CN110064842A - 一种用于三面体焊缝定位的自动标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于三面体焊缝定位的自动标定方法，涉及定位自动标定领域。使用携带光学***的机器人分别扫描拍摄三面体焊缝的三条棱，建立三条棱在对应的机器人移动坐标系和结构光重建坐标系中的直线方程，将三条棱按照重建‑移动关系转换到移动坐标系，进而转换到全局坐标系中；求出一个在全局坐标系中与三条棱距离的平方和最小的点，以该点与三条棱距离的平方和为目标函数，使用最优化方法计算获得重建‑移动关系。本发明的方法能够简化用于三面体焊缝机器人焊接定位的标定过程，减少了光学***和机器人***的耦合程度；同时可以迭代地优化自动标定精度。

Description

一种用于三面体焊缝定位的自动标定方法

技术领域

本发明涉及定位自动标定领域，尤其涉及一种用于三面体焊缝定位的自动标定方法。

背景技术

三面体结构广泛存在于箱体焊接等应用场合中，针对三面体结构的自动化焊接中，基于三角测量法的线结构光光学***是一种具有较高精度的测量方法。然而，由于三面体结构具有空间起伏较大，旋转、偏移维度较多的特点，导致传统的单次扫描三角测量法无法直接应用于三面体焊缝的自动化定位中，而必须采用先多次扫描不同区域，再将多次扫描结果统一到一个坐标系的方法，其中必要的一步是重建坐标系标定，即在三角测量法中进行重建的坐标系和机器人移动坐标系的对应关系。

重建坐标系标定的传统方法为使用手眼关系标定来间接获得重建坐标系与机器人工具坐标系的对应关系。现有的标定方法或者需要多次重复拍摄同一点，或者需要事先确定标定点的准确位置参数以进行手眼标定,事先确定标定点的准确位置参数需要额外的、甚至精确定位的靶标；因此，传统坐标系标定的方法复杂，效率低、易受人为因素影响。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于三面体焊缝定位的自动标定方法,该方法能够简化现有标定的流程，实现光学装置和机器人***的去耦合，以及在后续的实际测量过程中，能够不断修正标定结果，提高标定精度。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种用于三面体焊缝定位的自动标定方法，能够简化现有标定的流程，实现光学装置和机器人***的去耦合，以及在后续的实际测量过程中，能够不断修正标定结果，提高标定精度。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于三面体焊缝定位的自动标定方法，包括以下步骤：

步骤1、使用携带光学***的机器人分别扫描拍摄三面体焊缝的三条棱，针对所述三条棱的扫描拍摄过程，分别建立三条棱在对应的机器人移动坐标系和结构光重建坐标系中的直线方程，并将所述三条棱在全局坐标系中的空间直线方程用包含重建-移动关系的形式表示，所述重建-移动关系是所述结构光重建坐标系与所述机器人移动坐标系的转换关系；

步骤2、求得在所述步骤1表示下，所述全局坐标系中距离所述三条棱距离的平方和最小的点的坐标表示；

步骤3、以所述步骤2中找到的所述点与所述三条棱的距离的平方和，建立目标函数；所述目标函数以所述重建-移动关系为变量；

步骤4、使用所述步骤3的目标函数最小时的所述重建-移动关系，将所述三条棱在对应的所述结构光重建坐标系中的直线方程转换至所述机器人移动坐标系，并进一步转换至所述全局坐标系；

步骤5、进行标定方法自优化，所述自优化为完成一组所述三面体焊缝结构定位后，在不干扰正常生产的情况下，结合本次标定新获得的所述重建-移动关系和之前获得的所述重建-移动关系，对所述重建-移动关系进行细调修正。

进一步地，所述光学***包括线结构光激光器和相机。

进一步地，所述光学***在初次使用前应该进行光学***参数标定，所述光学***参数标定包括所述相机的参数、所述线结构光激光器的线结构光所在平面与所述相机的相对位置关系。

进一步地，所述步骤1中建立三条棱在对应的所述结构光重建坐标系中的直线方程包括如下步骤：

步骤1.1、记录针对所述三条棱的扫描拍摄时的所述机器人的位置信息，所述机器人的位置信息包括所述机器人的末端执行器的起始和结束位置坐标、图像拍摄位置间距、坐标系参数；

步骤1.2、根据拍摄的图像，获得三条棱对应的线结构光图像；

步骤1.3、根据所述光学***的标定信息和三角测量法原理，将所述线结构光图像的激光线图像坐标转换为线结构光平面与三面体表面交线在所述线结构光平面的坐标；

步骤1.4、根据所述步骤1.1中记录的所述机器人的位置信息，计算出每两次图像拍摄时所述线结构光平面的移动矢量，并以此分别计算三面体三条棱在相应的所述结构光重建坐标系中的空间直线方程。

进一步地，所述机器人的末端执行器的位置坐标是指所述机器人工具坐标系原点在所述全局坐标系中的坐标，所述机器人末端执行器的坐标系参数是指所述机器人工具坐标系的z轴在所述全局坐标系中的单位向量。

进一步地，所述线结构光平面是指所述光学***的所述线结构光激光器发出的线结构光所在的面。

进一步地，所述步骤3中的目标函数的表达式如下：

式中，表示假设所述结构光重建坐标系和所述机器人移动坐标系重合时，第i条棱起始点在所述全局坐标系中的坐标，表示第i个所述机器人移动坐标系z轴方向在所述全局坐标系中的单位向量；d为所述结构光重建坐标系原点与所述机器人移动坐标系原点的距离；为所述第i条棱在所述全局坐标系中的方向单位向量；为空间中某一点，λ_i为所述第i条棱对应的一个变量。

进一步地，所述光学***的所述线结构光平面的法向与所述机器人工具坐标系z轴方向垂直，所述机器人扫描拍摄时的运动方向与所述线结构光平面垂直。

进一步地，所述机器人移动坐标系的原点与所述机器人扫描起始位置工具坐标系的原点重合，所述机器人移动坐标系的z轴方向与所述机器人工具坐标系z轴方向一致，所述机器人移动坐标系的y轴方向与所述机器人扫描拍摄时的运动方向一致，所述机器人移动坐标系的x轴方向满足右手系要求。

进一步地，所述结构光重建坐标系的原点位于对应的所述机器人移动坐标系的z轴上，所述结构光重建坐标系的y轴方向与所述机器人扫描拍摄时的运动方向一致，所述结构光重建坐标系的x轴方向满足右手系要求。

与现有技术相比，本发明的方法具有以下有益效果：

1本发明利用三面体焊缝结构中三条棱相交于一点的结构特点，设计了将结构光重建坐标系标定与实际的三面体焊缝结构定位过程相结合的，免于手眼标定的自动标定方法，解决了以往的手眼标定方法需要控制机器人进行额外的手眼标定流程，或者需要额外的、甚至精确定位的靶标的缺陷，具有检测方法简便可靠，无需增加特殊的检测靶标，实现了光学***与机器人***的解耦合，安装光学***后的机器人定位***不再需要额外的手眼标定流程的有益效果。

2本发明将结构光重建坐标系标定与生产中的定位过程相结合，在应用中可以不断细调修正重建-移动关系，具有提高标定精度的有益效果。

3本发明在焊接的工件定位领域具有广泛的应用前景，同时也为其他形状工件定位的自动标定提供了一条新的思路。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的流程示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的光学***扫描拍摄棱的图像；

图3是本发明的一个较佳实施例的机器人移动坐标系示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的自动标定前后棱线坐标转换示意图。

其中，1-机器人移动坐标系的y轴，2-机器人移动坐标系的z轴，3-自动标定前棱线，4-自动标定后棱线，5-自动标定前中心点，6-自动标定后中心点。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本实施例中公开了一种用于三面体焊缝定位的自动标定方法，将三面体结构位置参数的实际测量与结构光重建坐标系标定过程相结合，实现自动标定的方法。首先，使用一个线结构光激光器和一台工业摄像机构建一套结构光光学***。完成光学***的标定。然后使用携带该光学***的机器人按照预先设定轨迹分别使用扫描拍摄三面体结构的三条棱，获得三组线结构光图像。在拍摄过程中，需要记录每组拍摄时机器人末端执行器的起始位置坐标、结束位置坐标、工具坐标系z轴朝向等信息，从而构建出三个机器人移动坐标系和三个结构光重建坐标系。根据结构光光学***的标定信息和三角测量法原理，将每张图像中的激光线图像坐标转换为线结构光平面与三面体表面交线在线结构光平面的坐标。根据机器人移动的起始位置、结束位置、图像拍摄位置间距，计算出每两次图像拍摄时线结构光平面的移动矢量，并以此分别计算三面体三条棱在相应的结构光重建坐标系中的空间直线方程。三个结构光重建坐标系和三个相应的机器人移动坐标系之间存在固定的转换关系，称为重建-移动关系。将三条棱按照假设的重建-移动关系转换到移动坐标系，进而转换到全局坐标系中。进而求出一个在全局坐标系中与三条棱距离的平方和最小的点，以该点与三条棱距离的平方和为目标函数，使用最优化方法计算获得重建-移动关系。

具体包括如下步骤：

步骤1、使用携带光学***的机器人分别扫描拍摄三面体焊缝的三条棱，针对三条棱的扫描拍摄过程，分别建立三条棱在对应的机器人移动坐标系和结构光重建坐标系中的直线方程，并将三条棱在全局坐标系中的空间直线方程用包含重建-移动关系的形式表示，重建-移动关系是结构光重建坐标系与机器人移动坐标系的转换关系；本实施例中采用红色线结构激光发射器与工业CCD相机组成光学***，光学***在初次使用前应该进行光学***参数标定，光学***参数标定包括工业CCD相机的参数、红色线结构激光发射器的线结构光所在平面与工业CCD相机的相对位置关系；光学***固定安装在机器人末端执行器上：线结构光平面是指光学***的线结构光激光器发出的线结构光所在的面；光学***的线结构光平面的法向与机器人工具坐标系z轴方向垂直，机器人扫描拍摄时的运动方向与线结构光平面垂直；机器人移动坐标系的原点与机器人扫描起始位置工具坐标系的原点重合，机器人移动坐标系的z轴2方向与机器人工具坐标系z轴方向一致，机器人移动坐标系的y轴1方向与机器人扫描拍摄时的运动方向一致，机器人移动坐标系的x轴方向满足右手系要求；结构光重建坐标系的原点位于对应的机器人移动坐标系的z轴2上，结构光重建坐标系的y轴方向与机器人扫描拍摄时的运动方向一致，结构光重建坐标系的x轴方向满足右手系要求；建立三条棱在对应的结构光重建坐标系中的直线方程具体包括如下子步骤：

步骤1.1、记录针对三条棱的扫描拍摄时的机器人的位置信息，机器人的位置信息包括机器人的末端执行器的起始和结束位置坐标、图像拍摄位置间距、坐标系参数；机器人的末端执行器的位置坐标是指机器人工具坐标系原点在全局坐标系中的坐标，机器人末端执行器的坐标系参数是指机器人工具坐标系的z轴在全局坐标系中的单位向量；

步骤1.2、根据拍摄的图像，获得三条棱对应的线结构光图像；

步骤1.3、根据光学***的标定信息和三角测量法原理，将线结构光图像的激光线图像坐标转换为线结构光平面与三面体表面交线在线结构光平面的坐标；

步骤1.4、根据步骤1.1中记录的机器人的位置信息，计算出每两次图像拍摄时线结构光平面的移动矢量，并以此分别计算三面体三条棱在相应的结构光重建坐标系中的空间直线方程；

步骤2、求得在步骤1表示下，全局坐标系中距离三条棱距离的平方和最小的点的坐标表示；

步骤3、以步骤2中找到的点与三条棱的距离的平方和，建立目标函数；目标函数以重建-移动关系为变量；目标函数的表达式如下：

式中，表示假设结构光重建坐标系和机器人移动坐标系重合时，第i条棱起始点在全局坐标系中的坐标，表示第i个机器人移动坐标系的z轴2方向在全局坐标系中的单位向量；d为结构光重建坐标系原点与机器人移动坐标系原点的距离；为第i条棱在全局坐标系中的方向单位向量；为空间中某一点，λ_i为第i条棱对应的一个变量；

步骤4、使用步骤3的目标函数最小时的重建-移动关系，将三条棱在对应的结构光重建坐标系中的直线方程转换至机器人移动坐标系，并进一步转换至全局坐标系；

步骤5、进行标定方法自优化，自优化为完成一组三面体焊缝结构定位后，在不干扰正常生产的情况下，结合本次标定新获得的重建-移动关系和之前获得的重建-移动关系，对重建-移动关系进行细调修正。

如图1所示为本实施例的流程示意图。本实施例中的被检测对象为三面体结构工件，使用红色线结构激光发射器与工业CCD相机组成的光学***，其扫描速度为10mm/s，扫描拍摄频率为10Hz。如图2所示为光学***扫描拍摄时获得的三面体一条棱的一个图像，依次扫描拍摄三面体三条棱获得三面体三条棱的扫描拍摄图像。

在机器人末端工具坐标系，建立如图3所示机器人移动坐标系，原点和机器人移动坐标系的z轴2均与工具坐标系相同，可以通过机器人控制***直接读出；机器人移动坐标系的y轴1为机器人移动方向，根据设定的机器人程序中的起始点和终点可以计算获得。

针对每条棱，提取拍摄图像中的棱信息，根据光学***的标定信息，在结构光重建坐标系中重建出棱的空间方程。假设结构光重建坐标系与机器人移动坐标系重合，直接将结构光重建坐标系中的棱线转换到全局空间中，获得如图4中的三条自动标定前棱线3，可以看到，三条自动标定前棱线3并不交于一点，这是因为结构光重建坐标系和机器人移动坐标系之间存在偏移。但我们依然可以找到一个与三条线的距离平方和最小的点，如图4中所示自动标定前中心点5。利用优化函数的求解，可以获得使这个点与三条线距离平方和最小时的重建-移动关系。利用该重建-移动关系将棱线转换到机器人移动坐标系中，再转换到全局坐标系中，获得图4中的三条自动标定后棱线4，可以看到的三条自动标定后棱线4相交于自动标定后中心点6，且位置与预设的三面***置相同。

测试结果显示，获得的重建-移动关系较好地实现了棱线从结构光重建坐标系到机器人移动坐标系的坐标转换，表明基于三面体先验信息的自动标定方法在不进行额外手眼标定工作的条件下，成功解决了光学***重建坐标至全局坐标转换的问题。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于三面体焊缝定位的自动标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、使用携带光学***的机器人分别扫描拍摄三面体焊缝的三条棱，针对所述三条棱的扫描拍摄过程，分别建立三条棱在对应的机器人移动坐标系和结构光重建坐标系中的直线方程，并将所述三条棱在全局坐标系中的空间直线方程用包含重建-移动关系的形式表示，所述重建-移动关系是所述结构光重建坐标系与所述机器人移动坐标系的转换关系；

步骤2、求得在所述步骤1表示下，所述全局坐标系中距离所述三条棱距离的平方和最小的点的坐标表示；

步骤3、以所述步骤2中找到的所述点与所述三条棱的距离的平方和，建立目标函数；所述目标函数以所述重建-移动关系为变量；

步骤4、使用所述步骤3的目标函数最小时的所述重建-移动关系，将所述三条棱在对应的所述结构光重建坐标系中的直线方程转换至所述机器人移动坐标系，并进一步转换至所述全局坐标系；

步骤5、进行标定方法自优化，所述自优化为完成一组所述三面体焊缝结构定位后，在不干扰正常生产的情况下，结合本次标定新获得的所述重建-移动关系和之前获得的所述重建-移动关系，对所述重建-移动关系进行细调修正。

2.如权利要求1所述的用于三面体焊缝定位的自动标定方法，其特征在于，所述光学***包括线结构光激光器和相机。

3.如权利要求2所述的用于三面体焊缝定位的自动标定方法，其特征在于，所述光学***在初次使用前应该进行光学***参数标定，所述光学***参数标定包括所述相机的参数、所述线结构光激光器的线结构光所在平面与所述相机的相对位置关系。

4.如权利要求3所述的用于三面体焊缝定位的自动标定方法，其特征在于，所述步骤1中建立三条棱在对应的所述结构光重建坐标系中的直线方程包括如下步骤：

步骤1.1、记录针对所述三条棱的扫描拍摄时的所述机器人的位置信息，所述机器人的位置信息包括所述机器人的末端执行器的起始和结束位置坐标、图像拍摄位置间距、坐标系参数；

步骤1.2、根据拍摄的图像，获得三条棱对应的线结构光图像；

步骤1.3、根据所述光学***的标定信息和三角测量法原理，将所述线结构光图像的激光线图像坐标转换为线结构光平面与三面体表面交线在所述线结构光平面的坐标；

步骤1.4、根据所述步骤1.1中记录的所述机器人的位置信息，计算出每两次图像拍摄时所述线结构光平面的移动矢量，并以此分别计算三面体三条棱在相应的所述结构光重建坐标系中的空间直线方程。

5.如权利要求4所述的用于三面体焊缝定位的自动标定方法，其特征在于，所述机器人的末端执行器的位置坐标是指所述机器人工具坐标系原点在所述全局坐标系中的坐标，所述机器人末端执行器的坐标系参数是指所述机器人工具坐标系的z轴在所述全局坐标系中的单位向量。

6.如权利要求5所述的用于三面体焊缝定位的自动标定方法，其特征在于，所述线结构光平面是指所述光学***的所述线结构光激光器发出的线结构光所在的面。

7.如权利要求6所述的用于三面体焊缝定位的自动标定方法，其特征在于，所述步骤3中的目标函数的表达式如下：

式中，表示假设所述结构光重建坐标系和所述机器人移动坐标系重合时，第i条棱起始点在所述全局坐标系中的坐标，表示第i个所述机器人移动坐标系z轴方向在所述全局坐标系中的单位向量；d为所述结构光重建坐标系原点与所述机器人移动坐标系原点的距离；为所述第i条棱在所述全局坐标系中的方向单位向量；为空间中某一点，λ_i为所述第i条棱对应的一个变量。

8.如权利要求7所述的用于三面体焊缝定位的自动标定方法，其特征在于，所述光学***的所述线结构光平面的法向与所述机器人工具坐标系z轴方向垂直，所述机器人扫描拍摄时的运动方向与所述线结构光平面垂直。

9.如权利要求8所述的用于三面体焊缝定位的自动标定方法，其特征在于，所述机器人移动坐标系的原点与所述机器人扫描起始位置工具坐标系的原点重合，所述机器人移动坐标系的z轴方向与所述机器人工具坐标系z轴方向一致，所述机器人移动坐标系的y轴方向与所述机器人扫描拍摄时的运动方向一致，所述机器人移动坐标系的x轴方向满足右手系要求。

10.如权利要求9所述的用于三面体焊缝定位的自动标定方法，其特征在于，所述结构光重建坐标系的原点位于对应的所述机器人移动坐标系的z轴上，所述结构光重建坐标系的y轴方向与所述机器人扫描拍摄时的运动方向一致，所述结构光重建坐标系的x轴方向满足右手系要求。