接培训模拟系统取得了长足的发展，如：

林肯环球股份有限公司研发的多款焊接仿真器，其中VRTEX360功能比较全，支持全位置焊接，可以在虚拟环境里模拟焊接操作过程，并可以将虚拟焊接的全过程显示在显示屏幕上比如焊枪位置姿态、焊缝成型、熔池渐变。由于采用的是比较常用的电磁追踪器，容易受到大块金属的干扰，同时定位精度不够，不能沿着直线行走，物体做原地旋转运动的过程位置发生较大的变化，以至于应用到焊接模拟仿真产品上有很多限制，比如不能将工件做成标准大小（工件越大距离定位器远的地方精度更差）、追踪器附近不能有金属块（增加产品制造难度加大企业生产成本）。

武汉湾流科技股份有限公司也相继推出了多款焊接仿真设备，但都是以光学设备作为基础并配合加速度计、陀螺仪来定位焊枪和头部的相对位置，由于光学定位因固定位置容易受到物体的遮挡，因此在模拟T型焊件、管管焊件、管板焊件时受到的限制很大，同样不能完全模拟平、横、立、仰焊接姿势，光学定位距离越远要想稳定识别物体需要将识别物做大使其和真实焊枪差别过大影响美观，同时采用了多传感器来识别定位焊枪和头部运动势必会增加设计复杂度、增加制造成本。

加拿大蒙特利尔123认证公司研发的123arc焊接训练模拟器（Welding Simulator）是一台通过计算机处理器，模拟电弧焊接环境及操作过程的教学、科研仪器，通过虚拟仿真技术和头戴显示器使操作者置身于虚拟场景中来对焊接操作者进行培训，通过虚拟仿真技术操作者无法感知真实环境，无法与真实环境交互，同时受制于定位方式导致机器体积大笨重。

中国石油天然气第一建设公司与西安交通大学共同申请的专利“基于单目摄像机的模拟焊接培训虚拟弧长检测系统及方法”（CN201310186497.6），其为了快速检测出模拟焊接时模拟弧长，通过在模拟焊条头部设计互成45°的双光点激光发生装置，使其在模拟试板（平板玻璃）上打出两个光斑，该两个光斑的坐标通过设置于模拟试板底部的单目摄像机进行采集，采集的坐标数据传输给计算机；模拟焊条安装在模拟焊钳上，模拟焊钳中装有双倾角传感器，用于检测模拟焊条横滚角和俯仰角值；模拟焊钳上的双倾角传感器采集的模拟焊条横滚角和俯仰角值实时传送给计算机。计算机结合两个光源的位置、光线夹角、焊条倾角参数计算模拟焊条端部距模拟试板的高度，即虚拟弧长。存在体积大、笨重、占用空间面积大、实现平横立仰焊接位置需要笨重的机械臂的支持等问题。

上述虚拟焊接培训系统都存在体积大、笨重、成本高、切换焊接姿势麻烦、无法实现增强现实，因此在实际应用中有很大的局限性。

发明内容

鉴于上述问题，本实用新型的任务是提出一种基于摄像头的增强现实的焊接培训终端设备，解决了现有焊接培训终端体积大、笨重、制作成本高、切换焊接姿势繁琐、无法实现增强现实的的弊端。通过摄像头识别并定位焊枪焊件同时叠加摄像头采集的真实背景以形成虚实结合的画面进而得到增强现实显示，具有体积小、成本低、制作简单、切换焊接姿势方便的特点。

本实用新型实现上述目的采取的技术方案是：