CN108817740A - 一种基于结构光视觉的大转折焊缝轨迹离线校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于结构光视觉的大转折焊缝轨迹离线校准方法，包括步骤：步骤1、机器人对初始安装工件进行示教；步骤2、根据焊缝结构形式，对焊缝采用分段检测方式，输出分段检测轨迹；步骤3、将检测的焊缝轨迹与初始示教轨迹进行整体匹配，得到初始示教轨迹与检测焊缝轨迹的变换关系，通过变换关系输出匹配后的示教轨迹；步骤4、将匹配后的示教轨迹按照检测轨迹段进行分段并与对应分段的匹配后的示教轨迹进行匹配，将每段轨迹通过对应的匹配变换关系输出并提取出新的示教点位置；步骤5、将新的示教点位置输入机器人控制器完成焊缝轨迹的离线校准。本发明通过分段轨迹的检测及匹配实现了大转折焊缝轨迹的连续焊接，提高了机器人的应用范围。

Description

一种基于结构光视觉的大转折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的大转折焊缝轨迹离线校准方法。

背景技术

机器人焊接的自动化和智能化是机器人制造业发展的重要趋势。目前的机器人焊接依然是传统的示教再现方式为主导，这种方式由于缺乏对环境的感知能力而使得焊接机器人的使用范围受到限制，并且传统示教再现方式对工件的尺寸精度及定位精度要求较高。为了解决这个问题，采用传感器辅助的方式进行工件的再定位成为了机器人智能化焊接的研究热点。焊缝再定位主要有两种传感方式，接触式传感和非接触式传感方式。接触式传感方式操作复杂，且定位精度不高，非接触式传感方式成为了焊缝定位的主要方式。其中，以结构光视觉传感方式应用及研究最为广泛。

结构光视觉传感器主要由相机、镜头、激光器等零件构成，是一种典型的非接触式传感方式。在机器人焊接领域，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，但是它们主要应用于焊缝跟踪，并且无法对大转折焊缝轨迹进行连续的跟踪焊接。结构光视觉传感器一般安装于机器人焊枪上，采集焊枪前方固定位置处的焊缝点，由于结构光传感器超前安装，导致检测点与焊接点并不是同时的，所以对于大转折焊缝，传统方式都不能有效的进行焊缝的连续检测跟踪。

发明内容

本发明提出一种基于结构光视觉的大转折焊缝轨迹离线校准方法，目的在于解决大转折焊缝因为无法连续检测而造成不能连续焊接的问题，采用分段检测焊缝轨迹的方式，通过离线轨迹匹配的方式还原转折位置的焊缝轨迹，实现大转折焊缝的连续焊接。

本发明的技术方案为：

一种基于结构光视觉的大转折焊缝轨迹离线校准方法，包括以下步骤：

步骤1、机器人对初始安装工件进行示教，获取初始焊缝的连续示教轨迹及示教点；

步骤2、结构光视觉传感器检测工件的焊缝位置，根据焊缝结构形式，对焊缝采用分段检测方式，输出分段检测轨迹；

步骤3、将检测的焊缝轨迹与初始示教轨迹进行整体匹配，得到初始示教轨迹与检测焊缝轨迹的变换关系，通过变换关系输出匹配后的示教轨迹；

步骤4、将匹配后的示教轨迹按照检测轨迹段进行分段，然后将分段的焊缝检测轨迹与对应分段的匹配后的示教轨迹进行匹配，将每段轨迹通过对应的匹配变换关系输出最后匹配后的分段示教轨迹，然后从匹配后的分段示教轨迹中提取出新的示教点位置；

步骤5、将新的示教点位置输入机器人控制器，机器人控制器修改示教轨迹中对应示教点位置，运行焊接示教程序，完成焊缝轨迹的离线校准。

进一步地，所述的步骤3具体包括：

步骤31、匹配过程采用点对点的ICP匹配方法，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；

步骤32、输出旋转矩阵R和平移矩阵T，则初始示教轨迹M与焊缝检测轨迹D的变换关系可以表示为：

D≈R·M+T；

步骤33、通过变换关系输出整体匹配后的示教轨迹M_f：

M_f＝R·M+T。

进一步地，所述的步骤31中，

所述ICP匹配方法的配准过程是一个迭代的过程，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δ时则表示匹配精度达到要求：

||ΔR||²<δ

即找到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。

进一步地，所述的步骤4具体包括：

步骤41、按照焊缝的检测段，将匹配后的示教轨迹进行分段，使每段检测轨迹对应一段匹配后的示教轨迹；

步骤42、对于每段检测轨迹的起始点Pd_i，寻找在对应分段的示教轨迹中的最近点Pm_i，计算两点之间的位置差值：

t＝Pd_i-Pm_i；

步骤43、将t作为初始迭代的位移矩阵，对每一段的焊缝检测轨迹和对应的分段示教轨迹进行ICP匹配，同样达到匹配精度后，输出每段轨迹匹配的旋转矩阵Ri和平移矩阵Ti，则通过变换矩阵可以得到每段新的示教轨迹点：

步骤44、则最终更新的示教轨迹为每段更新的示教轨迹点的集合：

其中，n为分段数目；

步骤45、从新的示教轨迹集合中，依据初始示教点在示教轨迹中的序列位置，提取出新的示教点位置。

进一步地，所述步骤5中完成焊缝轨迹的离线校准后还包括步骤：

步骤6、焊接完成后，安装新工件，重复步骤3到5，完成批量工件的焊缝轨迹离线校准。

相比现有技术，本发明针对大转折焊缝无法进行连续检测的缺陷，对大转折焊缝进行分段式检测，然后通过焊缝轨迹离线匹配的方式，重建出大转折焊缝位置处的焊缝轨迹。该方法不仅不需要工件进行严格的定位，能够应对工件尺寸及定位不一致的问题，而且还能够通过视觉再定位使机器人能够对大转折焊缝进行连续焊接，提高了焊接机器人的适用范围，增加焊接机器人的自动化和智能化水平。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图。

图2为本发明实施例的90度直角的直线焊缝初始示教轨迹。

图3为本发明实施例的整体匹配结果示意图。

图4为本发明实施例的分段匹配结果示意图。

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的大转折焊缝轨迹离线校准方法，该方法不需要工件进行严格的定位，可以应对不同工件尺寸不一致及定位不一致的情况，同时，对于大转折焊缝能够通过分段式的检测及匹配，能够重建出转折位置的焊缝轨迹，使得机器人能够对大转折焊缝进行连续焊接。

结构光视觉传感器固定于机器人焊枪上，工作时对焊缝进行超前检测。检测得到的焊缝位置均统一到机器人坐标系下。图1为本发明的操作流程图，下面对流程图进行具体说明：

一种基于结构光视觉的大转折焊缝轨迹离线校准方法，包括以下步骤：

步骤1、机器人对初始安装工件进行示教，获取初始焊缝的连续示教轨迹及示教点，如图2所示，本实施实例焊缝为转折角为90度直角的直线焊缝；

步骤2、结构光视觉传感器检测工件的焊缝位置，根据焊缝结构形式，对焊缝采用分段检测方式，即在转折角两侧位置设定需要检测的焊缝段，运行示教机器人焊缝检测程序，使结构光视觉传感器能够分别检测到两段焊缝轨迹并输出分段检测轨迹；

步骤3、将检测的焊缝轨迹与初始示教轨迹进行整体匹配，得到初始示教轨迹与检测焊缝轨迹的变换关系，通过变换关系输出匹配后的示教轨迹；

步骤4、将匹配后的示教轨迹按照检测轨迹段进行分段，然后将分段的焊缝检测轨迹与对应分段的匹配后的示教轨迹进行匹配，将每段轨迹通过对应的匹配变换关系输出最后匹配后的分段示教轨迹，然后从匹配后的分段示教轨迹中提取出新的示教点位置；

步骤5、将新的示教点位置输入机器人控制器，机器人控制器修改示教轨迹中对应示教点位置，运行焊接示教程序，完成焊缝轨迹的离线校准；

步骤6、焊接完成后，安装新工件，重复步骤3到5，完成批量工件的焊缝轨迹离线校准。

具体而言，如图3所示，所述的步骤3具体包括：

步骤31、匹配过程采用点对点的ICP匹配方法，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，所述ICP匹配方法的配准过程是一个迭代的过程，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δ时则表示匹配精度达到要求：

||ΔR||²<δ

即找到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；

步骤32、输出旋转矩阵R和平移矩阵T，则初始示教轨迹M与焊缝检测轨迹D的变换关系可以表示为：

D≈R·M+T；

步骤33、通过变换关系输出整体匹配后的示教轨迹M_f：

M_f＝R·M+T。

具体而言，如图4所示，所述的步骤4具体包括：

步骤41、按照焊缝的检测段，将匹配后的示教轨迹进行分段，使每段检测轨迹对应一段匹配后的示教轨迹，本实例将匹配后的示教轨迹分为两段，每段检测轨迹对应一段匹配后的示教轨迹；

步骤42、对于每段检测轨迹的起始点Pd_i，寻找在对应分段的示教轨迹中的最近点Pm_i，计算两点之间的位置差值：

t＝Pd_i-Pm_i；

步骤43、将t作为初始迭代的位移矩阵，对每一段的焊缝检测轨迹和对应的分段示教轨迹进行ICP匹配，同样达到匹配精度后，输出每段轨迹匹配的旋转矩阵Ri和平移矩阵Ti，则通过变换矩阵可以得到每段新的示教轨迹点：

步骤44、则最终更新的示教轨迹为每段更新的示教轨迹点的集合：

其中，n为分段数目；

步骤45、从新的示教轨迹集合中，依据初始示教点在示教轨迹中的序列位置，提取出新的示教点位置，在未检测焊缝的转折位置处，也能根据初始示教点在示教轨迹中的顺序，提取出新的示教点，实现转折位置处轨迹的重建。

上述实施例中，匹配后的示教轨迹为连续轨迹，按照焊缝检测轨迹的分布，对应的对匹配后的示教轨迹进行分段，每一段再进行ICP匹配。在分段ICP匹配之前进行最近点平移操作，寻找每段焊缝检测点起始位置到对应分段的示教轨迹中的最近点之间的平移关系，将平移关系作为ICP初始迭代的平移分量因大转折焊缝无法通过传统的结构光视觉传感器进行连续检测，从而无法进行连续的焊缝跟踪。本发明采用分段焊缝轨迹检测方式，无需对转折位置进行检测，通过匹配可以重建转折位置处的焊缝信息，能够应对工件尺寸及定位不一致的问题，而且还能够通过视觉再定位使机器人能够对大转折焊缝进行连续焊接，提高了焊接机器人的适用范围，增加焊接机器人的自动化和智能化水平。

以上所述仅为本发明较佳的实施方案，并非用以局限本发明的范围。因此，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，均同理包含在本发明范围。

Claims (5)

1.一种基于结构光视觉的大转折焊缝轨迹离线校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、机器人对初始安装工件进行示教，获取初始焊缝的连续示教轨迹及示教点；

步骤2、结构光视觉传感器检测工件的焊缝位置，根据焊缝结构形式，对焊缝采用分段检测方式，输出分段检测轨迹；

步骤3、将检测的焊缝轨迹与初始示教轨迹进行整体匹配，得到初始示教轨迹与检测焊缝轨迹的变换关系，通过变换关系输出匹配后的示教轨迹；

步骤4、将匹配后的示教轨迹按照检测轨迹段进行分段，然后将分段的焊缝检测轨迹与对应分段的匹配后的示教轨迹进行匹配，将每段轨迹通过对应的匹配变换关系输出最后匹配后的分段示教轨迹，然后从匹配后的分段示教轨迹中提取出新的示教点位置；

步骤5、将新的示教点位置输入机器人控制器，机器人控制器修改示教轨迹中对应示教点位置，运行焊接示教程序，完成焊缝轨迹的离线校准。

2.根据权利要求1所述的基于结构光视觉的大转折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：

步骤31、匹配过程采用点对点的ICP匹配方法，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；

步骤32、输出旋转矩阵R和平移矩阵T，则初始示教轨迹M与焊缝检测轨迹D的变换关系可以表示为：

D≈R·M+T；

步骤33、通过变换关系输出整体匹配后的示教轨迹M_f：

M_f＝R·M+T。

3.根据权利要求2所述的基于结构光视觉的大转折焊缝轨迹离线校准方法，其特征在于，所述的步骤31中，

所述ICP匹配方法的配准过程是一个迭代的过程，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δ时则表示匹配精度达到要求：

||ΔR||²<δ

即找到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。

4.根据权利要求1所述的基于结构光视觉的大转折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、按照焊缝的检测段，将匹配后的示教轨迹进行分段，使每段检测轨迹对应一段匹配后的示教轨迹；

步骤42、对于每段检测轨迹的起始点Pd_i，寻找在对应分段的示教轨迹中的最近点Pm_i，计算两点之间的位置差值：

t＝Pd_i-Pm_i；

步骤43、将t作为初始迭代的位移矩阵，对每一段的焊缝检测轨迹和对应的分段示教轨迹进行ICP匹配，同样达到匹配精度后，输出每段轨迹匹配的旋转矩阵Ri和平移矩阵Ti，则通过变换矩阵可以得到每段新的示教轨迹点：

步骤44、则最终更新的示教轨迹为每段更新的示教轨迹点的集合：

其中，n为分段数目；

步骤45、从新的示教轨迹集合中，依据初始示教点在示教轨迹中的序列位置，提取出新的示教点位置。

5.根据权利要求1所述的基于结构光视觉的大转折焊缝轨迹离线校准方法，其特征在于，所述步骤5中完成焊缝轨迹的离线校准后还包括步骤：

步骤6、焊接完成后，安装新工件，重复步骤3到5，完成批量工件的焊缝轨迹离线校准。