專利名稱：一種激光視覺傳感頭與焊槍手眼關(guān)系的補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接機(jī)器人三維測(cè)量技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，特別是涉及一種適用于6自由焊接機(jī)器人的激光視覺傳感頭與焊槍手眼關(guān)系的補(bǔ)償方法。
背景技術(shù)：
焊接傳感是焊接自動(dòng)化以及智能化的關(guān)鍵技術(shù)之一。其中，光學(xué)式傳感器在適用工藝和對(duì)象方面(可適用 如MIG/MAG，TIG，等離子、激光焊等多種焊接工藝，以及碳鋼、鋁合金等多種材料的焊接對(duì)象)，檢測(cè)精度與實(shí)時(shí)性(一般至少達(dá)到O. 5mm精度級(jí)和50HZ)以及應(yīng)用場(chǎng)合方面等都具有優(yōu)勢(shì)，是主導(dǎo)著焊縫跟蹤技術(shù)未來(lái)發(fā)展的焊接傳感器。而以激光為主動(dòng)光源的視覺傳感在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在其能夠進(jìn)行焊縫三維信息的測(cè)量，因此理論上可以對(duì)各種帶有曲率的復(fù)雜焊縫進(jìn)行檢測(cè)，另外其三維測(cè)量能力與機(jī)器人焊接應(yīng)用較為適應(yīng)(機(jī)器人焊接一般要求能夠進(jìn)行多種位姿下的焊接)，因此除了可以應(yīng)用于焊縫跟蹤，還可以應(yīng)用于焊前焊縫校正，機(jī)器人焊縫自主編程，焊縫初始點(diǎn)導(dǎo)引定位，以及焊后的焊接質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)等諸多實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合。為了能夠獲得傳感器在機(jī)器人B坐標(biāo)系下的精確的3D測(cè)量能力，必須完成對(duì)激光視覺傳感頭與焊槍之間的手眼關(guān)系的標(biāo)定，通常的做法主要是采用基于攝像機(jī)外參數(shù)等式關(guān)系A(chǔ)X = XB的求解法來(lái)獲得(Shiu等人在IEEETransactions on Roboticsand Automation, 1989, pp. 6-29 中所發(fā)表的 “Calibration of wrist-mounted roboticsensors by solving homogeneous transform equations of the form AX = XB”，Konstantinos Daniilidis 在 The International Journal of Robotics,1999,pp. 286-298 中所發(fā)表的 Hand-Eye Calibration Using Dual Quaternions.),但是上述方法存在著以下幾點(diǎn)缺陷(I)、一般會(huì)采用棋盤等標(biāo)定物來(lái)完成標(biāo)定，但是一般焊接中所用的激光視覺傳感器為了避免焊接中弧光的直接沖擊，都需要引入濾光系統(tǒng)，因此攝像機(jī)無(wú)法很清晰甚至不能觀察到如棋盤等常規(guī)標(biāo)定物的特征；(2)、為了求解最終的位置關(guān)系，一般需要從不同的角度完成對(duì)標(biāo)定物的采樣，這樣不僅對(duì)于機(jī)器人的操作難度將加大，而且對(duì)于一般用于如焊縫跟蹤場(chǎng)合的激光視覺傳感器而言，其檢測(cè)視野與景深都較小的特點(diǎn)，都會(huì)進(jìn)一步放大上述不足；(3)、基于AX = XB求解法的手眼標(biāo)定方法需要同時(shí)利用到攝像機(jī)參數(shù)的標(biāo)定，因此不僅標(biāo)定起來(lái)的步驟較為繁瑣(不利于傳感頭與焊槍經(jīng)常調(diào)換的現(xiàn)場(chǎng)使用情況)，并且求解關(guān)系A(chǔ)X = XB后，最終得到的結(jié)果對(duì)于噪聲較為敏感(一般為平移部分)，穩(wěn)定性不夠好。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種激光視覺傳感頭與焊槍手眼關(guān)系的補(bǔ)償方法，該方法適用于6自由焊接機(jī)器人。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種激光視覺傳感頭與焊槍手眼關(guān)系的補(bǔ)償方法，建立相應(yīng)的坐標(biāo)系，包括代表了焊絲尖端位置所在的工具坐標(biāo)系H、代表了傳感頭發(fā)射激光所在位置的激光坐標(biāo)系L、代表了傳感頭接收到激光成像所在位置的圖像平面坐標(biāo)系I、代表了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)工作的空間參照坐標(biāo)系B ;其包括以下步驟(I)、在焊接現(xiàn)場(chǎng)任意擺放一個(gè)參考點(diǎn)；(2)、測(cè)量出所述的參考點(diǎn)在空間參照坐標(biāo)系B內(nèi)的位置bPp記錄工具手在空間參照坐標(biāo)系B下的實(shí)際位姿hbT，并計(jì)算實(shí)際參考點(diǎn)位置Hpi = hbT · B pi ；(3)、測(cè)量出所述的參考點(diǎn)在圖像平面坐標(biāo)系I內(nèi)的位置1Pi,通過(guò)機(jī)器人工具手焊絲尖端與校正前傳感頭激光初始位置的偽手眼參數(shù)關(guān)系\T’與激光傳感頭三維測(cè)量模型參數(shù)關(guān)系Vr，計(jì)算獲得偽參考點(diǎn)位置hP/ =hl t’ .Lj；(4)、重復(fù)步驟(2)、(3)N次，獲得實(shí)際參考點(diǎn)位置和偽參考點(diǎn)位置的對(duì)應(yīng)點(diǎn)集合hP=(aPi, i = I. · · N}和 HP’ = {ΗΡ/，i = I. · · N}，N 彡 3 ;(5)、對(duì)HP、HP’利用剛體關(guān)系最小二乘估計(jì)法計(jì)算補(bǔ)償量AT，并通過(guò)關(guān)系式獲得實(shí)際的手眼關(guān)系1^= ΛΤ·\Τ’。優(yōu)選地,在步驟(I)中,所述的參考點(diǎn)為尖點(diǎn)標(biāo)定物。優(yōu)選地，在步驟(2)中，當(dāng)所述的參考點(diǎn)的位置不移動(dòng)的情況下，所述的參考點(diǎn)在空間參照坐標(biāo)系B內(nèi)的位置BPi只需要進(jìn)行一次測(cè)量。優(yōu)選地，在步驟(3)中，傳感頭激光所選取的點(diǎn)前后不位于同一直線上。由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)和效果I、該方法不需要特殊的標(biāo)定物，只需要從現(xiàn)場(chǎng)獲取相應(yīng)的點(diǎn)標(biāo)定物即可進(jìn)行(一般與機(jī)器人工具手標(biāo)定一起進(jìn)行即可)，因此降低了標(biāo)定成本；2、該方法具有較高的補(bǔ)償能力，能夠保證最終激光視覺測(cè)量較好的精確度。


附圖I為本發(fā)明中坐標(biāo)系定義；附圖2為本發(fā)明中實(shí)際的手眼關(guān)系原理示意圖；附圖3為本發(fā)明中傳感頭激光所選取的點(diǎn)的參考圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述一種激光視覺傳感頭與焊槍手眼關(guān)系的補(bǔ)償方法，首先，建立相應(yīng)的坐標(biāo)系，包括代表了焊絲尖端位置所在的工具坐標(biāo)系H、代表了傳感頭發(fā)射激光所在位置的激光坐標(biāo)系L、代表了傳感頭接收到激光成像所在位置的圖像平面坐標(biāo)系I、代表了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)工作的空間參照坐標(biāo)系B，如圖I所示，其中1、線激光器；
2、激光面；3、(XD圖像平面；4、透鏡；5、焊槍。其包括以下步驟(I)、在焊接現(xiàn)場(chǎng)任意擺放一個(gè)參考點(diǎn)，一般可以采用進(jìn)行機(jī)器人焊槍標(biāo)定時(shí)所采用的尖點(diǎn)標(biāo)定物，如螺釘?shù)龋?br> (2)、通過(guò)平移工具坐標(biāo)系H直至與該參考點(diǎn)位置重合后，獲取出該參考點(diǎn)在工具坐標(biāo)系H內(nèi)的位置Bpi,圖像的位置則是需要測(cè)量N次，如圖3所示，位于CXD成像平面上不同位置，其中，對(duì)于尖點(diǎn)標(biāo)定物位置不移動(dòng)的情況，一般只需要測(cè)量一次即可，記錄機(jī)器人閱讀焊絲尖端所在的實(shí)際位置hbT，而剩余的N-I個(gè)數(shù)據(jù)則可通過(guò)閱讀焊絲尖端所在不同的位置獲取不同的hbT，并通過(guò)關(guān)系式獲得11Pi = hbT · Bpi ；(3)、通過(guò)平移傳感頭測(cè)量出參考點(diǎn)在圖像平面坐標(biāo)系I內(nèi)的位置1Pi,即激光照射在該尖點(diǎn)位置處，且攝像機(jī)視野中，能夠得到該尖點(diǎn)的激光成像光斑，進(jìn)一步提取出該成像光斑中心在圖像平面坐標(biāo)系I中的位置，記錄機(jī)器人閱讀焊絲尖端與傳感頭初始位置關(guān)系\T’，傳感頭發(fā)射激光所選取的點(diǎn)成像在圖像平面坐標(biāo)系I中的位置Vr，并通過(guò)關(guān)系式獲得hP/ =\Τ’ ·ντ，此外，而對(duì)于傳感器測(cè)量而言，需要保證在圖像區(qū)域中不同位置處進(jìn)行成像，且盡量保證前后測(cè)量的點(diǎn)不要共線，且不同測(cè)量點(diǎn)位置應(yīng)能夠盡量地覆蓋整個(gè)圖像的有效成像區(qū)域，其典型的測(cè)量區(qū)域劃分如圖3所示；
(4)、重復(fù)步驟⑵、(3) N次，獲得對(duì)應(yīng)點(diǎn)集合hP= {HPi；i = I. . . N}和ΗΡ’= {ΗΡ/，i = I. . . N}, N ^ 3 ；(5)、將ΗΡ、ΗΡ’利用剛體關(guān)系最小二乘估計(jì)法計(jì)算補(bǔ)償量AT，并通過(guò)關(guān)系式獲得實(shí)際的手眼關(guān)系\Τ = ΔΤ · \Τ’。最小二乘估計(jì)法可參見ArunKS等人在ffiEE TransPattern Anal Machine Intelligence，1987，pp. 698—700，Least—squares fitting of two3-D point se中所提出的方法。按照上述方法，首先采用預(yù)估手眼關(guān)系，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)獲得校正數(shù)據(jù)與相對(duì)應(yīng)的誤差值如表一所示；而通過(guò)補(bǔ)償后的手眼關(guān)系，對(duì)相同的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得校正數(shù)據(jù)與相對(duì)應(yīng)的誤差值如表二所示；最終補(bǔ)償前后的整體性能對(duì)比如表三所示。表一 \T補(bǔ)償前后測(cè)量精度對(duì)比
權(quán)利要求
1.一種激光視覺傳感頭與焊槍手眼關(guān)系的補(bǔ)償方法，其特征在于 建立相應(yīng)的坐標(biāo)系，包括代表了焊絲尖端位置所在的工具坐標(biāo)系H、代表了傳感頭發(fā)射激光所在位置的激光坐標(biāo)系L、代表了傳感頭接收到激光成像所在位置的圖像平面坐標(biāo)系I、代表了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)工作的空間參照坐標(biāo)系B ;其包括以下步驟 (1)、在焊接現(xiàn)場(chǎng)任意擺放一個(gè)參考點(diǎn)； (2)、測(cè)量出所述的參考點(diǎn)在空間參照坐標(biāo)系B內(nèi)的位置bPp記錄工具手在空間參照坐標(biāo)系B下的實(shí)際位姿hbT，并計(jì)算實(shí)際參考點(diǎn)位置11Pi = hbT · Bpi ； (3)、測(cè)量出所述的參考點(diǎn)在圖像平面坐標(biāo)系I內(nèi)的位置1Pi,通過(guò)機(jī)器人工具手焊絲尖 端與校正前傳感頭激光初始位置的偽手眼參數(shù)關(guān)系1VT與激光傳感頭三維測(cè)量模型參數(shù)關(guān)系Vr，計(jì)算獲得偽參考點(diǎn)位置hP/ =\Τ’ ·ντ;(4)、重復(fù)步驟(2)、(3)Ν次，獲得實(shí)際參考點(diǎn)位置和偽參考點(diǎn)位置的對(duì)應(yīng)點(diǎn)集合hP = IaPi, i = I. . . N}和HP’ = {ΗΡ/，i = I. . . N}，N ^ 3 ； (5)、對(duì)叩、叩’利用剛體關(guān)系最小二乘估計(jì)法計(jì)算補(bǔ)償量ΛΤ，并通過(guò)關(guān)系式獲得實(shí)際的手眼關(guān)系\Τ= ΛΤ·\Τ’。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種激光視覺傳感頭與焊槍手眼關(guān)系的補(bǔ)償方法，其特征在于在步驟(I)中，所述的參考點(diǎn)為尖點(diǎn)標(biāo)定物。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種激光視覺傳感頭與焊槍手眼關(guān)系的補(bǔ)償方法，其特征在于在步驟(2)中，當(dāng)所述的參考點(diǎn)的位置不移動(dòng)的情況下，所述的參考點(diǎn)在空間參照坐標(biāo)系B內(nèi)的位置Bpi只需要進(jìn)行一次測(cè)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所示的一種激光視覺傳感頭與焊槍手眼關(guān)系的補(bǔ)償方法，其特征在于在步驟(3)中，傳感頭激光所選取的點(diǎn)前后不位于同一直線上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光視覺傳感頭與焊槍手眼關(guān)系的補(bǔ)償方法，包括擺放參考點(diǎn)；測(cè)量出參考點(diǎn)在空間參照坐標(biāo)系B內(nèi)的位置BPi，記錄工具手在空間參照坐標(biāo)系B下的實(shí)際位姿HBT，實(shí)際參考點(diǎn)位置HPi＝HBT·BPi；測(cè)量出參考點(diǎn)在圖像平面坐標(biāo)系I內(nèi)的位置IPi，通過(guò)偽手眼參數(shù)關(guān)系HLT’與激光傳感頭三維測(cè)量模型參數(shù)關(guān)系LIT，計(jì)算獲得偽參考點(diǎn)位置HPi’＝HLT’·LIT；獲得實(shí)際參考點(diǎn)位置和偽參考點(diǎn)位置的對(duì)應(yīng)點(diǎn)集合HP＝{HPi，i＝1...N}和HP’＝{HPi’，i＝1...N}，N≥3；利用剛體關(guān)系最小二乘估計(jì)法計(jì)算補(bǔ)償量ΔT，并獲得實(shí)際的手眼關(guān)系HLT＝ΔT·HLT’。本發(fā)明不需要特殊的標(biāo)定物，只需要從現(xiàn)場(chǎng)獲取相應(yīng)的點(diǎn)標(biāo)定物即可進(jìn)行，降低了標(biāo)定成本；具有較高的補(bǔ)償能力，能夠保證最終激光視覺三維測(cè)量較好的精確度。
文檔編號(hào)B23K37/00GK102950365SQ20111025313
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2011年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月30日
發(fā)明者龔燁飛, 朱偉, 張弢 申請(qǐng)人:昆山工研院工業(yè)機(jī)器人研究所有限公司