CN113063348A - 一种基于立体参考物的结构光自垂直弧形焊缝扫描方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于立体参考物的结构光自垂直弧形焊缝扫描方法，首先对摄像机和立体参考物进行标定，获取从二维到三维换算的参数，使用摄像机的结构光对焊缝先后进行两次扫描，第一次扫描获得粗略的焊缝在立体参考物坐标系下的空间三维曲线，第二次扫描，利用第一次扫描得到的曲线，控制结构光在扫描过程中与焊缝保持垂直，并且焊缝始终落在结构光的长度范围内，提升特征点的提取精度，然后将提取特征点拟合成摄像机坐标下的二维曲线，再将二维曲线换算成焊接机器人坐标系下三维的焊接曲线，焊接机器人依据焊接曲线的轨迹运动，进行焊缝的焊接，提升焊接质量。

Description

一种基于立体参考物的结构光自垂直弧形焊缝扫描方法
技术领域
本发明涉及机器人焊接技术领域，具体涉及一种基于立体参考物的结构光自垂直弧形焊缝扫描方法。
背景技术
焊接是一种用来连接金属体的工业技术，在工业制造领域属于常用的连接手段。自上世纪三十年代开始，工业现场陆续出现了电弧焊、电阻焊、埋弧焊以及二氧化碳保护焊等焊接方式，然而随着对生产效率的需求，从上世纪八十年代开始，机器人焊接逐渐在工业现场开始应用，代替人工进行重复的劳动，焊接效率以及自动化程度得到了很大的提高。
结构光视觉测量技术目前在机器人焊接领域常用的方式，该技术是基于激光三角测距原理发展而来，逐渐成为主流的视觉测量技术，在多个领域中都有相关应用，该技术对不同形状的焊缝都能够快速得到其特征点坐标，具有非接触、测量精度高和实时性好等特点。
通过机构光扫描焊缝，再结合相应的特征点提取算法，得到特征点的空间坐标从而反馈给机器人，进行焊接，但是常规的扫描方式无法控制扫描精度，结构光自身的长度存在限制，在扫描过程中，特别是弧形焊缝，在空间扫描过程中，需要对扫描角度及时调整，容易出现结构光无法扫描到焊缝，部分焊缝特征点无法有效提取的问题，并且只是保持结构光与焊缝存在交点，进行焊缝特征点的提取，提取精度不高，对于对焊接需求较高的场景，无法满足使用需求。
发明内容
技术目的：针对现有技术对弧形焊缝结构光扫描方法特征点提取精度低，容易出现焊缝漏扫等不足，本发明公开了一种使结构光能够与弧形焊缝特征点出的切线始终保持垂直姿态，提升焊缝特征点提取精度的基于立体参考物的结构光自垂直弧形焊缝扫描方法。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于立体参考物的结构光自垂直弧形焊缝扫描方法，包括步骤：
S01、首先对摄像机和立体参考物进行标定，获取摄像机相对于立体参考物的内参数和外参数，通过内参数和外参数将摄像机拍摄图像下的二维坐标转化到立体参考物下的三维坐标；
S02、通过激光器的结构光对焊缝进行扫描；
S03、对摄像机扫描的图像进行灰度处理，提取灰度化图像中焊缝对应的每一点的二维坐标；
S04、利用步骤S01中的得到的摄像机相对于立体参考物的内参数和外参数，将步骤S03中灰度化图像上的焊缝的二维坐标转换成立体参考物坐标系下的三维坐标，得到焊缝的空间三维曲线；
S05、将焊缝的空间三维曲线的坐标，转换为焊接机器人坐标系下的三维坐标，得到焊接运行的空间轨迹，焊接机器人依据空间轨迹进行焊接。
优选地，本发明的步骤S02中结构光扫描分为两次，第一次保持结构光与焊缝存在交点进行扫描，第二次依照第一次结构光扫描得到的立体参考物坐标系下焊缝的空间三维曲线，调整结构光的方向和位置，对焊缝进行结构光垂直扫描，控制结构光与扫描位置处的切线垂直，然后重复步骤S03和S04得到精确的焊缝空间三维曲线。
优选地，本发明的步骤S02中，结构光对焊缝垂直进行扫描包括步骤:
S021、对第一次焊缝扫描得到的焊缝空间三维曲线上的任意一点A′；过点A′作焊缝的三维空间曲线的切线L1，，切线L1在立体参考物坐标系中，与立体参考物上平面所在平面的交点记为点C；
S022、沿焊缝的长度方向，过点C作与坐标轴平行的直线L2；过点A作切线L1的垂线L3，垂线L3与直线L2的交点记为点B；
S023、然后调整摄像头的结构光，使结构光与垂线L3平行，且过点A′,进行焊缝扫描；
S024、依据结构光垂直扫描的图像，精确提取特征点；
优选地，本发明的步骤S023中，使点A′的Z轴坐标处于结构光两端边界的Z轴坐标之间。
优选地，本发明的步骤S024中，利用结构光照射在焊缝上的曲率突变进行特征点的提取，获取精确的特征点A1的二维坐标。
优选地，本发明的步骤S03中，利用数据游标工具提取出结构光与焊缝的交点坐标。
优选地，本发明的步骤S04中，先利用步骤S03中得到的二维坐标，拟合出焊缝在灰度化图像当中的二维轨迹方程，再将二维轨迹转换成焊缝的空间三维曲线。
有益效果：本发明所提供的一种基于立体参考物的结构光自垂直弧形焊缝扫描方法具有如下有益效果：
1、本发明通过两次结构光扫描，第一次扫描，保持摄像机的结构光与焊缝接触即可，进行初步特征点提取，形成初步的焊缝空间三维曲线，第二次扫描，摄像机依照得到的初步焊缝空间三维曲线轨迹进行精确扫描，结构光与焊缝垂直进行扫描，提升特征点的提取精度，提升焊接质量。
2、本发明摄像机在焊缝空间三维曲线上运行进行焊缝扫描时，通过对任一扫描点，过特征点作曲线切线的方式，找到过该点并与切线垂直的直线，调节结构光，使结构光与该直线平行且过该点，保证结构光扫描方向与焊缝垂直，输入基础的换算关系，即可自动运行和调整，自动化程度高，提升扫描效率。
3、本发明在调节结构光与焊缝垂直进行扫描时，使待扫描处特征点的Z轴坐标处于结构光两端边界的Z轴坐标之间，可以保证特征点会被结构光扫描到，不会产生遗漏，为后续的焊接质量提供保障。
4、本发明利用结构光照射在焊缝上的曲率突变进行特征点的提取，提取精确度高。
5、本发明先拟合焊缝的二维轨迹方程，再将二维轨迹转换成空间三维曲线，无需单独将特征点的二维坐标换算成三维坐标后再进行拟合，降低换算难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。
图1为本发明垂直扫描原理图。
具体实施方式
下面通过一较佳实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
本发明提供了一种基于立体参考物的结构光自垂直弧形焊缝扫描方法，包括步骤：
S01、首先对摄像机和立体参考物进行标定，获取摄像机相对于立体参考物的内参数
Figure BDA0002976325630000031
和外参数
Figure BDA0002976325630000032
其中kx是摄像机坐标系下x轴方向的放大系数，ky是摄像机坐标系下y轴方向的放大系数，(u0，v0)为激光器的光轴中心线在成像平面交点的图像坐标；(nX，nY，nZ)为立体参考物坐标系X轴在摄像机坐标系下的方向向量，(oX，oY，oZ)为立体参考物坐标系Y轴在摄像机坐标系下的方向向量，(aX，aY，aZ)为立体参考物坐标系Z轴在摄像机坐标系下的方向向量，pX，pY，pZ分别为立体参考物坐标系的原点在摄像机坐标系内的坐标；通过内参数M1和外参数M2将灰度图像下的二维坐标转化到立体参考物下的三维坐标；
S02、通过摄像机的结构光对焊缝进行扫描；
S03、对摄像机扫描的图像进行灰度处理，提取灰度化图像中焊缝对应的每一点的二维坐标，任一点的坐标表示为A(xA，yA)，其中xA、yA分别表示点A在灰度化图像的二维坐标系下的横坐标和纵坐标；
S04、利用步骤S01中的得到的摄像机相对于立体参考物的内参数M1和外参数M2，将步骤S03中灰度化图像上的焊缝上点A的二维坐标转换成立体参考物坐标系下对应点A′的三维坐标(Xw，Yw，Zw)，先将灰度图像点A的二维坐标转换为摄像机坐标系下的三维坐标：
Figure BDA0002976325630000041
其中，x′A、y′A、z′A分别为点A在摄像机坐标系下的三维坐标；再将摄像机坐标系下的三维坐标转换到立体参考物坐标系下的三维坐标：
Figure BDA0002976325630000042
其中Xw，Yw，Zw即为在立体参考物坐标系下与点A对应的点A′的三维坐标，将转化后的各个特征点进行拟合，得到焊缝的空间三维曲线；
S05、将焊缝的空间三维曲线的坐标，转换为焊接机器人坐标系下的三维坐标，得到焊接运行的空间轨迹，焊接机器人依据空间轨迹进行焊接。
本发明的步骤S02中，结构光对焊缝的扫描分为两次，第一次保持结构光与焊缝存在交点进行扫描，第二次依照第一次结构光扫描得到的立体参考物坐标系下焊缝的空间三维曲线，调整结构光的方向和位置，对焊缝进行结构光垂直扫描，然后重复步骤S03和S04得到精确的焊缝空间三维曲线。
本发明的步骤S02中，结构光对焊缝垂直进行扫描包括步骤：
S021、如图1所示，本实施例中立体参考物采用尺寸已知的长方体参考物，建立坐标系，待焊接的工件放置在立体参考物上，得到第一次扫描的焊缝空间三维曲线；对第一次焊缝扫描得到的焊缝空间三维曲线上的任意一点A′(XA′，YA′，ZA′)，其中XA′，YA′，ZA′分别表示立体参照物坐标系下点A′的三维坐标值；过点A′作焊缝的三维空间曲线的切线
Figure BDA0002976325630000055
其中，u1、v1、w1为切线L1的参数，为直线L1的方向向量在X、Y、Z三个坐标轴的分量。
S022、将切线L1与立体参考物上平面的解析式联立，
Figure BDA0002976325630000052
其中A2、B2、C2、D为立体参考物上平面方程的一般系数；求得点C的坐标(X2，Y2，Z2)；在上平面过点C作平行于Y轴的直线
Figure BDA0002976325630000056
其中，u2、v2、w2为直线L2的参数，为直线L2的方向向量在X、Y、Z三个坐标轴的分量；点A′作切线L1的垂线L3。因为在空间中过某点作某条直线的垂线有无数条，为了确保结构光能够完整的扫描到器件上，要使该垂线L3与直线L2相交，交点为B(X3，Y3，Z3)，此时也就确立了唯一的垂线
Figure BDA0002976325630000057
其中，u3、v3、w3为垂线L3的参数，为垂线L3的方向向量在X、Y、Z三个坐标轴的分量。
S023、然后调整摄像头的结构光，以结构光进行焊缝扫描然后调整摄像头的结构光，使结构光与垂线L3平行，且过点A′，进行焊缝扫描；
S024、依据结构光垂直扫描的图像，提取精确的特征点A1；
本发明在步骤S023中，使点A′的Z轴坐标ZA′处于结构光两端边界的Z轴坐标之间，假设结构光的长度为L，其两端点分别用E和F表示，在立体参考物坐标系下的三维坐标分别为E(XE，YE，ZE)，F(XF，YF，ZF)，ZE＜ZF，则ZE＜Zw＜ZF；在扫描过程中，摄像机移动轨迹的距离与焊缝的距离不变，始终是结构光固定一个位置的结构光照射到特征点上。
本发明的步骤S024中，利用结构光照射在焊缝上的曲率突变进行特征点的提取，获取精确的特征点A1的二维坐标。
本发明的步骤S04中，利用数据游标工具提取出结构光与焊缝的交点坐标，可以先利用步骤S03中得到的二维坐标，拟合出焊缝在灰度化图像当中的二维轨迹方程：y＝p1x2+p2x+p3，其中p1、p2、p3为焊缝曲线的参数，再将二维轨迹转换成焊缝的空间三维曲线。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于立体参考物的结构光自垂直弧形焊缝扫描方法，其特征在于：包括步骤：
S01、首先对摄像机和立体参考物进行标定，获取摄像机相对于立体参考物的内参数和外参数，通过内参数和外参数将摄像机拍摄图像下的二维坐标转化到立体参考物下的三维坐标；
S02、通过激光器的结构光对焊缝进行扫描；
S03、对摄像机扫描的图像进行灰度处理，提取灰度化图像中焊缝对应的每一点的二维坐标；
S04、利用步骤S01中的得到的摄像机相对于立体参考物的内参数和外参数，将步骤S03中灰度化图像上的焊缝的二维坐标转换成立体参考物坐标系下的三维坐标，拟合得到焊缝的空间三维曲线；
S05、将焊缝的空间三维曲线的坐标，转换为焊接机器人坐标系下的三维坐标，得到焊接运行的空间轨迹，焊接机器人依据空间轨迹进行焊接。
2.根据权利要求1所述的一种基于立体参考物的结构光自垂直弧形焊缝扫描方法，其特征在于：所述步骤S02中结构光扫描分为两次，第一次保持结构光与焊缝存在交点进行扫描，第二次依照第一次结构光扫描得到的立体参考物坐标系下焊缝的空间三维曲线，调整结构光的方向和位置，对焊缝进行结构光垂直扫描，控制结构光与扫描位置处的切线垂直，然后重复步骤S03和S04得到精确的焊缝空间三维曲线。
3.根据权利要求2所述的一种基于立体参考物的结构光自垂直弧形焊缝扫描方法，其特征在于：所述步骤S02中，结构光对焊缝垂直进行扫描包括步骤:
S021、对第一次焊缝扫描得到的焊缝空间三维曲线上的任意一点A′；过点A′作焊缝的三维空间曲线的切线L1，切线L1在立体参考物坐标系中，与立体参考物上平面所在平面的交点记为点C；
S022、沿焊缝的长度方向，过点C作与坐标轴平行的直线L2；过点A作切线L1的垂线L3，垂线L3与直线L2的交点记为点B；
S023、然后调整结构光，使结构光与垂线L3平行，且过点A′,对焊缝进行扫描；
S024、依据结构光垂直扫描的图像，提取特征点。
4.根据权利要求3所述的一种基于立体参考物的结构光自垂直弧形焊缝扫描方法，其特征在于：所述步骤S023中，使点A′的Z轴坐标处于结构光两端边界的Z轴坐标之间。
5.根据权利要求3所述的一种基于立体参考物的结构光自垂直弧形焊缝扫描方法，其特征在于：所述步骤S024中，利用结构光照射在焊缝上的曲率突变进行特征点的提取，获取精确的特征点A1的二维坐标。
6.根据权利要求1所述的一种基于立体参考物的结构光自垂直弧形焊缝扫描方法，其特征在于：在步骤S03中，利用数据游标工具提取出结构光与焊缝的交点坐标。
7.根据权利要求1所述的一种基于立体参考物的结构光自垂直弧形焊缝扫描方法，其特征在于：在步骤S04中，先利用步骤S03中得到的二维坐标，拟合出焊缝在灰度化图像当中的二维轨迹方程，再将二维轨迹转换成焊缝的空间三维曲线。
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