CN112070133B - 一种基于测距仪和机器视觉的三维空间点定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于测距仪和机器视觉的三维空间点定位的方法，通过建立世界坐标系，对待加工工件的基准面进行机械调整对位、视觉对位，通过激光头坐标系{T}相对于工件坐标系{G}的相对位姿矩阵关系，逆求解处下一个加工位置处所述运动组件各个关节的参数，控制所述运动组件的各个轴运动到相应位置，即完成一次定位，激光头对准加工位置进行加工即可；本方法能够用于三维激光加工中，对待加工工件的位姿进行高精度校正，解决了三维激光加工中，因为待加工工件安装定位精度低而无法重复进行精确定位加工的问题，达到准确定位和精确加工的目的。

Description

一种基于测距仪和机器视觉的三维空间点定位的方法

技术领域

本发明涉及到激光加工技术领域，具体涉及到一种基于测距仪和机器视觉的三维空间点定位的方法。

背景技术

随着激光激光加工应用的进一步拓展，三维精密激光加工在激光应用领域所占比重日渐增大；

在传统的平面高精度激光加工应用中，以机器视觉为核心的位置校正/对正***已经普及。在建立了XY二维坐标系的二维平面中，任意一个图形的位置和姿态通过(x、y、θ)三个变量就可以确定，x、y为其在平面坐标系中的位置，θ为其与X轴的夹角。通过已校正的相机获取一个或多个基准点的平面坐标信息(x、y、θ)即可计算出待加工工件的实际位置相对于加工图档的偏移距离和旋转角度。对加工图档或待加工工件进行偏移旋转，即可在工件指定位置进行精确加工。

但是在三维激光加工中，还缺乏一种通用的三维空间点定位的方法。在建立了XYZ三维坐标系的三维空间中任意一个物体的空间信息由位置(x、y、z)和姿态(Px、Py、Pz)组成，Px、Py、Pz为列向量；空间任意一个物体的空间位置信息很难精确获取，获取之后也难以进行计算。因此，三维位姿的点定位的方法成为三维激光加工中的一个难题。

如中国发明专利(公开号：CN103557796B)在2016年公开了一种基于激光测距和计算机视觉的三维定位***，包括：激光测距仪，用于测量到被定位物体的距离；定位装置，与激光测距仪连接，用于带动该激光测距仪在极坐标系内运动；摄像机，用于将被定位物体和激光测距仪发出的光点拍入视场；计算机，用于处理从激光测距仪和摄像机获得的数据。本发明可以通过自动调节***精密检测出被测目标相对于测试者的空间位置坐标，进而导出实际的精密三维坐标，在工业、交通等行业具有广泛的应用。但是该三维定位***并没有给出如何准确确定待加工工件加工点位置坐标信息，坐标系的选取和数据的处理存在不足。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于测距仪和机器视觉的三维空间点定位的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于测距仪和机器视觉的三维空间点定位的方法，包括如下步骤，

步骤(1)：建立世界坐标系XYZ；

步骤(2)：设定一个与XY平面平行的基准面，调整激光焦点到所述基准面上，此时距离传感器到基准面的距离为h；在所述基准面上对相机进行校正，将所述相机校正到XY坐标系中；

步骤(3)：调节所述距离传感器的位置，使所述相机的焦平面处于所述距离传感器的有效测量范围内；

步骤(4)：夹持待加工工件；

步骤(5)：通过运动组件移动所述待加工工件，使所述待加工工件的基准面处于所述距离传感器的有效测量范围；

步骤(6)：控制所述运动组件在所述XY平面移动所述待加工工件并使所述待加工工件的基准面平行于XY平面，通过所述距离传感器测量与所述待加工工件的基准面的距离、并调整所述待加工工件的基准面的位置使所述距离传感器的测量值达到标准距离h；

步骤(7)：通过所述待加工工件的基准面上特征点或特征图形计算出此时所述待加工工件的基准面在XY平面的角度θ；

步骤(8)：经过所述步骤(2)～所述步骤(6)的对准过程以后，设所述运动组件各个关节的参数为(x₁，y₁，z₁，...),求出激光头坐标系相对于工件坐标系的相对位置

由公式

可知此时

则

步骤(9)：激光头在所述待加工工件上加工的下一个位置处，激光头坐标系{T}相对于工件坐标系{G}的相对位姿矩阵位设为

由于所述待加工工件位置已经固定，因此所述运动组件的运动矩阵

保持不变，所以

由

求出

即

步骤(10)：由

求逆解，得到下一个加工位置处所述运动组件各个关节的参数(x₂，y₂，z₂...)，控制所述运动组件的各个轴运动到(x₂，y₂，z₂...)，即完成一次定位，激光头对准加工位置进行加工即可。

本方法能够用于三维激光加工中，对待加工工件的位姿进行高精度校正，解决了三维激光加工中，因为待加工工件安装定位精度低而无法重复进行精确定位加工的问题。

本方法包含了机械调整对位、视觉对位、位置校正以及加工位置计算的过程，通过不同坐标系及位姿矩阵的空间关系，结合初始位置点和算法能够准确计算下一加工位置点，并进行相应的运动控制，达到准确定位和精确加工的目的。

通过所述步骤(2)～所述步骤(6)的对位调整，能够使所述待加工工件的基准面与所述XY平面的基准面平行或重合，有利于所述步骤(7)～所述步骤(9)坐标系间激光头和运动组件的位置的准确计算，从而得到准确的加工点位置。

进一步的，在所述步骤(6)中，所述待加工工件的基准面的调整方法如下：

步骤(601)：控制所述运动组件在所述XY平面移动所述待加工工件，通过测距仪测量所述待加工工件的基准面上非一条线上的三个点的距离值，则根据三个点的X、Y及距离值求出所述待加工工件基准面上两个向量，再根据两个向量求出基准面的法向量；

步骤(602)：根据所述步骤(601)中求出的所述待加工工件的基准面的法向量，结合所述运动组件的正/逆运动矩阵、所述运动组件的当前坐标，控制所述运动组件移动所述待加工工件使所述待加工工件的基准面平行于XY平面；

步骤(603)：通过所述距离传感器再次测量所述待加工工件的基准面的距离，通过所述运动组件调整Z轴高度使所述距离传感器的测量值达到标准距离h。

进一步的，重复所述步骤(7)～所述步骤(10)完成所述待加工工件多个加工位置的定位。

进一步的，以所述待加工工件的基准面上的一点为原点，垂直于所述待加工工件的基准面的方向为Z轴方向建立所述工件坐标系{G}；以所述激光头的焦点为原点，与激光相反的方向为Z轴方向建立所述激光头坐标系{T}。

进一步的，所述运动组件为运动平台和/或机械臂。

进一步的，根据建立的所述世界坐标系、以及加工过程中涉及的轴数，分别建立各轴的坐标系、夹具坐标系、所述待加工工件坐标系、所述激光头坐标系并分别编号。

进一步的，所述步骤(1)～所述步骤(10)中运用到的部件包括与工控机连接的所述相机、所述距离传感器和运动控制器，所述运动控制器连接所述运动组件；

所述距离传感器用于测量到所述待加工工件的距离；所述相机用于将待加工工件和激光焦点拍入视场；所述运动控制器用于控制所述待加工工件在设定的坐标系内运动；所述工控机用于处理从所述距离传感器、所述相机以及所述运动控制器获得的数据。

进一步的，所述步骤(2)～所述步骤(5)是通过机械调整对位；所述步骤(6)在完成距离h的调整后，通过视觉寻找位置识别点，使激光焦点最终在所述待加工工件顶点正中心，完成视觉对准。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本方法能够用于三维激光加工中，对待加工工件的位姿进行高精度校正，解决了三维激光加工中，因为待加工工件安装定位精度低而无法重复进行精确定位加工的问题；2、本方法的算法简单合理、而且是基于现有三维激光加工设备进行的，不需要设置额外的装置，避免了设备改造的投入；3、本方法包含了机械调整对位、视觉对位、位置校正以及加工位置计算的过程，通过不同坐标系及位姿矩阵的空间关系，结合初始位置点和算法能够准确计算下一加工位置点，并进行相应的运动控制，达到准确定位和精确加工的目的；4、通过所述步骤(2)～所述步骤(6)的对位调整，能够使所述待加工工件的基准面与所述XY平面的基准面平行或重合，有利于所述步骤(7)～所述步骤(9)坐标系间激光头和运动组件的位置的准确计算，从而得到准确的加工点位置。

附图说明

图1为本发明一种基于测距仪和机器视觉的三维空间点定位的方法的模块布置示意图；

图2为本发明一种基于测距仪和机器视觉的三维空间点定位的方法中坐标系的位置示意图；

图3为本发明实施例二中三维五轴运动平台的各轴示意图；

图4为本发明实施例二中坐标系建立过程的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1所示，一种基于测距仪和机器视觉的三维空间点定位的方法，装置主要包括工控机，以及与所述工控机连接的相机、距离传感器和运动控制器，所述运动控制器连接至运动组件(运动平台/机械臂)；

所述距离传感器用于测量到所述待加工工件的距离；所述相机用于将待加工工件和激光焦点拍入视场；所述运动控制器用于控制所述待加工工件在设定的坐标系内运动；所述工控机用于处理从所述距离传感器、所述相机以及所述运动控制器获得的数据。

方法包括如下步骤：

步骤(1)：建立世界坐标系XYZ；

步骤(2)：设定一个与XY平面平行的基准面，调整激光焦点到所述基准面上，此时距离传感器到基准面的距离为h；在所述基准面上对相机进行校正，将所述相机校正到XY坐标系中；

步骤(3)：调节所述距离传感器的位置，使所述相机的焦平面处于所述距离传感器的有效测量范围内；

步骤(4)：夹持待加工工件；

步骤(5)：通过运动组件移动所述待加工工件，使所述待加工工件的基准面处于所述距离传感器的有效测量范围；

步骤(6)：控制所述运动组件在所述XY平面移动所述待加工工件并使所述待加工工件的基准面平行于XY平面，通过所述距离传感器测量与所述待加工工件的基准面的距离、并调整所述待加工工件的基准面的位置使所述距离传感器的测量值达到标准距离h；

步骤(7)：通过所述待加工工件的基准面上特征点或特征图形计算出此时所述待加工工件的基准面在XY平面的角度θ；

步骤(8)：经过所述步骤(2)～所述步骤(6)的对准过程以后，设所述运动组件各个关节的参数为(x₁，y₁，z₁，...),求出激光头坐标系相对于工件坐标系的相对位置

由公式

可知此时

则

步骤(9)：激光头在所述待加工工件上加工的下一个位置处，激光头坐标系{T}相对于工件坐标系{G}的相对位姿矩阵位设为

由于所述待加工工件位置已经固定，因此所述运动组件的运动矩阵

保持不变，所以

由

求出

即

步骤(10)：由

求逆解，得到下一个加工位置处所述运动组件各个关节的参数(x₂，y₂，z₂...)，控制所述运动组件的各个轴运动到(x₂，y₂，z₂...)，即完成一次定位，激光头对准加工位置进行加工即可。

具体的，在所述步骤(6)中，所述待加工工件的基准面的调整方法如下：

步骤(601)：控制所述运动组件在所述XY平面移动所述待加工工件，通过测距仪测量所述待加工工件的基准面上非一条线上的三个点的距离值，则根据三个点的X、Y及距离值求出所述待加工工件基准面上两个向量，再根据两个向量求出基准面的法向量；

步骤(602)：根据所述步骤(601)中求出的所述待加工工件的基准面的法向量，结合所述运动组件的正/逆运动矩阵、所述运动组件的当前坐标，控制所述运动组件移动所述待加工工件使所述待加工工件的基准面平行于XY平面；

步骤(603)：通过所述距离传感器再次测量所述待加工工件的基准面的距离，通过所述运动组件调整Z轴高度使所述距离传感器的测量值达到标准距离h。

具体的坐标系的建立如图2所示，以所述待加工工件的基准面上的一点为原点，垂直于所述待加工工件的基准面的方向为Z轴方向建立所述工件坐标系{G}；以所述激光头的焦点为原点，与激光相反的方向为Z轴方向建立所述激光头坐标系{T}。

本方法能够用于三维激光加工中，对待加工工件的位姿进行高精度校正，解决了三维激光加工中，因为待加工工件安装定位精度低而无法重复进行精确定位加工的问题。

本方法包含了机械调整对位、视觉对位、位置校正以及加工位置计算的过程，通过不同坐标系及位姿矩阵的空间关系，结合初始位置点和算法能够准确计算下一加工位置点，并进行相应的运动控制，达到准确定位和精确加工的目的。

实施例二：

本实施例以在XYZ+AC轴的三维五轴***中进行激光加工为例，详细描述三维空间点定位的方法。

如图3和4所示，首先建立坐标系，设定A轴与C轴正交，并且A轴与C轴的旋转轴交点为O，A轴与Y轴平行，坐标系建立过程参见表1。

表1：坐标系建立方式

其中，机械坐标系可以理解为世界坐标系XYZ，如果0号坐标系建立在的与机械坐标系平行，则0号坐标系与待加工工件相对。

基于上述坐标系，设计D-H参数表(表2)，并列出坐标系间矩阵关系。

表2：D-H参数表

i	α<sub>i-1</sub>	a<sub>i-1</sub>	d<sub>i</sub>	θ<sub>i</sub>
					1	0	0	0	θ1
2	-90°	0	0	θ2
					3	90°	0	0	0

由上述矩阵关系可知，

只与d₁、d₂、d₃、θ₁、θ₂的值相关；式中，d₁代表X轴坐标，d₂代表Y轴坐标，d₃代表Z轴坐标，θ₁代表C轴角度(顺时针为正)，θ₂代表A轴角度(顺时针为正)。

d₁、d₂、d₃、θ₁、θ₂的值具体计算过程如下：

第一步，机械调整对位

(1)AC轴调整到正交；

(2)XYZ轴调整到正交；

(3)A轴与X轴/Y轴调整到平行；

(4)激光与Z轴调整到平行；

(5)通过调整A轴，使C轴旋转轴与Z轴平行，并记录此时A轴位置A1。

第二步，视觉对位

(1)A轴移动到A1位置；

(2)视觉测试基准面上3个点(不在一条线上)的高度；

(3)通过3个点的X、Y轴信息及高度信息，算出平面上的两个向量，并求出基准面的法向量；

(4)求出法向量与机械坐标系的XZ平面的夹角，旋转C轴使法向量转动到XZ平面；

(5)求出法向量与机械坐标系的Z轴的夹角，旋转A轴使法向量转动到与Z轴平行；

(6)再次测试基准面高度，移动机械坐标系的Z轴，使距离为设定值；

(7)视觉寻找mark点，使激光焦点最终在待加工工件顶点正中心，完成视觉对准。

第三步，位置校正及加工位置计算

(1)视觉对位完成之后，5号坐标系和4号坐标系Z轴重合，但X/Y轴不重合存在角度θ_d(视觉提供),

求出

(r为球心半径)，

根据此时的d₁、d₂、d₃、θ₁、θ₂的值可以算出

由

可求出

(2)假设需要加工第一个点在工件坐标系极坐标位置为(θ_x，θ_z，r),θ_x为X轴的夹角，θ_z为Z轴的夹角，r为球心半径，则

由Z-Y-X欧拉角旋转公式(参考《机器人学导论》P30页)：

其中α为绕

β为绕

γ为绕

α＝θ_x；β＝θ_z；γ＝0；

则，

再沿B坐标系Z轴方向移动r，即平移向量为(0,0,r)；

最终变换矩阵为：

(3)待加工工件被夹持固定后位置相对不变，

(4)根据

的值，求逆解，即可得出d₁、d₂、d₃、θ₁、θ₂的值，具体如下。

解出，出现以下4种情况

情况1：如果θ₁！＝0,θ₂！＝0,即A/C轴角度！＝0，则：

θ₂＝acos(r22)A轴

θ₁＝acos(r11)C轴

θ₁＝atan(r12/r02)由于只有4号坐标系Z轴方向是确定的

d₃＝r₀₃cθ₁sθ₂+r₁₃sθ₁sθ₂+r₂₃cθ₂

d₁＝(cθ₂d₃-r₂₃)/sθ₂

d₂＝(cθ₁cθ₂d₁+cθ₁sθ₂d₃-r₀₃)/sθ₁

情况2：如果θ₁＝0,θ₂＝0,即A/C轴角度＝0，则：

d₃＝r₂₃

d₁＝r₀₃

d₂＝r₁₃

情况3：如果θ₁＝0,即C轴角度＝0，A轴角度！＝0，则：

θ₂＝acos(r22)A轴

θ₁＝0C轴

d₃＝r₀₃sθ₂+r₂₃cθ₂

d₁＝r₀₃cθ₂-r₂₃sθ₂

d₂＝r₁₃

情况4：如果θ₂＝0,即A轴角度＝0，C轴角度！＝0，则：

θ₂＝0A轴

θ₁＝acos(r11)C轴

d₃＝r₂₃

d₁＝cθ₁r₀₃+sθ₁r₁₃

d₂＝cθ₁r₁₃-sθ₁r₀₃

根据上述计算后，就能够确定X轴坐标，Y轴坐标，Z轴坐标，C轴角度和A轴角度，从而能够准确控制激光头对准待加工工件进行加工。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于测距仪和机器视觉的三维空间点定位的方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤（1）：建立世界坐标系XYZ；

步骤（2）：设定一个与XY平面平行的基准面，调整激光焦点到所述基准面上，此时距离传感器到基准面的距离为h；在所述基准面上对相机进行校正，将所述相机校正到XY坐标系中；

步骤（3）：调节所述距离传感器的位置，使所述相机的焦平面处于所述距离传感器的有效测量范围内；

步骤（4）：夹持待加工工件；

步骤（5）：通过运动组件移动所述待加工工件，使所述待加工工件的基准面处于所述距离传感器的有效测量范围；

步骤（6）：控制所述运动组件在所述XY平面移动所述待加工工件并使所述待加工工件的基准面平行于XY平面，通过所述距离传感器测量与所述待加工工件的基准面的距离、并调整所述待加工工件的基准面的位置使所述距离传感器的测量值达到标准距离h；

步骤（7）：通过所述待加工工件的基准面上特征点或特征图形计算出此时所述待加工工件的基准面在XY平面的角度θ；

步骤（8）：经过所述步骤（2）～所述步骤（6）的对准过程以后，设所述运动组件各个关节的参数为（x₁，y₁，z₁...）,求出激光头坐标系相对于工件坐标系的相对位置

；

由公式

，可知此时

,则

；以所述待加工工件的基准面上的一点为原点，垂直于所述待加工工件的基准面的方向为Z轴方向建立所述工件坐标系{G}；以所述激光头的焦点为原点，与激光相反的方向为Z轴方向建立所述激光头坐标系{T}；坐标系{B}为所述运动部件的固定部分基准面的中心点的坐标；

步骤（9）：激光头在所述待加工工件上加工的下一个位置处，激光头坐标系{T}相对于工件坐标系{G}的相对位姿矩阵位设为

；由于所述待加工工件位置已经固定，因此所述运动组件的运动矩阵

保持不变，所以

； 由

求出

，

即

=

；

步骤（10）：由

求逆解，得到下一个加工位置处所述运动组件各个关节的参数（x₂，y₂，z₂...），控制所述运动组件的各个轴运动到（x₂，y₂，z₂...），即完成一次定位，激光头对准加工位置进行加工即可；

所述步骤（2）～所述步骤（5）是通过机械调整对位；所述步骤（6）在完成距离h的调整后，通过视觉寻找位置识别点，使激光焦点最终在所述待加工工件顶点正中心，完成视觉对准。

2.根据权利要求1所述的基于测距仪和机器视觉的三维空间点定位的方法，其特征在于，在所述步骤（6）中，所述待加工工件的基准面的调整方法如下：

步骤（601）：控制所述运动组件在所述XY平面移动所述待加工工件，通过测距仪测量所述待加工工件的基准面上非一条线上的三个点的距离值，则根据三个点的X、Y及距离值求出所述待加工工件基准面上两个向量，再根据两个向量求出基准面的法向量；

步骤（602）：根据所述步骤（601）中求出的所述待加工工件的基准面的法向量，结合所述运动组件的正/逆运动矩阵、所述运动组件的当前坐标，控制所述运动组件移动所述待加工工件使所述待加工工件的基准面平行于XY平面；

步骤（603）：通过所述距离传感器再次测量所述待加工工件的基准面的距离，通过所述运动组件调整Z轴高度使所述距离传感器的测量值达到标准距离h。

3.根据权利要求1所述的基于测距仪和机器视觉的三维空间点定位的方法，其特征在于，重复所述步骤（7）～所述步骤（10）完成所述待加工工件多个加工位置的定位。

4.根据权利要求1所述的基于测距仪和机器视觉的三维空间点定位的方法，其特征在于，所述运动组件为运动平台和/或机械臂。

5.根据权利要求1所述的基于测距仪和机器视觉的三维空间点定位的方法，其特征在于，根据建立的所述世界坐标系、以及加工过程中涉及的轴数，分别建立各轴的坐标系、夹具坐标系、所述待加工工件坐标系、所述激光头坐标系并分别编号。

6.根据权利要求1所述的基于测距仪和机器视觉的三维空间点定位的方法，其特征在于，所述步骤（1）～所述步骤（10）中运用到的部件包括与工控机连接的所述相机、所述距离传感器和运动控制器，所述运动控制器连接所述运动组件；

所述距离传感器用于测量到所述待加工工件的距离；所述相机用于将待加工工件和激光焦点拍入视场；所述运动控制器用于控制所述待加工工件在设定的坐标系内运动；所述工控机用于处理从所述距离传感器、所述相机以及所述运动控制器获得的数据。

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