本發(fā)明涉及焊接機(jī)器人的標(biāo)定方法，特別涉及基于不變平面的傳感器與機(jī)器人的外部參數(shù)標(biāo)定方法。

背景技術(shù)：

用于工業(yè)焊接的焊接機(jī)器人，在焊接過程中，通常通過手動(dòng)控制焊接機(jī)器人以多種不同的姿態(tài)進(jìn)行焊接工作。但是，由于需要通過人眼來判斷來指導(dǎo)焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，標(biāo)定精度不高，工作非常費(fèi)時(shí)，工作效率低。現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)了將焊縫傳感器安裝于工業(yè)焊接現(xiàn)場(chǎng)的焊接機(jī)器人上，三坐標(biāo)焊接機(jī)器人通常是在相互正交的導(dǎo)軌進(jìn)行移動(dòng)，想要正確引導(dǎo)焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，還需要標(biāo)定傳感器坐標(biāo)系與焊接機(jī)器人導(dǎo)軌坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系（外部參數(shù)），即傳感器的外部參數(shù)標(biāo)定；而通常用的標(biāo)定方法是通過平面靶標(biāo)方法對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，但是，焊縫跟蹤傳感器采用線結(jié)構(gòu)光進(jìn)行測(cè)量，一次只能實(shí)現(xiàn)一條直線的測(cè)量，無法實(shí)現(xiàn)面測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是利用現(xiàn)場(chǎng)中的一個(gè)固定平面，進(jìn)行多次測(cè)量，最終實(shí)現(xiàn)傳感器坐標(biāo)系與焊接機(jī)器人導(dǎo)軌坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系（外部參數(shù)）的精確標(biāo)定。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：基于不變平面的傳感器與機(jī)器人的外部參數(shù)標(biāo)定方法，包括焊縫跟蹤傳感器、焊接機(jī)器人、相機(jī)；該方法具體包括以下步驟：

步驟一、線結(jié)構(gòu)光傳感器測(cè)量：所述焊縫跟蹤傳感器采用線結(jié)構(gòu)光和相機(jī)方式進(jìn)行測(cè)量，由線結(jié)構(gòu)光對(duì)外發(fā)出一個(gè)激光平面，由相機(jī)對(duì)其測(cè)量；

相機(jī)測(cè)量模型為：

（1）

求解激光線的在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，得

（2）

由于激光線在激光器平面上，設(shè)為，根據(jù)圖2的幾何關(guān)系，有

（3）

解得

（4）；

步驟二、坐標(biāo)系系設(shè)定：表示焊縫跟蹤傳感器的相機(jī)坐標(biāo)系，表示導(dǎo)軌坐標(biāo)系，導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閷?dǎo)軌坐標(biāo)系坐標(biāo)軸方向；所述焊接機(jī)器人沿著導(dǎo)軌做平移運(yùn)動(dòng)，所述相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)與導(dǎo)軌坐標(biāo)系原點(diǎn)之間的位置偏差即為導(dǎo)軌的平移矢量，令初始狀態(tài)下的相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)與導(dǎo)軌坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，初始狀態(tài)下的相機(jī)坐標(biāo)系為基礎(chǔ)相機(jī)坐標(biāo)系，經(jīng)過導(dǎo)軌平移后的相機(jī)坐標(biāo)系為當(dāng)前相機(jī)坐標(biāo)系；相機(jī)坐標(biāo)系與導(dǎo)軌坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣化簡(jiǎn)為旋轉(zhuǎn)矩陣，記為；傳感器外部參數(shù)標(biāo)定即為旋轉(zhuǎn)矩陣的標(biāo)定；

步驟三、基于不動(dòng)平面的線結(jié)構(gòu)光外參標(biāo)定：通過給定一個(gè)固定不變的參考平面，通過讓焊接機(jī)器人分別沿導(dǎo)軌三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，獲取不同位置下的激光線圖像。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：通過給定一個(gè)固定不變的參考平面，通過讓焊接機(jī)器人分別沿導(dǎo)軌三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，獲取不同位置下的激光線圖像，最終求解出傳感器外部參數(shù)，標(biāo)定精度高，從而縮短工作時(shí)間，提高工作效率。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的步驟三具體如下：

設(shè)焊接機(jī)器人第次移動(dòng)位移為時(shí)，傳感器獲取得到的激光線圖像點(diǎn)為。通過公式（4）可獲得相機(jī)坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)；

此時(shí)，傳感器在基礎(chǔ)相機(jī)坐標(biāo)系下的移動(dòng)矢量為

（5）

則在基礎(chǔ)相機(jī)坐標(biāo)系下，激光線的空間坐標(biāo)為點(diǎn)表示為

由于參考平面不變，因而在基礎(chǔ)相機(jī)坐標(biāo)系下獲得的一系列激光線應(yīng)在同一個(gè)平面上；

設(shè)參考平面在基礎(chǔ)相機(jī)坐標(biāo)系下的平面方程為

（6）

有

（7）

令

（8）

即

（9）

則式（9）可寫為

（10）通過擬合，得到參考平面在基礎(chǔ)相機(jī)坐標(biāo)系下的法向矢量。同時(shí)利用式（10），并加入約束

（11）

即可求解出。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的相機(jī)成像模型圖。

圖2為線結(jié)構(gòu)光成像原理圖。

圖3為基于參考平面外參標(biāo)定模型數(shù)據(jù)獲取流程圖。

具體實(shí)施方式

如圖1-3所示，基于不變平面的傳感器與機(jī)器人的外部參數(shù)標(biāo)定方法，包括焊縫跟蹤傳感器、焊接機(jī)器人、相機(jī)；該方法具體包括以下步驟：

步驟一、線結(jié)構(gòu)光傳感器測(cè)量：所述焊縫跟蹤傳感器采用線結(jié)構(gòu)光和相機(jī)方式進(jìn)行測(cè)量，由線結(jié)構(gòu)光對(duì)外發(fā)出一個(gè)激光平面，由相機(jī)對(duì)其測(cè)量；

相機(jī)測(cè)量模型為：

（1）

求解激光線的在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，得

（2）

由于激光線在激光器平面上，設(shè)為，根據(jù)圖2的幾何關(guān)系，有

（3）

解得

（4）；

步驟二、坐標(biāo)系系設(shè)定：表示焊縫跟蹤傳感器的相機(jī)坐標(biāo)系，表示導(dǎo)軌坐標(biāo)系，導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閷?dǎo)軌坐標(biāo)系坐標(biāo)軸方向；所述焊接機(jī)器人沿著導(dǎo)軌做平移運(yùn)動(dòng)，所述相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)與導(dǎo)軌坐標(biāo)系原點(diǎn)之間的位置偏差即為導(dǎo)軌的平移矢量，令初始狀態(tài)下的相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)與導(dǎo)軌坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，初始狀態(tài)下的相機(jī)坐標(biāo)系為基礎(chǔ)相機(jī)坐標(biāo)系，經(jīng)過導(dǎo)軌平移后的相機(jī)坐標(biāo)系為當(dāng)前相機(jī)坐標(biāo)系；相機(jī)坐標(biāo)系與導(dǎo)軌坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣化簡(jiǎn)為旋轉(zhuǎn)矩陣，記為；傳感器外部參數(shù)標(biāo)定即為旋轉(zhuǎn)矩陣的標(biāo)定；

步驟三、基于不動(dòng)平面的線結(jié)構(gòu)光外參標(biāo)定：通過給定一個(gè)固定不變的參考平面，通過讓焊接機(jī)器人分別沿導(dǎo)軌三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，獲取不同位置下的激光線圖像。

上述步驟三具體如下：

設(shè)焊接機(jī)器人第次移動(dòng)位移為時(shí)，傳感器獲取得到的激光線圖像點(diǎn)為。通過公式（4）可獲得相機(jī)坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)；

此時(shí)，傳感器在基礎(chǔ)相機(jī)坐標(biāo)系下的移動(dòng)矢量為

（5）

則在基礎(chǔ)相機(jī)坐標(biāo)系下，激光線的空間坐標(biāo)為點(diǎn)表示為

由于參考平面不變，因而在基礎(chǔ)相機(jī)坐標(biāo)系下獲得的一系列激光線應(yīng)在同一個(gè)平面上；

設(shè)參考平面在基礎(chǔ)相機(jī)坐標(biāo)系下的平面方程為

（6）

有

（7）

令

（8）

即

（9）

則式（9）可寫為

（10）

通過擬合，得到參考平面在基礎(chǔ)相機(jī)坐標(biāo)系下的法向矢量。同時(shí)利用式（10），并加入約束

（11）

即可求解出。

本發(fā)明的工作原理闡述如下，首先采用固定平面作為測(cè)量目標(biāo)；然后利用現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人的多次移動(dòng)，進(jìn)行多次測(cè)量；最后利用固定參考平面的約束，將多次測(cè)量的結(jié)果得到非線性方程，最終獲得相機(jī)坐標(biāo)系和導(dǎo)軌坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。

圖3示出了基于參考平面外參標(biāo)定模型數(shù)據(jù)獲取流程圖，是整個(gè)過程的測(cè)量流程。

本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例，在本發(fā)明公開的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)所公開的技術(shù)內(nèi)容，不需要?jiǎng)?chuàng)造性的勞動(dòng)就可以對(duì)其中的一些技術(shù)特征作出一些替換和變形，這些替換和變形均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。