CN105904107A - 移动机器人激光打标系统及激光打标方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移动机器人激光打标系统，用于对工件进行激光打标，包括移动机器人及与所述移动机器人通信连接的第一面阵成像CCD相机；所述第一面阵成像CCD相机与所述移动机器人相独立；所述移动机器人包括：移动机构；机械臂，设置于所述移动机构上；用于产生激光的激光打标机构，设置于所述机械臂的末端；第二面阵成像CCD相机，设置于所述机械臂的末端，并位于所述激光打标机构的一侧；及，微型投影仪，设置于所述机械臂的末端。同时还提供了一种激光打标方法。上述移动机器人激光打标系统及采用该移动机器人激光打标系统，其可降低对工件进行多面打标对人力物力成本的高需求，实现了二维/三维打标的自动化，并且能够提高打标的准确性和一致性。

Description

移动机器人激光打标系统及激光打标方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术，特别是涉及移动机器人激光打标系统及激光打标方法。

背景技术

近些年来，激光加工广泛应用于众多工业领域中，例如激光切割、激光打标等。在进行激光加工前，首先要获取需要加工的工件的信息及需要加工的图案、字符或者LOGO等，然后再对工件进行加工。但是激光在加工过程中的能量是非常高的，所以在激光加工的过程一定要做好防护工作，避免对操作工人产生伤害。

随着机器人技术的逐渐成熟，现在机器人慢慢开始替人类执行危险、简单、重复、精确、大规模或者大量的工作。机器人现在广泛的应用于工业、军事及家庭等各个领域。因此，人类已经开展了对机器人进行各方面的技术的研究，尤其在机器人控制及行进装置方面，并取得了一定的成就。

传统的激光打标系统，在进行激光打标时，特别是在对工件进行三维打标时，其需要操作人员进行大量的工作，消耗大量的人力物力成本。

发明内容

基于此，提供一种能够降低人力物力成本的移动机器人激光打标系统，并且还提供了一种使用该移动机器人激光打标系统的激光打标方法。

一种移动机器人激光打标系统，用于对工件进行激光打标，包括移动机器人及与所述移动机器人通信连接的第一面阵成像CCD相机；所述第一面阵成像CCD相机与所述移动机器人相独立；所述移动机器人包括：

移动机构；

机械臂，设置于所述移动机构上；

用于产生激光的激光打标机构，设置于所述机械臂的末端；

第二面阵成像CCD相机，设置于所述机械臂的末端，并位于所述激光打标机构的一侧；及

微型投影仪，设置于所述机械臂的末端。

一种激光打标方法，采用上述移动机器人激光打标系统对工件进行打标，包括以下步骤：

通过所述第一面阵成像CCD相机对所述工件进行成像，得到工件的外形轮廓信息；

根据所述外形轮廓信息选定所述移动机器人的多个粗略的定位点，并根据多个粗略的定位点规划所述移动机器人粗略的运动轨迹；

当所述移动机器人运动至所述粗略的定位点时，所述第二面阵成像CCD相机对所述工件相对移动机器人的当前位置进行成像，并逐步调整所述机械臂使得所述第二面阵成像CCD相机的成像中心点与所述工件当前位置的中心点重合，以完成所述定位点的精确定位；

所述微型投影仪将需被标记的图案或形状投影至所述工件的表面上，所述第二面阵成像CCD相机对投影图案进行成像，并得到工件表面的三维信息；

根据所述工件表面的三维信息对所述工件进行打标。

在其中一个实施例中，所述通过所述第一面阵成像CCD相机对所述工件进行成像，得到工件的外形轮廓信息的步骤之前，还包括以下步骤：

对所述移动机器人的运动坐标系与所述第一面阵成像CCD相机的像素坐标系及所述第二面阵成像CCD相机的像素坐标系统一至同一坐标系。

在其中一个实施例中，所述对所述移动机器人的运动坐标系与所述第一面阵成像CCD相机的像素坐标系及所述第二面阵成像CCD相机的像素坐标系标定并统一至同一坐标系的步骤具体为：

将所述移动机器人的运动坐标系与所述第一面阵成像CCD相机的像素坐标系相统一至同一坐标系；

将所述移动机器人的运动坐标系与所述第二面阵成像CCD相机的像素坐标系相统一至同一坐标系。

在其中一个实施例中，所述将所述移动机器人的运动坐标系与所述第一面阵成像CCD相机的像素坐标系相统一至同一坐标系的步骤具体为：

将棋盘格标定板至于所述移动机器人的工作区域内，以所述棋盘格标定板的棋盘格中心点为坐标原点建立所述移动机器人的运动坐标系，得到所述棋盘格标定板的角点在所述运动坐标系内的坐标；

通过所述第一面阵成像CCD相机对所述棋盘格标定板进行成像，并对成像图像进行处理，以所述棋盘格标定板的棋盘格中心点为坐标原点，建立所述第一面阵成像CCD相机的像素坐标系，得到所述棋盘格标定板的角点在所述第一面阵成像CCD相机的像素坐标系内的坐标；

由所述棋盘格标定板的角点在所述运动坐标系内的坐标及在所述第一面阵成像CCD相机的像素坐标系内的坐标，建立所述第一面阵成像CCD相机的像素坐标系换算成所述运动坐标系的换算矩阵。

在其中一个实施例中，所述将所述移动机器人的运动坐标系与所述第二面阵成像CCD相机的像素坐标系相统一至同一坐标系的步骤具体为：

通过所述第二面阵成像CCD相机对所述棋盘格标定板进行成像，并对成像图像进行处理，以所述棋盘格标定板的棋盘格中心点为坐标原点，建立所述第二面阵成像CCD相机的像素坐标系，得到所述棋盘格标定板的角点在所述第二面阵成像CCD相机的像素坐标系内的坐标；

由所述棋盘格标定板的角点在所述运动坐标系内的坐标及在所述第二面阵成像CCD相机的像素坐标系内的坐标，建立所述第二面阵成像CCD相机的像素坐标系换算成所述运动坐标系的换算矩阵，并且可以得到所述第二面阵成像CCD相机的像素坐标系与所述运动坐标系间的固定偏移量。

在其中一个实施例中，在当所述移动机器人运动至所述粗略的定位点时，所述第二面阵成像CCD相机对所述工件相对移动机器人的当前位置进行成像，并调整所述机械臂使得所述第二面阵成像CCD相机的成像中心点与所述当前位置的中心点重合，以完成所述定位点的精确定位的步骤中，调整所述机械臂使得所述第二面阵成像CCD相机的成像中心点与所述当前位置的中心点重合，所述移动机器人在该点的运动坐标系的坐标与所述固定偏移量之和即为所述移动机器人在该点的精确坐标值。

在其中一个实施例中，所述将所述移动机器人的运动坐标系与所述第二面阵成像CCD相机的像素坐标系相统一至同一坐标系的步骤还包括：

计算所述第二面阵成像CCD相机成像所得图像中单个格子的实际长度及像素长度，由所述实际长度及所述像素长度得到所述第二面阵成像CCD相机的标定系数。

上述移动机器人激光打标系统及采用该移动机器人激光打标系统的激光打标方法中，其可降低对工件进行多面打标对人力物力成本的高需求，实现了二维/三维打标的自动化，并且能够提高打标的准确性和一致性。

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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1为本发明一实施例中移动机器人激光打标系统的结构图；

图2为本发明一实施例的激光打标方法流程图；

图3为图1所示移动机器人激光打标系统的工作示意图；及

图4为棋盘格标定板的示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请一并参阅图1，本发明一实施例的移动机器人激光打标系统10，包括移动机器人100及与第一面阵成像CCD相机200。移动机器人100用来对工件20进行打标。第一面阵成像CCD相机200与移动机器人100通信连接。

具体的，移动机器人100包括移动机构110、机械臂120、激光打标机构130、第二面阵成像CCD相机140及微型投影仪150。

移动机构110通过转动轮或履带进行移动。机械臂120设置于移动机构110上。机械臂120的末端为自由端，可自由移动。激光打标机构130用于产生激光。激光打标机构130设置于机械臂120的末端。

第二面阵成像CCD相机140设置于机械臂120的末端，并位于激光打标机构130的一侧。第二面阵成像CCD相机140及第一面阵成像CCD相机200均可对工件20进行成像。具体在本实施例中，第二面阵成像CCD相机140的视场小于第一面阵成像CCD相机200。

微型投影仪150设置于机械臂120的末端。微型投影仪150可将图案投影至工件20表面。激光打标机构130、第二面阵成像CCD相机140及微型投影仪150均可随机械臂120的末端移动，且改变工作角度。

请一并参阅图2，本发明还提供了一种激光打标方法，采用上述的移动机器人激光打标系统10对工件20进行打标。激光打标方法包括以下步骤：

步骤S110，通过第一面阵成像CCD相机对工件进行成像，得到工件的外形轮廓信息。

具体的，工件20放置于移动机器人100的工作范围内，第一面阵成像CCD相机200的视场可稍大于工件20。第一面阵成像CCD相机200对工件20进行成像后，通过图像预处理软件求出工件20的外形轮廓信息。

需要指出的是，在步骤S110之前，还可包括步骤S101：对移动机器人的运动坐标系与第一面阵成像CCD相机的像素坐标系及第二面阵成像CCD相机的像素坐标系统一至同一坐标系。

具体的，上述步骤S101具体为：

步骤S101a：将移动机器人100的运动坐标系与第一面阵成像CCD相机200的像素坐标系相统一至同一坐标系。

具体的，请一并参阅图3及图4，步骤S101a具体为：将棋盘格标定板30至于移动机器人100的工作区域内，以棋盘格标定板30的棋盘格中心点为坐标原点建立移动机器人100的运动坐标系，以得到棋盘格标定板30的角点在运动坐标系内的坐标。

通过第一面阵成像CCD相机200对棋盘格标定板30进行成像，并对成像图像进行处理。以棋盘格标定板30的棋盘格中心点为坐标原点，建立第一面阵成像CCD相机200的像素坐标系。得到棋盘格标定板30的角点在第一面阵成像CCD相机200的像素坐标系内的坐标。

由棋盘格标定板30的角点在运动坐标系内的坐标及在第一面阵成像CCD相机200的像素坐标系内的坐标，建立第一面阵成像CCD相机200的像素坐标系换算成运动坐标系的换算矩阵。

具体在本实施例中，请结合图3及图4，图中O点为标定板的中心点，此点将作为移动机器人100运动坐标系的原点。xy坐标系为移动机器人100机械手的运动坐标系。坐标系中的点D1、D2、D3为选定的三个点，选定的点必须为棋盘格中的角点，以此才能确定选定点在移动机器人100点位运动坐标系中的坐标。通过人工选定，点D1、D2、D3在图像上的像素坐标已知。假设三个点的像素坐标分别为(R1,C1)，(R2,C2)，(R3,C3)，根据建立的移动机器人100运动坐标系，点D1、D2、D3在移动机器人100运动坐标系中的坐标分别为(-4,6)、(6,2)、(4,-4)(在本发明中，棋盘格一个小方格的规格为2mm×2mm)。由此，可建立一个像素点坐标换算至移动机器人100点位运动坐标的换算矩阵 即：

$\left[\begin{array}{cc}{R}_1& C_1\\ R_2& C_2\\ R_3& C_3\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{ccc}x1& y1& z1\\ x2& y2& z2\\ x3& y3& z3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-4& 6\\ 6& 2\\ 4& -4\end{array}\right]$

计算出换算矩阵Matrix的各个值后，就可根据换算矩阵将图像上的各个点转换为移动机器人100运动坐标系中的坐标。

步骤S101b：将移动机器人100的运动坐标系与第二面阵成像CCD相机140的像素坐标系相统一至同一坐标系。

步骤S101b具体为：通过第二面阵成像CCD相机140对棋盘格标定板30进行成像，并对成像图像进行处理。以棋盘格标定板30的棋盘格中心点为坐标原点，建立第二面阵成像CCD相机140的像素坐标系，得到棋盘格标定板30的角点在第二面阵成像CCD相机140的像素坐标系内的坐标。整个像素坐标系建立的过程与第一面阵成像CCD相机200的像素坐标系的建立过程相似。

由棋盘格标定板30的角点在运动坐标系内的坐标及在第二面阵成像CCD相机140的像素坐标系内的坐标，建立第二面阵成像CCD相机140的像素坐标系换算成运动坐标系的换算矩阵，并且可以得到第二面阵成像CCD相机140的像素坐标系与运动坐标系间的固定偏移量。

此外，步骤S101b还可包括：计算第二面阵成像CCD相机140成像所得图像中单个格子的实际长度及像素长度，由实际长度及像素长度得到第二面阵成像CCD相机140的标定系数。

步骤S120，根据外形轮廓信息选定移动机器人的多个粗略的定位点，并根据多个粗略的定位点规划移动机器人粗略的运动轨迹。

具体的，在得到工件20的外形轮廓信息后，可以通过人工的方式，在第一面阵成像CCD相机200的系统软件上选择移动机器人100的点位信息，并将点位信息通过上述得到的换算矩阵换算成移动机器人100运动坐标系坐标，由此对移动机器人100的运动轨迹进行粗略规划。

步骤S130，当移动机器人运动至粗略的定位点时，第二面阵成像CCD相机对工件相对移动机器人的当前位置进行成像，并逐步调整机械臂使得第二面阵成像CCD相机的成像中心点与当前位置的中心点重合，以完成定位点的精确定位。

具体的，移动机器人100运动到各个点位之后，由第二面阵成像CCD相机140对工件20当前位置进行成像，并逐步调整机械臂120使得第二面阵成像CCD相机140中心点与工件20在当前成像位置的中心点重合，以完成定位点的精确定位。由此，可对移动机器人100的运动轨迹进行精确规划。

需要指出的是，在上述步骤中，调整机械臂120使得第二面阵成像CCD相机140的成像中心点与当前位置的中心点重合时，移动机器人100在该点的运动坐标系的坐标与固定偏移量之和即为移动机器人100在该点的精确坐标值。

步骤S140，微型投影仪将需被标记的图案或形状投影至工件的表面上，第二面阵成像CCD相机对投影图案进行成像，并得到工件表面的三维信息。

当移动机器人100运动到需要打标的精确位置时，由微型投影仪150对当前的工件20位置进行投影。然后由第二面阵成像CCD相机140对投影图案进行成像，以而得到工件20的三维信息。

微型投影仪150可为数字式微型投影仪150。需要指出的是，数字式微型投影仪150的位置尽可能要与被投影工件20(即工件20)成直角才能保证投影效果，如果无法保证微型投影仪150与工件20间的垂直，投影出来的图形就会产生梯形，在这种情况下，需要对梯形进行校正，保证图像成标准的矩形。梯形校正通常有两种方法：光学梯形校正和数码梯形校正，光学梯形校正是指通过调整镜头的物理位置来达到调整梯形的目的，另一种数码梯形校正是通过软件的方法来实现梯形校正。具体在本实施例中，对梯形校正采用软件校正的方法。

步骤S150，根据工件20表面的三维信息对工件20进行打标。

激光打标机构130根据所获得的工件20的三维信息对工件20进行打标。

上述移动机器人激光打标系统10及采用该移动机器人激光打标系统10的激光打标方法中，其可降低对工件20进行多面打标对人力物力成本的高需求，实现了二维/三维打标的自动化，并且能够提高打标的准确性和一致性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种移动机器人激光打标系统，用于对工件进行激光打标，其特征在于，包括移动机器人及与所述移动机器人通信连接的第一面阵成像CCD相机；所述第一面阵成像CCD相机与所述移动机器人相独立；所述移动机器人包括：

移动机构；

机械臂，设置于所述移动机构上；

用于产生激光的激光打标机构，设置于所述机械臂的末端；

第二面阵成像CCD相机，设置于所述机械臂的末端，并位于所述激光打标机构的一侧；及

微型投影仪，设置于所述机械臂的末端。

2.一种激光打标方法，采用如权利要求1所述的移动机器人激光打标系统对工件进行打标，其特征在于，包括以下步骤：

通过所述第一面阵成像CCD相机对所述工件进行成像，得到工件的外形轮廓信息；

根据所述外形轮廓信息选定所述移动机器人的多个粗略的定位点，并根据多个粗略的定位点规划所述移动机器人粗略的运动轨迹；

当所述移动机器人运动至所述粗略的定位点时，所述第二面阵成像CCD相机对所述工件相对移动机器人的当前位置进行成像，并逐步调整所述机械臂使得所述第二面阵成像CCD相机的成像中心点与所述工件当前位置的中心点重合，以完成所述定位点的精确定位；

所述微型投影仪将需被标记的图案或形状投影至所述工件的表面上，所述第二面阵成像CCD相机对投影图案进行成像，并得到工件表面的三维信息；

根据所述工件表面的三维信息对所述工件进行打标。

3.根据权利要求2所述的激光打标方法，其特征在于，所述通过所述第一面阵成像CCD相机对所述工件进行成像，得到工件的外形轮廓信息的步骤之前，还包括以下步骤：

对所述移动机器人的运动坐标系与所述第一面阵成像CCD相机的像素坐标系及所述第二面阵成像CCD相机的像素坐标系统一至同一坐标系。

4.根据权利要求3所述的激光打标方法，其特征在于，所述对所述移动机器人的运动坐标系与所述第一面阵成像CCD相机的像素坐标系及所述第二面阵成像CCD相机的像素坐标系标定并统一至同一坐标系的步骤具体为：

将所述移动机器人的运动坐标系与所述第一面阵成像CCD相机的像素坐标系相统一至同一坐标系；

将所述移动机器人的运动坐标系与所述第二面阵成像CCD相机的像素坐标系相统一至同一坐标系。

5.根据权利要求3所述的激光打标方法，其特征在于，所述将所述移动机器人的运动坐标系与所述第一面阵成像CCD相机的像素坐标系相统一至同一坐标系的步骤具体为：

将棋盘格标定板至于所述移动机器人的工作区域内，以所述棋盘格标定板的棋盘格中心点为坐标原点建立所述移动机器人的运动坐标系，得到所述棋盘格标定板的角点在所述运动坐标系内的坐标；

通过所述第一面阵成像CCD相机对所述棋盘格标定板进行成像，并对成像图像进行处理，以所述棋盘格标定板的棋盘格中心点为坐标原点，建立所述第一面阵成像CCD相机的像素坐标系，得到所述棋盘格标定板的角点在所述第一面阵成像CCD相机的像素坐标系内的坐标；

由所述棋盘格标定板的角点在所述运动坐标系内的坐标及在所述第一面阵成像CCD相机的像素坐标系内的坐标，建立所述第一面阵成像CCD相机的像素坐标系换算成所述运动坐标系的换算矩阵。

6.根据权利要求5所述的激光打标方法，其特征在于，所述将所述移动机器人的运动坐标系与所述第二面阵成像CCD相机的像素坐标系相统一至同一坐标系的步骤具体为：

通过所述第二面阵成像CCD相机对所述棋盘格标定板进行成像，并对成像图像进行处理，以所述棋盘格标定板的棋盘格中心点为坐标原点，建立所述第二面阵成像CCD相机的像素坐标系，得到所述棋盘格标定板的角点在所述第二面阵成像CCD相机的像素坐标系内的坐标；

由所述棋盘格标定板的角点在所述运动坐标系内的坐标及在所述第二面阵成像CCD相机的像素坐标系内的坐标，建立所述第二面阵成像CCD相机的像素坐标系换算成所述运动坐标系的换算矩阵，并且可以得到所述第二面阵成像CCD相机的像素坐标系与所述运动坐标系间的固定偏移量。

7.根据权利要求6所述的激光打标方法，其特征在于，在当所述移动机器人运动至所述粗略的定位点时，所述第二面阵成像CCD相机对所述工件相对移动机器人的当前位置进行成像，并调整所述机械臂使得所述第二面阵成像CCD相机的成像中心点与所述当前位置的中心点重合，以完成所述定位点的精确定位的步骤中，调整所述机械臂使得所述第二面阵成像CCD相机的成像中心点与所述当前位置的中心点重合，所述移动机器人在该点的运动坐标系的坐标与所述固定偏移量之和即为所述移动机器人在该点的精确坐标值。

8.根据权利要求5所述的激光打标方法，其特征在于，所述将所述移动机器人的运动坐标系与所述第二面阵成像CCD相机的像素坐标系相统一至同一坐标系的步骤还包括：

计算所述第二面阵成像CCD相机成像所得图像中单个格子的实际长度及像素长度，由所述实际长度及所述像素长度得到所述第二面阵成像CCD相机的标定系数。