CN102950365A - 一种激光视觉传感头与焊枪手眼关系的补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光视觉传感头与焊枪手眼关系的补偿方法，包括摆放参考点；测量出参考点在空间参照坐标系B内的位置^BP_i，记录工具手在空间参照坐标系B下的实际位姿^HB_T，实际参考点位置^HP_i＝^H _BT·^BP_i；测量出参考点在图像平面坐标系I内的位置^IP_i，通过伪手眼参数关系^H _LT’与激光传感头三维测量模型参数关系^L _IT，计算获得伪参考点位置^HP_i’＝^H _LT’·^L _IT；获得实际参考点位置和伪参考点位置的对应点集合^HP＝{^HP_i，i＝1...N}和^HP’＝{^HP_i’，i＝1...N}，N≥3；利用刚体关系最小二乘估计法计算补偿量ΔT，并获得实际的手眼关系^H _LT＝ΔT·^H _LT’。本发明不需要特殊的标定物，只需要从现场获取相应的点标定物即可进行，降低了标定成本；具有较高的补偿能力，能够保证最终激光视觉三维测量较好的精确度。

Description

一种激光视觉传感头与焊枪手眼关系的补偿方法

技术领域

本发明涉及焊接机器人三维测量技术应用领域，特别是涉及一种适用于6自由焊接机器人的激光视觉传感头与焊枪手眼关系的补偿方法。

背景技术

焊接传感是焊接自动化以及智能化的关键技术之一。其中，光学式传感器在适用工艺和对象方面(可适用如MIG/MAG，TIG，等离子、激光焊等多种焊接工艺，以及碳钢、铝合金等多种材料的焊接对象)，检测精度与实时性(一般至少达到0.5mm精度级和50HZ)以及应用场合方面等都具有优势，是主导着焊缝跟踪技术未来发展的焊接传感器。而以激光为主动光源的视觉传感在实际应用中具有一定的优势，主要表现在其能够进行焊缝三维信息的测量，因此理论上可以对各种带有曲率的复杂焊缝进行检测，另外其三维测量能力与机器人焊接应用较为适应(机器人焊接一般要求能够进行多种位姿下的焊接)，因此除了可以应用于焊缝跟踪，还可以应用于焊前焊缝校正，机器人焊缝自主编程，焊缝初始点导引定位，以及焊后的焊接质量无损检测等诸多实际应用场合。

为了能够获得传感器在机器人B坐标系下的精确的3D测量能力，必须完成对激光视觉传感头与焊枪之间的手眼关系的标定，通常的做法主要是采用基于摄像机外参数等式关系AX＝XB的求解法来获得(Shiu等人在IEEETransactions on Robotics and Automation，1989，pp.6-29中所发表的“Calibration of wrist-mounted robotic sensors by solving homogeneoustransform equations of the form AX＝XB”，Konstantinos Daniilidis在TheInternational Journal of Robotics，1999，pp.286-298中所发表的Hand-EyeCalibration Using Dual Quaternions.)，但是上述方法存在着以下几点缺陷：

(1)、一般会采用棋盘等标定物来完成标定，但是一般焊接中所用的激光视觉传感器为了避免焊接中弧光的直接冲击，都需要引入滤光系统，因此摄像机无法很清晰甚至不能观察到如棋盘等常规标定物的特征；

(2)、为了求解最终的位置关系，一般需要从不同的角度完成对标定物的采样，这样不仅对于机器人的操作难度将加大，而且对于一般用于如焊缝跟踪场合的激光视觉传感器而言，其检测视野与景深都较小的特点，都会进一步放大上述不足；

(3)、基于AX＝XB求解法的手眼标定方法需要同时利用到摄像机参数的标定，因此不仅标定起来的步骤较为繁琐(不利于传感头与焊枪经常调换的现场使用情况)，并且求解关系AX＝XB后，最终得到的结果对于噪声较为敏感(一般为平移部分)，稳定性不够好。

发明内容

本发明目的是提供一种激光视觉传感头与焊枪手眼关系的补偿方法，该方法适用于6自由焊接机器人。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种激光视觉传感头与焊枪手眼关系的补偿方法，

建立相应的坐标系，包括代表了焊丝尖端位置所在的工具坐标系H、代表了传感头发射激光所在位置的激光坐标系L、代表了传感头接收到激光成像所在位置的图像平面坐标系I、代表了机器人运动工作的空间参照坐标系B；其包括以下步骤：

(1)、在焊接现场任意摆放一个参考点；

(2)、测量出所述的参考点在空间参照坐标系B内的位置^BP_i，记录工具手在空间参照坐标系B下的实际位姿^H _BT，并计算实际参考点位置^HP_i＝^H _BT·^BP_i；

(3)、测量出所述的参考点在图像平面坐标系I内的位置^IP_i，通过机器人工具手焊丝尖端与校正前传感头激光初始位置的伪手眼参数关系^H _LT’与激光传感头三维测量模型参数关系^L _IT，计算获得伪参考点位置^HP_i’＝^HL T’·^L _IT；

(4)、重复步骤(2)、(3)N次，获得实际参考点位置和伪参考点位置的对应点集合^HP＝{^HP_i，i＝1...N}和^HP’＝{^HP_i’，i＝1...N}，N≥3；

(5)、对^HP、^HP’利用刚体关系最小二乘估计法计算补偿量ΔT，并通过关系式获得实际的手眼关系^H _LT＝ΔT·^H _LT’。

优选地，在步骤(1)中，所述的参考点为尖点标定物。

优选地，在步骤(2)中，当所述的参考点的位置不移动的情况下，所述的参考点在空间参照坐标系B内的位置^B _Pi只需要进行一次测量。

优选地，在步骤(3)中，传感头激光所选取的点前后不位于同一直线上。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

1、该方法不需要特殊的标定物，只需要从现场获取相应的点标定物即可进行(一般与机器人工具手标定一起进行即可)，因此降低了标定成本；

2、该方法具有较高的补偿能力，能够保证最终激光视觉测量较好的精确度。

附图说明

附图1为本发明中坐标系定义；

附图2为本发明中实际的手眼关系原理示意图；

附图3为本发明中传感头激光所选取的点的参考图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

一种激光视觉传感头与焊枪手眼关系的补偿方法，

首先，建立相应的坐标系，包括代表了焊丝尖端位置所在的工具坐标系H、代表了传感头发射激光所在位置的激光坐标系L、代表了传感头接收到激光成像所在位置的图像平面坐标系I、代表了机器人运动工作的空间参照坐标系B，如图1所示，其中：1、线激光器；2、激光面；3、CCD图像平面；4、透镜；5、焊枪。

其包括以下步骤：

(1)、在焊接现场任意摆放一个参考点，一般可以采用进行机器人焊枪标定时所采用的尖点标定物，如螺钉等；

(2)、通过平移工具坐标系H直至与该参考点位置重合后，获取出该参考点在工具坐标系H内的位置^BP_i，图像的位置则是需要测量N次，如图3所示，位于CCD成像平面上不同位置，其中，对于尖点标定物位置不移动的情况，一般只需要测量一次即可，记录机器人阅读焊丝尖端所在的实际位置^H _BT，而剩余的N-1个数据则可通过阅读焊丝尖端所在不同的位置获取不同的^H _BT，并通过关系式获得^HP_i＝^H _BT·^BP_i；

(3)、通过平移传感头测量出参考点在图像平面坐标系I内的位置^IP_i，即激光照射在该尖点位置处，且摄像机视野中，能够得到该尖点的激光成像光斑，进一步提取出该成像光斑中心在图像平面坐标系I中的位置，记录机器人阅读焊丝尖端与传感头初始位置关系^H _LT’，传感头发射激光所选取的点成像在图像平面坐标系I中的位置^L _IT，并通过关系式获得^HP_i’＝^H _LT’·^L _IT，此外，而对于传感器测量而言，需要保证在图像区域中不同位置处进行成像，且尽量保证前后测量的点不要共线，且不同测量点位置应能够尽量地覆盖整个图像的有效成像区域，其典型的测量区域划分如图3所示；

(4)、重复步骤(2)、(3)N次，获得对应点集合^HP＝{^HP_i，i＝1...N}和^HP’＝{^HP_i’，i＝1...N}，N≥3；

(5)、将^HP、^HP’利用刚体关系最小二乘估计法计算补偿量ΔT，并通过关系式获得实际的手眼关系^H _LT＝ΔT·^H _LT’。最小二乘估计法可参见ArunKS等人在IEEE Trans Pattern Anal Machine Intelligence，1987，pp.698-700，Least-squares fitting of two 3-D point se中所提出的方法。

按照上述方法，首先采用预估手眼关系，并进行实验获得校正数据与相对应的误差值如表一所示；而通过补偿后的手眼关系，对相同的对应数据计算获得校正数据与相对应的误差值如表二所示；最终补偿前后的整体性能对比如表三所示。

表一^H _LT补偿前后测量精度对比

表二^H _LT补偿后测量精度

表三补偿前后测量精度比较

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种激光视觉传感头与焊枪手眼关系的补偿方法，其特征在于：

建立相应的坐标系，包括代表了焊丝尖端位置所在的工具坐标系H、代表了传感头发射激光所在位置的激光坐标系L、代表了传感头接收到激光成像所在位置的图像平面坐标系I、代表了机器人运动工作的空间参照坐标系B；其包括以下步骤：

(1)、在焊接现场任意摆放一个参考点；

(2)、测量出所述的参考点在空间参照坐标系B内的位置^BP_i，记录工具手在空间参照坐标系B下的实际位姿^H _BT，并计算实际参考点位置^HP_i＝^H _BT·^BP_i；

(3)、测量出所述的参考点在图像平面坐标系I内的位置^IP_i，通过机器人工具手焊丝尖端与校正前传感头激光初始位置的伪手眼参数关系^H _LT’与激光传感头三维测量模型参数关系^L _IT，计算获得伪参考点位置^HP_i’＝^H _LT’·^L _IT；(4)、重复步骤(2)、(3)N次，获得实际参考点位置和伪参考点位置的对应点集合^HP＝{^HP_i，i＝1...N}和^HP’＝{^HP_i’，i＝1...N}，N≥3；

(5)、对^HP、^HP’利用刚体关系最小二乘估计法计算补偿量ΔT，并通过关系式获得实际的手眼关系^H _LT＝ΔT·^H _LT’。

2.根据权利要求1所述的一种激光视觉传感头与焊枪手眼关系的补偿方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的参考点为尖点标定物。

3.根据权利要求1所述的一种激光视觉传感头与焊枪手眼关系的补偿方法，其特征在于：在步骤(2)中，当所述的参考点的位置不移动的情况下，所述的参考点在空间参照坐标系B内的位置^BP_i只需要进行一次测量。

4.根据权利要求1所示的一种激光视觉传感头与焊枪手眼关系的补偿方法，其特征在于：在步骤(3)中，传感头激光所选取的点前后不位于同一直线上。

Images