CN108527332A - 一种基于结构光视觉传感器的焊缝轨迹离线校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于结构光视觉传感器的焊缝轨迹离线校准方法，包括步骤：步骤1、通过示教获取初始工件的示教轨迹及示教点；步骤2、示教机器人检测程序，保证结构光视觉传感器能够检测到相应的焊缝点位置；步骤3、使机器人按相应的运动方式驱动结构光视觉传感器检测当前激光线相应的焊缝点位置信息；步骤4、将所检测的相应的焊缝点位置信息传输给机器人控制器修改初始示教程序中的示教点位置；步骤5、运行修改后的机器人焊接示教程序，机器人按照修改后的示教程序进行运动，完成焊缝轨迹的校准；步骤6、焊接完成后，安装新的工件，重复步骤3至5。本发明降低了工件定位的要求，能有效解决工件焊缝偏移的情况，提高了焊接机器人的柔性。

Description

一种基于结构光视觉传感器的焊缝轨迹离线校准方法

技术领域

本发明属于机器人智能焊接领域，涉及一种基于结构光视觉传感器的焊缝轨迹离线校准方法。

背景技术

机器人应用于焊接领域内绝大多数都是采用示教再现的方式。然而，由于待焊工件形状尺寸不一致以及工装夹具定位精度低等原因，传统的示教再现方式已经不能满足焊接的要求。采用提高工件的加工精度以及工装夹具定位精度的方式是解决这个问题的一个方法，但是该方法将会明显提高生产成本，对于加工设备的精度以及工人的技术要求都较高，对于复杂工件来说，高精度的工装夹具设计要求较高，并且工装夹具的精度会随着使用时间增加而降低。该方法并不是解决上述问题的好的解决方案。近年来，随着机器人智能焊接的发展，机器视觉在机器人领域的应用也越来越广泛。

视觉传感器主要有主动视觉和被动视觉两种方式。被动视觉主要依赖自然光源，而主动视觉则往往添加了光源，使得被测物体更加明显。结构光视觉传感器采用的是主动视觉的方式，添加了激光光源。激光照射到被检测物体表面形成激光条纹，相加采集激光条纹图像，然后通过三角测量法则可以计算出激光条纹上的点在相机坐标系下的空间位置。依据这个原理，将结构光视觉传感器安装于弧焊机器人末端，然后通过手眼标定，可以将激光条纹上的点转换到机器人坐标系下的点，如此即可用于机器人焊缝检测，焊缝跟踪等应用场合。

目前结构光视觉传感器在焊接机器人上的应用较多。英国metavision公司和加拿大赛融公司的结构光视觉传感器已经在机器人焊接上有较成功的应用，不过他们主要基于应用于焊缝跟踪，在焊接过程中对机器人焊接轨迹进行纠正。对于焊缝轨迹的离线方式的轨迹校准应用较少，很多应用只是对焊缝轨迹进行检测，而没有进行匹配校准的过程。

发明内容

本发明提出了一种基于结构光视觉传感器的焊缝轨迹离线校准方法，结合焊接应用，不需要待焊工件的准确定位，采用直接校准或匹配校准的方式对工件的焊缝轨迹进行离线校准。

本发明的技术方案为：

一种基于结构光视觉传感器的焊缝轨迹离线校准方法，包括步骤：

步骤1、对初始工件进行示教，获取初始工件的示教轨迹及示教点；

步骤2、示教机器人检测程序，保证结构光视觉传感器能够检测到相应的焊缝点位置；

步骤3、运行焊缝检测程序，机器人按相应的运动方式驱动结构光视觉传感器检测当前激光线相应的焊缝点位置信息；

步骤4、将所检测的相应的焊缝点位置信息传输给机器人控制器修改初始示教程序中的示教点位置；

步骤5、运行修改后的机器人焊接示教程序，机器人按照修改后的示教程序进行运动，完成焊缝轨迹的校准；

步骤6、焊接完成后，安装新的工件，重复步骤3至5，直至完成同类工件的焊接。

进一步地，所述的步骤2具体包括：

步骤201、当焊缝形式为简单规则焊缝时，根据焊缝的结构形式，选择能反映焊缝形式的若干特定焊缝点位置；

步骤202、示教机器人检测程序，保证结构光视觉传感器能够检测到所选的特定焊缝点位置。

进一步地，所述的简单规则焊缝包括单段直线焊缝、单段圆弧焊缝或整圆焊缝；所述的能反映焊缝形式的若干特定焊缝点位置包括单段直线焊缝的两个端点、单段圆弧焊缝的两个端点及中间任一点、整圆焊缝的任意不共线的三个点。

进一步地，所述的步骤3具体包括：

运行焊缝检测程序，机器人运动到所选的各个特定焊缝点位置，所述结构光视觉传感器检测当前激光线的各个特定焊缝点位置信息。

进一步地，所述的步骤4具体包括：

提取每个所检测的特定焊缝点位置信息，将每个所检测的焊缝点位置信息传输给机器人控制器，所述机器人控制器按照输入的特定焊缝点位置信息顺序依次修改机器人焊接示教程序中对应示教点的位置。

进一步地，所述的步骤2具体包括：

当焊缝形式为不规则复杂焊缝时，根据工件焊缝的结构形式，示教机器人焊缝检测程序，使得结构光视觉传感器能够检测整个焊缝的连续轨迹。

进一步地，所述的不规则复杂焊缝包括折线焊缝、不规则曲线焊缝、折线与不规则曲线组合焊缝。

进一步地，所述的步骤3具体包括：

运行焊缝检测程序，机器人从起始位置开始对工件整个焊缝进行连续检测，获取焊缝的连续轨迹点。

进一步地，所述的步骤4具体包括：

步骤41、检测结束后，将检测的连续焊缝轨迹与工件的初始示教轨迹进行匹配，匹配过程采用ICP配准方法，寻找初始示教轨迹与焊缝检测轨迹之间的旋转矩阵R和平移矩阵T，通过变换矩阵将焊缝检测轨迹整体变换到示教轨迹上：

M＝R*D+T

其中，M为初始示教轨迹点集，D为焊缝检测轨迹点集，通过ICP寻找R和T，使得匹配误差最小；

步骤42、找到R和T后，通过逆变换，将初始示教点逆变换到检测点上，完成示教点的校准：

D_t＝R^-1(M_t-t)

其中，D_t为校准后的新的示教点集，M_t为初始示教点集；

步骤43、将新的示教点输入机器人控制器，所述机器人控制器依次将初始示教程序中的示教点进行修改。

进一步地，所述进行匹配时，当配准过程中前后两次迭代的变换矩阵差值ΔR的欧几里得范数小于预设的阈值则表示匹配精度达到：

||ΔR||²<δ。

相比现有技术，本发明采用的焊缝轨迹校准方法无需待焊工件的严格定位，且适用性较强，能够应对不同的焊缝轨迹，通过视觉校准实现机器人的柔性化智能化焊接。既能够适用于单段直线焊缝、单段圆弧焊缝及整圆焊缝等简单焊缝的轨迹校准，不需要对整个焊缝轨迹进行检测，同时，还能够应对复杂工件的焊缝轨迹校准，对于组合式焊缝轨迹能够实现较好的轨迹校准。

附图说明

图1为本发明实施例一焊缝轨迹直接校准流程图。

图2为本发明实施例一圆弧焊缝直接匹配示意图。

图3为本发明实施例二焊缝轨迹匹配校准流程图。

图4为本发明实施例二直线圆弧组合焊缝匹配校准示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。

本发明提出一种基于结构光视觉传感器的焊缝轨迹离线校准方法，其目的在于解决工件定位不一致造成的工件位置偏移的情况，提高焊接机器人的柔性化和智能化。结构光视觉传感器安装于机器人末端焊枪上，结构光视觉传感器检测的焊缝点通过手眼变换关系，将传感器坐标系下的点转换到机器人坐标系下的焊缝点，实现坐标系的统一，机器人即可通过检测的点进行位置校准操作。

实施例一

如图1所示，一种基于结构光视觉传感器的焊缝轨迹离线校准方法，包括步骤：

步骤1、对初始工件进行示教，获取初始工件的示教轨迹及示教点；

步骤2、当焊缝形式为简单规则焊缝时，根据焊缝的结构形式，选择能反映焊缝形式的若干特定焊缝点位置；示教机器人检测程序，保证结构光视觉传感器能够检测到所选的特定焊缝点位置；

步骤3、运行焊缝检测程序，机器人运动到所选的各个特定焊缝点位置，所述结构光视觉传感器检测当前激光线的各个特定焊缝点位置信息；

步骤4、提取每个所检测的特定焊缝点位置信息，将每个所检测的焊缝点位置信息传输给机器人控制器，所述机器人控制器按照输入的特定焊缝点位置信息顺序依次修改机器人焊接示教程序中对应示教点的位置；

步骤5、运行修改后的机器人焊接示教程序，机器人按照修改后的示教程序进行运动，完成焊缝轨迹的校准；

步骤6、焊接完成后，安装新的工件，重复步骤3至5，直至完成同类工件的焊接，无需再对工件进行示教。

具体而言，所述的简单规则焊缝包括单段直线焊缝、单段圆弧焊缝或整圆焊缝；所述的能反映焊缝形式的若干特定焊缝点位置包括单段直线焊缝的两个端点、单段圆弧焊缝的两个端点及中间任一点、整圆焊缝的任意不共线的三个点，如图2所示，本实施实例以单段圆弧焊缝为例，选择圆弧焊缝的两个端点位置以及一个中间点位置即可实现圆弧焊缝的焊接。

本实施例能够适用于单段直线焊缝、单段圆弧焊缝及整圆焊缝等简单焊缝的轨迹校准，不需要对整个焊缝轨迹进行检测，效率及精度高，降低了工件定位的要求，能够有效的解决工件焊缝偏移的的情况，提高了焊接机器人的柔性。

实施例二

如图3所示，一种基于结构光视觉传感器的焊缝轨迹离线校准方法，包括步骤：

步骤1、对初始工件进行示教，获取初始工件的示教轨迹及示教点；

步骤2、当焊缝形式为不规则复杂焊缝时，根据工件焊缝的结构形式，示教机器人焊缝检测程序，使得结构光视觉传感器能够检测整个焊缝的连续轨迹；

步骤3、运行焊缝检测程序，机器人从起始位置开始对工件整个焊缝进行连续检测，获取焊缝的连续轨迹点；

步骤4、将所检测的相应的焊缝点位置信息传输给机器人控制器修改初始示教程序中的示教点位置，具体包括：

步骤41、检测结束后，将检测的连续焊缝轨迹与工件的初始示教轨迹进行匹配，匹配过程采用ICP配准方法，寻找初始示教轨迹与焊缝检测轨迹之间的旋转矩阵R和平移矩阵T，通过变换矩阵将焊缝检测轨迹整体变换到示教轨迹上：

M＝R*D+T

其中，M为初始示教轨迹点集，D为焊缝检测轨迹点集，通过ICP寻找R和T，使得匹配误差最小，进行匹配时，当配准过程中前后两次迭代的变换矩阵差值ΔR的欧几里得范数小于预设的阈值则表示匹配精度达到：

||ΔR||²<δ；

步骤42、找到R和T后，通过逆变换，将初始示教点逆变换到检测点上，完成示教点的校准：

D_t＝R-¹(M_t-t)

其中，D_t为校准后的新的示教点集，M_t为初始示教点集；

步骤43、将如4所示的匹配后更新的示教点输入机器人控制器，所述机器人控制器依次将初始示教程序中的示教点进行修改；

步骤5、运行修改后的机器人焊接示教程序，机器人按照修改后的示教程序进行运动，完成焊缝轨迹的校准；

步骤6、焊接完成后，安装新的工件，重复步骤3至5，直至完成同类工件的焊接，无需再对工件进行示教。

具体而言，所述的不规则复杂焊缝包括折线焊缝、不规则曲线焊缝、折线与不规则曲线混合焊缝，如图4所示，本实施例的焊缝形式为直线圆弧组合焊缝，从而能够应对复杂工件的焊缝轨迹校准，对于组合式焊缝轨迹能够实现较好的轨迹校准，进一步提高本发明的适用性。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于结构光视觉传感器的焊缝轨迹离线校准方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1、对初始工件进行示教，获取初始工件的示教轨迹及示教点；

步骤2、示教机器人检测程序，保证结构光视觉传感器能够检测到相应的焊缝点位置；

步骤3、运行焊缝检测程序，机器人按相应的运动方式驱动结构光视觉传感器检测当前激光线相应的焊缝点位置信息；

步骤4、将所检测的相应的焊缝点位置信息传输给机器人控制器修改初始示教程序中的示教点位置；

步骤5、运行修改后的机器人焊接示教程序，机器人按照修改后的示教程序进行运动，完成焊缝轨迹的校准；

步骤6、焊接完成后，安装新的工件，重复步骤3至5，直至完成同类工件的焊接。

2.根据权利要求1所述的基于结构光视觉传感器的焊缝轨迹离线校准方法，其特征在于，所述的步骤2具体包括：

步骤201、当焊缝形式为简单规则焊缝时，根据焊缝的结构形式，选择能反映焊缝形式的若干特定焊缝点位置；

步骤202、示教机器人检测程序，保证结构光视觉传感器能够检测到所选的特定焊缝点位置。

3.根据权利要求1所述的基于结构光视觉传感器的焊缝轨迹离线校准方法，其特征在于，所述的简单规则焊缝包括单段直线焊缝、单段圆弧焊缝或整圆焊缝；所述的能反映焊缝形式的若干特定焊缝点位置包括单段直线焊缝的两个端点、单段圆弧焊缝的两个端点及中间任一点、整圆焊缝的任意不共线的三个点。

4.根据权利要求2或3所述的基于结构光视觉传感器的焊缝轨迹离线校准方法，其特征在于，所述的步骤3具体包括：

运行焊缝检测程序，机器人运动到所选的各个特定焊缝点位置，所述结构光视觉传感器检测当前激光线的各个特定焊缝点位置信息。

5.根据权利要求4所述的基于结构光视觉传感器的焊缝轨迹离线校准方法，其特征在于，所述的步骤4具体包括：

提取每个所检测的特定焊缝点位置信息，将每个所检测的焊缝点位置信息传输给机器人控制器，所述机器人控制器按照输入的特定焊缝点位置信息顺序依次修改机器人焊接示教程序中对应示教点的位置。

6.根据权利要求1所述的基于结构光视觉传感器的焊缝轨迹离线校准方法，其特征在于，所述的步骤2具体包括：

当焊缝形式为不规则复杂焊缝时，根据工件焊缝的结构形式，示教机器人焊缝检测程序，使得结构光视觉传感器能够检测整个焊缝的连续轨迹。

7.根据权利要求6所述的基于结构光视觉传感器的焊缝轨迹离线校准方法，其特征在于，所述的不规则复杂焊缝包括折线焊缝、不规则曲线焊缝、折线与不规则曲线混合焊缝。

8.根据权利要求6所述的基于结构光视觉传感器的焊缝轨迹离线校准方法，其特征在于，所述的步骤3具体包括：

运行焊缝检测程序，机器人从起始位置开始对工件整个焊缝进行连续检测，获取焊缝的连续轨迹点。

9.根据权利要求8所述的基于结构光视觉传感器的焊缝轨迹离线校准方法，其特征在于，所述的步骤4具体包括：

步骤41、检测结束后，将检测的连续焊缝轨迹与工件的初始示教轨迹进行匹配，匹配过程采用ICP配准方法，寻找初始示教轨迹与焊缝检测轨迹之间的旋转矩阵R和平移矩阵T，通过变换矩阵将焊缝检测轨迹整体变换到示教轨迹上：

M＝R*D+T

其中，M为初始示教轨迹点集，D为焊缝检测轨迹点集，通过ICP寻找R和T，使得匹配误差最小；

步骤42、找到R和T后，通过逆变换，将初始示教点逆变换到检测点上，完成示教点的校准：

D_t＝R^-1(M_t-t)

其中，D_t为校准后的新的示教点集，M_t为初始示教点集；

步骤43、将新的示教点输入机器人控制器，所述机器人控制器依次将初始示教程序中的示教点进行修改。

10.根据权利要求9所述的基于结构光视觉传感器的焊缝轨迹离线校准方法，其特征在于，所述进行匹配时，当配准过程中前后两次迭代的变换矩阵差值ΔR的欧几里得范数小于预设的阈值则表示匹配精度达到：

||ΔR||²＜δ。