機(jī)器人激光掃描式焊縫跟蹤系統(tǒng)標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)器人激光掃描式焊縫跟蹤系統(tǒng)的標(biāo)定，包括激光掃描式焊縫跟蹤傳 感器的標(biāo)定與機(jī)器人手眼的標(biāo)定。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光掃描式焊縫跟蹤系統(tǒng)對(duì)焊縫的準(zhǔn)確跟蹤取決于激光掃描式焊縫跟蹤傳感器 的標(biāo)定與機(jī)器人手眼標(biāo)定。傳感器的標(biāo)定包括攝像機(jī)標(biāo)定和結(jié)構(gòu)光標(biāo)定，攝像機(jī)標(biāo)定的技 術(shù)比較成熟。針對(duì)激光結(jié)構(gòu)光的標(biāo)定，最早使用的方法有齒形標(biāo)定法和拉絲標(biāo)定法，這些方 法利用特定標(biāo)定耙在結(jié)構(gòu)光平面上產(chǎn)生標(biāo)定點(diǎn)，并利用輔助測(cè)量?jī)x獲取其標(biāo)定點(diǎn)在結(jié)構(gòu)光 平面上的坐標(biāo)。這兩種方法需要精密的輔助設(shè)備。機(jī)器人手眼標(biāo)定的傳統(tǒng)方法有利用高精 度三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)傳感器夾持的工具進(jìn)行測(cè)量，此方法都不適應(yīng)于末端安裝視覺(jué)傳感器的 機(jī)器人的手眼標(biāo)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)現(xiàn)有標(biāo)定方法的不足，本發(fā)明提供了一種機(jī)器人激光掃描式焊縫跟蹤系統(tǒng)標(biāo) 定方法。
[0004] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案的步驟如下：
[0005] 步驟1.采用基于平面模板對(duì)傳感器里的攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)自由移動(dòng)傳感器， 使得攝像機(jī)采集到至少三個(gè)不同位置（相對(duì)于攝像機(jī)）的模板圖像。根據(jù)最小二乘原理求 解攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)。
[0006] 步驟2.求取激光平面上無(wú)窮遠(yuǎn)處一點(diǎn)在攝像機(jī)中投影的圖像坐標(biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)光進(jìn) 行標(biāo)定。
[0007] 步驟3.將標(biāo)定好的傳感器通過(guò)法蘭盤固定于機(jī)械手末端，通過(guò)改變機(jī)器人的姿 態(tài)使用傳感器檢測(cè)空間中同一目標(biāo)點(diǎn)，求解攝像機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)械手末端坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩 陣。
[0008] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明以機(jī)器人激光掃描式焊縫跟蹤系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用 基于平面模板的攝像機(jī)標(biāo)定方法和激光平面上無(wú)窮遠(yuǎn)處一點(diǎn)在攝像機(jī)中投影的圖像坐標(biāo)， 對(duì)結(jié)構(gòu)光參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。并通改變機(jī)器人的姿態(tài)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)中同一目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，快速 計(jì)算該系統(tǒng)的手眼矩陣。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1是機(jī)器人激光焊縫跟蹤系統(tǒng)；
[0010] 圖2是激光掃描式焊縫跟蹤傳感器結(jié)構(gòu)；
[0011] 圖3是傳感器測(cè)量模型；
[0012] 圖4是標(biāo)定靶；
[0013] 圖5是定點(diǎn)變位姿測(cè)量。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。
[0015] (1)機(jī)器人激光焊縫跟蹤系統(tǒng)如圖1所示，
[0016] 機(jī)器人激光掃描焊縫跟蹤系統(tǒng)主要由六自由度機(jī)器人和激光掃描式焊縫跟蹤傳 感器組成，包括機(jī)器人1、激光焊縫跟蹤傳感器2、一字結(jié)構(gòu)光3和焊縫表面4。該系統(tǒng)涉及 的坐標(biāo)系有如下：
[0017] 圖中，{R}為與機(jī)器人底座固連的基礎(chǔ)坐標(biāo)系；{E}為機(jī)械手末端坐標(biāo)系；{C}為攝 像機(jī)坐標(biāo)系。
[0018] (2)傳感器的硬件結(jié)構(gòu)及其工作原理
[0019] 如圖2所示，激光掃描式焊縫跟蹤傳感器由激光器6、濾波片8、工業(yè)攝像機(jī)5、連 接器7和防濺擋板9等組成。傳感器機(jī)殼頂部開孔，供攝像機(jī)、激光器的電源線和信號(hào)線引 出。傳感器探頭通過(guò)信號(hào)線與計(jì)算機(jī)連接。傳感器機(jī)殼底部由有機(jī)玻璃制成的防濺擋板蓋 住，可以阻擋焊接時(shí)產(chǎn)生的飛濺，保護(hù)攝像機(jī)。半導(dǎo)體激光器傾斜固定在傳感器探頭機(jī)殼 內(nèi)。一字激光器發(fā)出的激光束，傾斜照射到焊接工件表面的焊縫處，形成激光條紋。攝像機(jī) 采集到的包含焊縫信息的激光條紋圖像，通過(guò)信號(hào)線傳送到計(jì)算機(jī)。
[0020] 如圖3所示，該傳感器采用的測(cè)量模型。圖中，π為激光器投射的激光平面； 為以光軸與透鏡交點(diǎn)為原點(diǎn)建立的攝像機(jī)坐標(biāo)系；O-XY為攝像機(jī)中圖像坐標(biāo)系。 激光平面存在一點(diǎn)P (X。，y。，zJ，在圖像平面的投影為P (X，y)。根據(jù)三角法測(cè)量原理得到如 下關(guān)系：
[0022] 其中，f為攝像機(jī)焦距；b為激光平面與X。軸交點(diǎn)到光軸的距離，稱為基長(zhǎng)；Θ為 X。與激光平面的夾角，稱為投射角。目標(biāo)點(diǎn)的攝像機(jī)坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：
[0024] 如果式中攝像機(jī)焦距f、投射角Θ、基長(zhǎng)b均為已知，則由式⑵可知，三維空間中任 意一點(diǎn)均可以與二維圖像中的點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。求解f、9、b即激光傳感器系統(tǒng)的系統(tǒng)內(nèi)部參 數(shù)標(biāo)定。其中焦距f可通過(guò)攝像機(jī)標(biāo)定求出。
[0025] (1)傳感器的標(biāo)定
[0026] 當(dāng)?shù)歉哌h(yuǎn)眺時(shí)，無(wú)窮遠(yuǎn)處的地平面是一條直線，同樣，兩條平行直線在無(wú)窮遠(yuǎn)處交 于一點(diǎn)。如圖4所示，將標(biāo)定靶水平放置，調(diào)節(jié)傳感器的位置，使攝像機(jī)的光軸垂直于標(biāo)定 靶，激光平面與兩條平行線交于A、B兩點(diǎn)，控制攝像機(jī)沿光軸方向移動(dòng)，得到一系列的交點(diǎn) ApBiQ = 1，2··· η)，其在攝像機(jī)中的投景多為a; AQ = 1，2··· η)。A;、Bi在激光平面上開多成 兩條平行線，其在無(wú)窮遠(yuǎn)處交于一點(diǎn)。將％與b 別擬合成直線，兩條直線的交點(diǎn)即激光 平面上無(wú)窮遠(yuǎn)處一點(diǎn)在攝像機(jī)中投影。
[0027] 激光平面存在一點(diǎn)P (x。，y。，z。）在圖像平面的像點(diǎn)為p (x，y)。根據(jù)三角法測(cè)量原 理，可得：
[0029] 設(shè)點(diǎn)P為激光平面上無(wú)窮遠(yuǎn)處一點(diǎn)，即（X。，y。，z。）一 °°，z。一 可以得知 f · cot Θ -Xoo - 〇 即得：
[0030] cot Θ = X00 /f (4)
[0031] 其中，1"為激光平面上無(wú)窮遠(yuǎn)處一點(diǎn)在攝像機(jī)中投影的圖像坐標(biāo)。
[0032] 若將
寫成全微分形式，即可得到：
[0034] 若令Δ X = 〇即可以得到：
[0036] 由式(6)可以得到：
[0038] 其中，X為當(dāng)前目標(biāo)點(diǎn)的圖像坐標(biāo)；若可以控制Ay。，并通過(guò)圖像處理獲得相應(yīng)的 Ay，則結(jié)構(gòu)光的基長(zhǎng)b可確定。
[0039] (2)機(jī)器人手眼標(biāo)定
[0040] 如圖1所示，Ter是機(jī)器人手末端{(lán)E}相對(duì)于基座標(biāo){R}的轉(zhuǎn)換矩陣，可從機(jī)器人 的控制器上的歐拉角求出，包括旋轉(zhuǎn)矩陣Rer與平移向量tER，TCES攝像機(jī)坐標(biāo)系{C}相對(duì) 于機(jī)械手末端坐標(biāo)系{E}的轉(zhuǎn)換矩陣包括旋轉(zhuǎn)矩陣R ce與平移向量tCE。由于傳感器是固接 于機(jī)械手末端的，因此Ira不隨機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)而改變。
[0041] 如圖5所示，通過(guò)改變機(jī)器人的姿態(tài)多次檢測(cè)同一目標(biāo)點(diǎn)M，機(jī)器人在第i個(gè)位姿 下，目標(biāo)點(diǎn)M在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為ΜΛ機(jī)器人基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為Mr，存在如下轉(zhuǎn)換 關(guān)系：

[0044] 其中，Teri為機(jī)器人第i位姿，機(jī)械手末端相對(duì)于基坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，包括旋轉(zhuǎn) 矩陣Rew與平移向量t ERi〇
[0045] 式⑶展開可得：
[0047] 控制機(jī)械手對(duì)目標(biāo)點(diǎn)M就行對(duì)多次測(cè)量，可以得到：
[0049] 1)旋轉(zhuǎn)矩陣Rce求解
[0050] 如果運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)器人的姿態(tài)保持不變即Reri= Rer2 =…=R ERn= R0O
[0051] 由于R。是正交矩陣，即有Rf = Ri。通過(guò)多次測(cè)量可得：
tEEZ: tERl - fER3…tERl - tp肋]則式(1?可以寫為RceA1 = b !的矩陣方程，按奇異矩陣分 解法（SVD) Q求解，即
[0054] Rce= VUt (13)
[0055] 其中V和U分別為矩陣的右奇異矩陣和左奇異矩陣。
[0056] 2)平移向量tCE
[0057] 根據(jù)式（10)可得：
[0059] 控制機(jī)械手臂多個(gè)姿態(tài)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)可得到型如A2tffi= b 2
【主權(quán)項(xiàng)】
1.機(jī)器人激光掃描式焊縫跟蹤系統(tǒng)標(biāo)定方法，其特征在于該方法包括以下步驟： 步驟1.采用基于平面模板對(duì)傳感器里的攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)自由移動(dòng)傳感器，使得 攝像機(jī)采集到至少三個(gè)不同位置的模板圖像，根據(jù)最小二乘原理求解攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)； 步驟2.求取激光平面上無(wú)窮遠(yuǎn)處一點(diǎn)在攝像機(jī)中投影的圖像坐標(biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)光進(jìn)行標(biāo) 定，具體是： 將標(biāo)定靶水平放置，調(diào)節(jié)傳感器的位置，使攝像機(jī)的光軸垂直于標(biāo)定靶，激光平面與 兩條平行線交于A、B兩點(diǎn)，控制攝像機(jī)沿光軸方向移動(dòng)，得到一系列的交點(diǎn)~為，1 = 1，2··· n，其在攝像機(jī)中的投影為&1、b1;交點(diǎn)Aρ81在激光平面上形成兩條平行線，其在無(wú)窮遠(yuǎn)處 交于一點(diǎn)；將％與b 別擬合成直線，兩條直線的交點(diǎn)即激光平面上無(wú)窮遠(yuǎn)處一點(diǎn)在攝像 機(jī)中投影； 激光平面存在一點(diǎn)P(x。，y。，z。）在圖像平面的像點(diǎn)為p(x，y);根據(jù)三角法測(cè)量原理， 得：設(shè)點(diǎn)P為激光平面上無(wú)窮遠(yuǎn)處一點(diǎn)，即（X。，y。，z。）一 ％z。一 ％可以得知f· cotΘ-Xm -〇 即得： cot θ = χ〇ο /f (4) 其中，^為激光平面上無(wú)窮遠(yuǎn)處一點(diǎn)在攝像機(jī)中投影的圖像坐標(biāo)；若將其中，X為當(dāng)前目標(biāo)點(diǎn)的圖像坐標(biāo)；若可以控制Ay。，并通過(guò)圖像處理獲得相應(yīng)的Ay， 則結(jié)構(gòu)光的基長(zhǎng)b可確定； 步驟3.將標(biāo)定好的傳感器通過(guò)法蘭盤固定于機(jī)械手末端，通過(guò)改變機(jī)器人的姿態(tài)使 用傳感器檢測(cè)空間中同一目標(biāo)點(diǎn)，求解攝像機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)械手末端坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，具 體是： 通過(guò)改變機(jī)器人的姿態(tài)多次檢測(cè)同一目標(biāo)點(diǎn)M，機(jī)器人在第i個(gè)位姿下，目標(biāo)點(diǎn)Μ在攝 像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為ΜΛ機(jī)器人基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為MR，存在如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：其中，TERl為機(jī)器人第i位姿，機(jī)械手末端相對(duì)于基坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，包括旋轉(zhuǎn)矩陣ReW與干移向里tΕ??; 式⑶展開可得：控制機(jī)械手對(duì)目標(biāo)點(diǎn)Μ就行對(duì)多次測(cè)量，可以得到：1) 旋轉(zhuǎn)矩陣Rra求解 如果運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)器人的姿態(tài)保持不變即Rer1=RER2 =…=RERn=R。； 由于私是正交矩陣，即有Rf=Ri;通過(guò)多次測(cè)量可得：則式(12)可以寫為RffiA1=bi的矩陣方程，按奇異矩陣分解法Q求解，即Rce=VUt (13) 其中V和U分別為矩陣Aibj的右奇異矩陣和左奇異矩陣； 2) 平移向量tC[i 根據(jù)式（10)可得：控制機(jī)械手臂多個(gè)姿態(tài)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)可得到型如A2teE=b2
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種機(jī)器人激光掃描式焊縫跟蹤系統(tǒng)標(biāo)定方法。本發(fā)明首先采用基于平面模板對(duì)傳感器里的攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)自由移動(dòng)傳感器，使得攝像機(jī)采集到至少三個(gè)不同位置，根據(jù)最小二乘原理求解攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)。然后求取激光平面上無(wú)窮遠(yuǎn)處一點(diǎn)在攝像機(jī)中投影的圖像坐標(biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)光進(jìn)行標(biāo)定。最后將標(biāo)定好的傳感器通過(guò)法蘭盤固定于機(jī)械手末端，通過(guò)改變機(jī)器人的姿態(tài)使用傳感器檢測(cè)空間中同一目標(biāo)點(diǎn)，求解攝像機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)械手末端坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。本發(fā)明以機(jī)器人激光掃描式焊縫跟蹤系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用基于平面模板的攝像機(jī)標(biāo)定方法和激光平面上無(wú)窮遠(yuǎn)處一點(diǎn)在攝像機(jī)中投影的圖像坐標(biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)光參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。
【IPC分類】G06T7/00
【公開號(hào)】CN105303560
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510607458
【發(fā)明人】宋亞勤, 張斌
【申請(qǐng)人】中國(guó)計(jì)量學(xué)院
【公開日】2016年2月3日
【申請(qǐng)日】2015年9月22日