一种激光视觉引导的焊接机器人全自动运动自标定方法技术

本发明专利技术通过深入分析相机的成像原理、激光结构光测量原理和手眼系统工作原理，设计了一种简单灵活的激光结构光引导的焊接机器人系统的全自动标定方法，其中包括传感器参数标定(包括相机内参数和线激光平面参数方程标定)和手眼关系矩阵标定，并进行了工件偏移修正。该标定方法克服了传统内参标定、激光平面方程和手眼矩阵标定需要专业人员参与、标定步骤繁琐的缺点。该方法只需要4个给定位姿和机器人自动进行的6组平移运动，即可实现激光结构光引导的焊接机器人系统的全自动标定。该方法使得激光结构光引导焊接机器人系统的标定流程化、自动化，大大增加了系统标定的灵活性，对实际的视觉测量和三维跟踪具有重要意义，具有良好的实用性。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术通过深入分析相机的成像原理、激光结构光测量原理和手眼系统工作原理，设计了一种简单灵活的激光结构光引导的焊接机器人系统的全自动标定方法，其中包括传感器参数标定(包括相机内参数和线激光平面参数方程标定)和手眼关系矩阵标定，并进行了工件偏移修正。该标定方法克服了传统内参标定、激光平面方程和手眼矩阵标定需要专业人员参与、标定步骤繁琐的缺点。该方法只需要4个给定位姿和机器人自动进行的6组平移运动，即可实现激光结构光引导的焊接机器人系统的全自动标定。该方法使得激光结构光引导焊接机器人系统的标定流程化、自动化，大大增加了系统标定的灵活性，对实际的视觉测量和三维跟踪具有重要意义，具有良好的实用性。【专利说明】
本专利技术涉及一种机器人激光结构光视觉传感器及其标定方法，具体是指基于线激光结构光视觉传感器引导的焊接机器人手眼系统中手眼关系矩阵和传感器参数(包括相机内参数和线激光平面参数)的全自动运动自标定方法。技术背景.焊接作为材料加工的一种重要手段在工业生产中得到广泛应用。由于诸多因素的推动，如焊接质量的稳定性、应用的灵活性、操作的安全性及经济性等，焊接过程自动化、机器人化已成为趋势。焊接机器人在制造业技术改造、提高焊接质量、减少工人劳动强度、改善焊接劳动条件、保证焊接稳定性等方面显示了比较高的优越性。实现焊接自动化的关键问题是焊缝的自动跟踪，激光视觉引导的焊接机器人将焊缝图像识别与机器人运动控制技术结合，能够有效解决焊缝自动跟踪难题。采用激光结构光作为主动光视觉传感器已经成为当前焊接机器人视觉系统的主流。视觉系统标定是指对视觉传感器参数和传感器与机器人本体之间关系的求取。标定在视觉测量系统中是非常关键且重要的环节，其标定结果的精度及算法的稳定性与实时性，直接影响到工业生产过程中测量与跟踪的精度。焊接机器人激光视觉系统需要进行三个方面的标定，包括相机标定、激光结构光参数标定和机器人手眼标定。相机标定就是根据一定的相机模型求取相机的内部参数和外部参数。Faugeras等的线性模型相机内外参数标定方法和Tsai的基于径向约束的两步法(two-stage)标定方法都采用立体靶标，而Zhang Z Y.采用平面靶标，在非线性相机模型下线性标定相机参数。Ma S.D不需要特定的标定靶标，通过相机在三维空间内作两组平移运动，也实现了相机参数的标定。线激光结构光参数标定就是标定激光器投射的激光平面的方程。其求取有若干方法，如R.Dewar提出的拉丝标定方法；D.Q.Huynh提出的交比不变性标定方法；陈天飞等提出的基于主动视觉的标定方法，无需靶标，通过控制机器人做特定运动即可实现激光结构光参数标定，具有较强的鲁棒性，实施方法简单，特征易提取，满足现场标定要求。焊接机器人常采用Eye-1n-Hand模式，手眼标定就是要获得视觉系统与机器人末端坐标系之间的关系。常用的机器人手眼标定方法是利用已知标定参考物(标定物)，控制机器人在不同方位观察空间一个已知的标定参考物，从而推导手眼矩阵旋转和平移部分R和t ;然而不使用靶标，通过控制机器人做特定运动实现手眼矩阵的标定可有效提高标定自动化、流程化。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有标定技术中对靶标制作精度要求高，和对标定人员专业要求高的不足，提供一种基于线激光结构光视觉传感器引导的焊接机器人系统全自动自标定方法，标定过程无需人参与，全自动实现相机参数、激光结构光参数及手眼矩阵的标定。算法简单灵活、精度高、实时性强、可操作性强。按照本专利技术提供的技术方案，所述激光结构光视觉传感器引导焊接机器人全自动标定方法如下:第一步，将标定物放置在机器人工作区域内，给定机器人一初始位姿T0，保证标定物位于相机视野内。控制机器人做线性无关的平移运动，提取特征点，自动匹配，求解扩展焦点F0E。判断每次运动是否符合对扩展焦点FOE的标定要求，不符合则删除该次运动，符合则保留该次运动，存储此次运动首末端位姿Tn、Ti2和FOE点坐标。继续下一组运动，直至有四组满足要求的运动。根据Ma S.D关于扩展焦点(FOE)的性质，扩展焦点ei在相机坐标系的归一化坐标表不相机平移在平移前的相机坐标系中的方向；结合机器人平移向量kbp可线性求解相机内参数矩阵【权利要求】1.，其特征是，实现标定过程中无需人的参与，自动地进行平移和旋转运动，提高标定自动化、流程化；该标定算法使用工业现场常见的直角三角形标定物，将其放在工作视野内，实现三角形角点的快速定位，并自动匹配；深入分析手眼系统的数学模型，通过至少四次满足要求的自动运动，将内参数矩阵和手眼矩阵旋转部分作为一个整体求解，得到内参数矩阵和手眼矩阵的旋转部分；通过设定的自动运动算法，自动实现两组满足要求的平移运动，求解光平面法向量信息；最后通过给定的三个位姿，得到手眼矩阵平移部分和各特征点的深度值，求解特征点在机器人基坐标系的坐标信息，用于标定激光平面的深度信息；整个算法包括以下几个模块: 内参数和手眼矩阵旋转部分标定模块，将标定物放置在机器人工作区域内，给定机器人一初始位姿T0，自动进行满足要求的四组平移运动，自动匹配特征点，计算FOE点；根据运动信息和FOE点标定内参数K和手眼矩阵旋转部分R ； 光平面法向量标定模块，给定机器人位姿Tl、T2(T1、T2位姿不同)，自动进行平移运动，采集五幅带光条的图像，计算消隐点，进而得到光平面的法向量(ai，a2，a3)； 手眼矩阵平移部分和光平面深度信息标定模块，给定机器人位姿T3(T3与Tl、T2位姿不同)，Tl、T2和T3三位姿特征点坐标，结合手眼关系，求解得到手眼矩阵的平移部分t和三个特征点在机器人基坐标系的坐标；取光条上一点，进行手眼关系变换，求解光平面深度信息，可得到光平面的方程； 工件末端修正模块，完成激光视觉引导的焊接机器人系统的标定后，控制焊接工件在固定末端位姿下对标定物的特征点I精确点触，计算出工件末端点在机器人坐标下的坐标值，计算出工件在该位姿下的偏移值。2.如权利要求1所述特征点的自动匹配，线性无关的平移运动的自动选取具有如下特征: 2.1、特征点的自动匹配中，提取标定物特征点，并依据特征点的距离信息进行自动匹配； 2.2、确定运动方向中，设运动方向为:fi = (cos (i9)sin {(p) sin (i9)sin (<p) cos (<^)) n为沿机器人末端坐标系方向，方向为满足自动运动流程中条件点的中线方向，每次运动奶按下式取值吶= 7/2 Cl 一(-”卜1) +，其中外取31/6，1为运动次数；运动距离zb，根据特征点像素坐标的变化与ZO的比例关系确定运动向量距离zb。3.如权利要求1所述消隐点的求取，和激光平面法向量的求解具有如下特征:消隐点的求取中，对细化后得到的点采用最小二乘的方法进行线方程拟合，并采用最小二乘优化思想求解消隐点；求解光平面法向量时，根据两相交直线确定一平面，确定光平面法向量(&1，&2，&3) °4.如权利要求1第三步所述手眼矩阵平移部分的求解和光平面深度信息的标定方法具有如下特征: `4.1、在手眼矩阵平移部分求取中，根据Tl，T2，T3位姿提取的特征点坐标信息，结合机器人手眼系统中机器人本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光视觉引导的焊接机器人全自动运动自标定方法，其特征是，实现标定过程中无需人的参与，自动地进行平移和旋转运动，提高标定自动化、流程化；该标定算法使用工业现场常见的直角三角形标定物，将其放在工作视野内，实现三角形角点的快速定位，并自动匹配；深入分析手眼系统的数学模型，通过至少四次满足要求的自动运动，将内参数矩阵和手眼矩阵旋转部分作为一个整体求解，得到内参数矩阵和手眼矩阵的旋转部分；通过设定的自动运动算法，自动实现两组满足要求的平移运动，求解光平面法向量信息；最后通过给定的三个位姿，得到手眼矩阵平移部分和各特征点的深度值，求解特征点在机器人基坐标系的坐标信息，用于标定激光平面的深度信息；整个算法包括以下几个模块：内参数和手眼矩阵旋转部分标定模块，将标定物放置在机器人工作区域内，给定机器人一初始位姿T0，自动进行满足要求的四组平移运动，自动匹配特征点，计算FOE点；根据运动信息和FOE点标定内参数K和手眼矩阵旋转部分R；光平面法向量标定模块，给定机器人位姿T1、T2(T1、T2位姿不同)，自动进行平移运动，采集五幅带光条的图像，计算消隐点，进而得到光平面的法向量(a1，a2，a3)；手眼矩阵平移部分和光平面深度信息标定模块，给定机器人位姿T3(T3与T1、T2位姿不同)，T1、T2和T3三位姿特征点坐标，结合手眼关系，求解得到手眼矩阵的平移部分t和三个特征点在机器人基坐标系的坐标；取光条上一点，进行手眼关系变换，求解光平面深度信息，可得到光平面的方程；工件末端修正模块，完成激光视觉引导的焊接机器人系统的标定后，控制焊接工件在固定末端位姿下对标定物的特征点1精确点触，计算出工件末端点在机器人坐标下的坐标值，计算出工件在该位姿下的偏移值。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李新，郭新年，白瑞林，吉峰，王秀平，
申请(专利权)人：无锡信捷电气股份有限公司，江南大学，
类型：发明
国别省市：