CN110009685B - 一种应用于电弧增材的激光相机手眼标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于电弧增材的激光相机手眼标定方法，本发明方法能够快速标定焊接头(焊丝尖端)与激光相机的位姿关系，并将两者的位姿关系作为增材软件的输入，使增材软件将相机采集到的光平面的点坐标转换为工具坐标系下的点坐标。

Description

一种应用于电弧增材的激光相机手眼标定方法
技术领域
本发明涉及一种金属电弧增材制造方法，尤其涉及一种应用于电弧增材的激光相机手眼标定方法，属于金属焊接加工技术领域。
背景技术
电弧增材制造，是使用电弧为热源，将焊丝熔化，根据零件数模计算出线-面-体的堆叠路径，逐层堆积出金属件的加工方式。电弧增材技术与传统的铸造、锻造，以及激光、电子束增材制造方式相比有一定的优势，电弧增材制造技术具有熔覆效率高、填充金属利用率高，整体制造周期短，成本较低的优点。对于金属大型构件的增材制造过程，由于增材层数多，叠加误差大，现有的电弧增材制造方法无法满足工件的精度要求。
电弧热源成型是一个多参数耦合作用的复杂过程，每层的堆积高度不稳定，如果使用固定层高，不可避免会产生误差，而且误差会逐层积累，通过线结构光扫描增材后的工件，得到工件表面信息后反馈给控制模块，优化下一层切片和路径规划。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于电弧增材的激光相机手眼标定方法，本方法能够快速标定焊接头(焊丝尖端)与激光相机的位姿关系，并将两者的位姿关系作为增材软件的输入，使增材软件将相机采集到的光平面的点坐标转换为工具坐标系下的点坐标。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种应用于电弧增材的激光相机手眼标定方法，上述方法包括焊接机器人，焊接机器人前端设有焊枪以及与焊枪固定连接的激光相机，焊枪下方设有工作台，工作台上放置有长方体标定板；上述方法具体包括如下步骤：
步骤1，打开相机控制端，将相机控制端与激光相机连接；激光相机发出的激光线投影在工作台上，激光相机发出的激光线沿激光相机坐标的X轴方向延伸，沿激光相机坐标的Z轴方向射出；
步骤2，定义一个工件坐标系wobj1，使用标定板上表面左下角顶点为工件坐标系原点，上表面长边为工件坐标系的X轴方向，上表面短边为工件坐标系的Y轴方向；
步骤3，使用机器人内置的6点法定义当前焊枪尖端工具坐标tool1，该工具坐标对应的齐次变换矩阵记做
Figure GDA0003366847000000021
步骤4，对准Rz方向：使用机器人示教器，移动焊枪尖端到标定板上方约50mm处(垂直距离)，将焊枪尖端沿工具坐标系Z轴方向旋转，使激光线与标定板上表面长边重合；
步骤5，对准Ry方向：此时在相机软件中读取到光平面与标定板上表面的交线，将焊枪尖端沿工具坐标系Y轴方向旋转，使交线呈水平状态，即交线与工件坐标系X轴方向平行；
步骤6，对准Rx方向：设置机器人为基于工件坐标系wobj1的平移运动，将焊枪尖端沿着工具坐标系Z轴方向上移100mm，此时激光线偏离标定板，沿工具坐标系X轴方向旋转焊枪头，使激光线再次与标定板上表面的长边重合；重复将焊枪尖端在工具坐标系Z方向上上下平移，观察激光线是否偏离标定板边沿，如有偏移，需要沿工具坐标系X轴方向旋转焊枪头(即微调Rx方向)，直到将焊枪尖端在工具坐标系Z方向上上下平移时激光线没有明显偏移偏离标定板边沿为止；
步骤7，从机器人示教器中读取到当前焊枪尖端在工具坐标系下的点姿态[x，y，z]，[q1，q2，q3，q4]，记为S点位姿；经过步骤4～6调整后，此时光平面与标定板上表面相互垂直；
步骤8，确定Z方向偏移量：焊枪尖端在保持S点姿态的前提下进行平移运动，将焊枪尖端沿着工件坐标系Z轴方向竖直向下平移，直至焊枪尖端刚好触碰到标定板上表面，此时，焊枪尖端在工件坐标系Z方向的坐标为0，此时从相机软件读取到相机与标定板z方向的距离，记为Oz，Oz为Z方向偏移量；其中，Oz＝(Ptool3).z-(Ptool1).z；Ptool3为相机中心点在工件坐标系wobj1下的位置，Ptool1为焊枪尖端在工件坐标系wobj1下的位置；Ptool3的z值可以在相机软件中读取，Ptool1在工件坐标z＝0的平面上，所以z值为0；
步骤9，确定Y方向偏移量：焊枪尖端在保持S点姿态的前提下进行平移运动，将焊枪尖端平移到标定板上表面约1-3mm高度，沿着工件坐标系Y轴负方向移动，直到焊枪尖端处于标定板长边正上方(此时焊枪尖端在工件坐标系Y方向的坐标为0)，记录当前焊枪尖端的坐标[x1，y1，z1]，继续将焊枪尖端沿着工件坐标系Y轴负方向移动，直到激光线与标定板上表面的长边重合，记录当前焊枪尖端的坐标[x2，y2，z2]，Y方向偏移量Oy＝y2-y1；
步骤10，确定X方向偏移量：焊枪尖端在保持S点姿态的前提下进行平移运动，将焊枪尖端平移到标定板上表面约1-3mm高度，使激光线回到标定板上，此时再将焊枪尖端沿着工件坐标系X轴正方向移动，直到焊枪尖端处于标定板上表面短边边沿正上方(此时焊枪尖端在工件坐标系X方向的坐标为0)，此时激光线位于标定板短边范围内，记录当前焊枪尖端的坐标[x3，y3，z3]，控制焊枪尖端继续沿工件坐标系X正方向平移，直到相机软件中显示标定板上表面短边边沿处于x＝0的位置，记录当前焊枪尖端的坐标[x4，y4，z4]，X方向偏移量Ox＝x4-x3；
步骤11，求解相机工具坐标tool3：
求解相机工具坐标，即求解
Figure GDA0003366847000000031
根据齐次变换原理可以得到：
Figure GDA0003366847000000032
Figure GDA0003366847000000033
当机器人焊枪尖端移动到Point点时，
Figure GDA00033668470000000310
为4x4的单位矩阵；
式(2)带入式(1)得到：
Figure GDA0003366847000000034
根据上述步骤1～10对准后，当焊枪尖端位于工件坐标的(0，0，0)，(q1，q2，q3，q4)位姿，此时相机姿态为(Ox，Oy，Oz)，(0，0，1，0)即：
Figure GDA0003366847000000035
为(0，0，0)，(q1，q2，q3，q4)对应的齐次变换矩阵；
Figure GDA0003366847000000036
为(Ox，Oy，Oz)，(0，0，1，0)对应的齐次变换矩阵；
Figure GDA0003366847000000037
为焊枪工具坐标对应的齐次变换矩阵，该值是由6点法标定得到；
由(3)求解得到相机工具坐标
Figure GDA0003366847000000038
使用机器人内置TCP 6点法定义的焊枪工具坐标tool1，
Figure GDA0003366847000000039
为焊枪工具坐标tool1的位姿对应的齐次变换矩阵。
其中，所述标定板为金属标准板，尺寸为200*100mm。
相比于现有技术，本发明的技术方案所具有的有益效果为：
本发明方法能够快速标定焊丝尖端与相机的位姿关系，并将两者的位姿关系作为增材软件的输入，为后续的增材数值计算和路径规划提供精确的测量数据，本方法无需准备高精度的球靶，标定的激光相机坐标精度也能满足电弧增材制造的测量需求。
附图说明
图1为本发明方法的工作原理图；
图2为焊接机器人空间尺寸链。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明应用于电弧增材的激光相机手眼标定方法，上述方法包括焊接机器人，焊接机器人前端设有焊枪以及与焊枪固定连接的激光相机，焊枪下方设有工作台，工作台上放置有长方体标定板；上述方法具体包括如下步骤：
步骤1，打开相机控制端，将相机控制端与激光相机连接；激光相机发出的激光线投影在工作台上，激光相机发出的激光线沿激光相机坐标的X轴方向延伸，沿激光相机坐标的Z轴方向射出；
步骤2，定义一个工件坐标系wobj1，使用标定板上表面左下角顶点为工件坐标系原点，上表面长边为工件坐标系的X轴方向，上表面短边为工件坐标系的Y轴方向；
步骤3，使用机器人内置的6点法定义当前焊枪尖端工具坐标tool1，该工具坐标对应的齐次变换矩阵记做
Figure GDA0003366847000000041
步骤4，对准Rz方向：使用机器人示教器，移动焊枪尖端到标定板上方约50mm处(垂直距离)，将焊枪尖端沿工具坐标系Z轴方向旋转，使激光线与标定板上表面长边重合；
步骤5，对准Ry方向：此时在相机软件中读取到光平面与标定板上表面的交线，将焊枪尖端沿工具坐标系Y轴方向旋转，使交线呈水平状态，即交线与工件坐标系X轴方向平行；
步骤6，对准Rx方向：设置机器人为基于工件坐标系wobj1的平移运动，将焊枪尖端沿着工具坐标系Z轴方向上移100mm，此时激光线偏离标定板，沿工具坐标系X轴方向旋转焊枪头，使激光线再次与标定板上表面的长边重合；重复将焊枪尖端在工具坐标系Z方向上上下平移，观察激光线是否偏离标定板边沿，如有偏移，需要沿工具坐标系X轴方向旋转焊枪头(即微调Rx方向)，直到将焊枪尖端在工具坐标系Z方向上上下平移时激光线没有明显偏移偏离标定板边沿为止；
步骤7，从机器人示教器中读取到当前焊枪尖端在工具坐标系下的点姿态[x，y，z]，[q1，q2，q3，q4]，记为S点位姿；经过步骤4～6调整后，此时光平面与标定板上表面相互垂直；
步骤8，确定Z方向偏移量：焊枪尖端在保持S点姿态的前提下进行平移运动，将焊枪尖端沿着工件坐标系Z轴方向竖直向下平移，直至焊枪尖端刚好触碰到标定板上表面，此时，焊枪尖端在工件坐标系Z方向的坐标为0，此时从相机软件读取到相机与标定板z方向的距离，记为Oz，Oz为Z方向偏移量；其中，Oz＝(Ptool3).z-(Ptool1).z；Ptool3为相机中心点在工件坐标系wobj1下的位置，Ptool1为焊枪尖端在工件坐标系wobj1下的位置；Ptool3的z值可以在相机软件中读取，Ptool1在工件坐标z＝0的平面上，所以z值为0；
步骤9，确定Y方向偏移量：焊枪尖端在保持S点姿态的前提下进行平移运动，将焊枪尖端平移到标定板上表面约1-3mm高度，沿着工件坐标系Y轴负方向移动，直到焊枪尖端处于标定板长边正上方(此时焊枪尖端在工件坐标系Y方向的坐标为0)，记录当前焊枪尖端的坐标[x1，y1，z1]，继续将焊枪尖端沿着工件坐标系Y轴负方向移动，直到激光线与标定板上表面的长边重合，记录当前焊枪尖端的坐标[x2，y2，z2]，Y方向偏移量Oy＝y2-y1；
步骤10，确定X方向偏移量：焊枪尖端在保持S点姿态的前提下进行平移运动，将焊枪尖端平移到标定板上表面约1-3mm高度，使激光线回到标定板上，此时再将焊枪尖端沿着工件坐标系X轴正方向移动，直到焊枪尖端处于标定板上表面短边边沿正上方(此时焊枪尖端在工件坐标系X方向的坐标为0)，此时激光线位于标定板短边范围内，记录当前焊枪尖端的坐标[x3，y3，z3]，控制焊枪尖端继续沿工件坐标系X正方向平移，直到相机软件中显示标定板上表面短边边沿处于x＝0的位置，记录当前焊枪尖端的坐标[x4，y4，z4]，X方向偏移量Ox＝x4-x3；
步骤11，求解相机工具坐标tool3：
求解相机工具坐标，即求解
Figure GDA0003366847000000051
根据齐次变换原理可以得到：
Figure GDA0003366847000000052
Figure GDA0003366847000000053
图2为机器人空间尺寸链，当机器人焊枪尖端移动到Point点时，
Figure GDA0003366847000000054
为4x4的单位矩阵；
式(2)带入式(1)得到：
Figure GDA0003366847000000055
根据上述步骤1～10对准后，当焊枪尖端位于工件坐标的(0，0，0)，(q1，q2，q3，q4)位姿，此时相机姿态为(Ox，Oy，Oz)，(0，0，1，0)即：
Figure GDA0003366847000000061
为(0，0，0)，(q1，q2，q3，q4)对应的齐次变换矩阵；
Figure GDA0003366847000000062
为(Ox，Oy，Oz)，(0，0，1，0)对应的齐次变换矩阵；
Figure GDA0003366847000000063
为焊枪工具坐标对应的齐次变换矩阵，该值是由6点法标定得到；
由(3)求解得到相机工具坐标
Figure GDA0003366847000000064
根据上述步骤获取的机器人tool1TCP为(77.3268，-0.135374，483.334)，(0.689224，-0.216699，0.233134，-0.650892)，相机相对与tool1的变换位姿为(-132.2，-20，169.8)，(0.000639378，-0.034618，-0.9983，-0.0468908)，经计算得到相机TCP(工具中心点位置坐标-位姿)为(-30.650，-131.129，349.579)，(0.67583，-0.19250，0.19427，-0.68444)，将相机坐标输入机器人增材软件进行增材过程并执行测量，经过验证测量数据误差小于0.5mm，满足电弧增材需求。
本发明的手眼标定方法，需要提前准备好下列条件：
准备好ABB弧焊机器人工作站，使用机器人内置TCP 6点法定义焊枪头坐标tool1。
准备好一块长方体金属标定板，其尺寸为200*100mm。
将标定板水平放置到工作台上，定义一个工具坐标系wobj1，使用标定板上表面左下角顶点为工具坐标系wobj1原点，长方形上表面长边为工具坐标系X轴方向，长方形上表面短边为Y轴方向。
本发明手眼标定方法测量步骤简单，标定得到的两者位姿关系能够满足电弧增材的测量需求。

Claims (3)

1.一种应用于电弧增材的激光相机手眼标定方法，其特征在于，上述方法包括焊接机器人，焊接机器人前端设有焊枪以及与焊枪固定连接的激光相机，焊枪下方设有工作台，工作台上放置有长方体标定板；上述方法具体包括如下步骤：
步骤1，打开相机控制端，将相机控制端与激光相机连接；激光相机发出的激光线投影在工作台上，激光相机发出的激光线沿激光相机坐标的X轴方向延伸，沿激光相机坐标的Z轴方向射出；
步骤2，定义一个工件坐标系wobj1，使用标定板上表面左下角顶点为工件坐标系原点，上表面长边为工件坐标系的X轴方向，上表面短边为工件坐标系的Y轴方向；
步骤3，使用机器人内置的6点法定义当前焊枪尖端工具坐标tool1，该工具坐标tool1对应的齐次变换矩阵记做
Figure FDA0003366846990000011
步骤4，对准Rz方向：使用机器人示教器，移动焊枪尖端到标定板上方约50mm处，将焊枪尖端沿工具坐标系Z轴方向旋转，使激光线与标定板上表面长边重合；
步骤5，对准Ry方向：此时在相机软件中读取到光平面与标定板上表面的交线，将焊枪尖端沿工具坐标系Y轴方向旋转，使交线呈水平状态，交线与工件坐标系X轴方向平行；
步骤6，对准Rx方向：设置机器人为基于工件坐标系wobj1的平移运动，将焊枪尖端沿着工具坐标系Z轴方向上移100mm，此时激光线偏离标定板，沿工具坐标系X轴方向旋转焊枪头，使激光线再次与标定板上表面的长边重合；重复将焊枪尖端在工具坐标系Z方向上上下平移，观察激光线是否偏离标定板边沿，如有偏移，需要沿工具坐标系X轴方向继续旋转焊枪头，直到将焊枪尖端在工具坐标系Z方向上上下平移时激光线没有偏移偏离标定板的对应边沿为止；
步骤7，从机器人示教器中读取到当前焊枪尖端在工具坐标系下的点姿态[x,y,z]，[q1,q2,q3,q4]，记为S点位姿；经过步骤4～6调整后，此时光平面与标定板上表面相互垂直；
步骤8，确定Z方向偏移量：焊枪尖端在保持S点姿态的前提下进行平移运动，将焊枪尖端沿着工件坐标系Z轴方向竖直向下平移，直至焊枪尖端刚好触碰到标定板上表面，此时，焊枪尖端在工件坐标系Z方向的坐标为0，此时从相机软件读取到相机与标定板z方向的距离，记为Oz，Oz为Z方向偏移量；其中，Oz＝(Ptool3).z-(Ptool1).z；Ptool3为相机中心点在工件坐标系wobj1下的位置，Ptool1为焊枪尖端在工件坐标系wobj1下的位置；Ptool3的z值可以在相机软件中读取，Ptool1在工件坐标z＝0的平面上，所以z值为0；
步骤9，确定Y方向偏移量：焊枪尖端在保持S点姿态的前提下进行平移运动，将焊枪尖端平移到标定板上表面约1-3mm高度，沿着工件坐标系Y轴负方向移动，直到焊枪尖端处于标定板长边正上方，此时焊枪尖端在工件坐标系Y方向的坐标为0，记录当前焊枪尖端的坐标[x1,y1,z1]，继续将焊枪尖端沿着工件坐标系Y轴负方向移动，直到激光线与标定板上表面长边重合，记录当前焊枪尖端的坐标[x2,y2,z2]，Y方向偏移量Oy＝y2-y1；
步骤10，确定X方向偏移量：焊枪尖端在保持S点姿态的前提下进行平移运动，将焊枪尖端平移到标定板上表面约1-3mm高度，使激光线回到标定板上，此时再将焊枪尖端沿着工件坐标系X轴正方向移动，直到焊枪尖端处于标定板上表面短边边沿正上方，此时焊枪尖端在工件坐标系X方向的坐标为0，此时激光线位于标定板短边范围内，记录当前焊枪尖端的坐标[x3,y3,z3]，控制焊枪尖端继续沿工件坐标系X正方向平移，直到相机软件中显示标定板上表面短边边沿处于x＝0的位置，记录当前焊枪尖端的坐标[x4,y4,z4]，X方向偏移量Ox＝x4-x3；
步骤11，求解相机工具坐标tool3：
求解相机工具坐标，即求解
Figure FDA0003366846990000021
根据齐次变换原理可以得到：
Figure FDA0003366846990000022
Figure FDA0003366846990000023
当机器人焊枪尖端移动到Point点时，
Figure FDA0003366846990000024
为4x4的单位矩阵；
式(2)带入式(1)得到:
Figure FDA0003366846990000025
根据上述步骤1～10对准后，当焊枪尖端位于工件坐标的(0,0,0),(q1,q2,q3,q4)位姿，此时相机姿态为(Ox,Oy,Oz),(0,0,1,0)即：
Figure FDA0003366846990000026
为(0,0,0),(q1,q2,q3,q4)对应的齐次变换矩阵；
Figure FDA0003366846990000027
为(Ox,Oy,Oz),(0,0,1,0)对应的齐次变换矩阵；
Figure FDA0003366846990000028
为焊枪工具坐标对应的齐次变换矩阵，该值是由6点法标定得到；
由(3)求解得到相机工具坐标
Figure FDA0003366846990000029
2.根据权利要求1所述的应用于电弧增材的激光相机手眼标定方法，其特征在于：使用机器人内置TCP 6点法定义的焊枪工具坐标tool1，
Figure FDA0003366846990000031
为焊枪工具坐标tool1的位姿对应的齐次变换矩阵。
3.根据权利要求1所述的应用于电弧增材的激光相机手眼标定方法，其特征在于：所述标定板为金属标准板，尺寸为200*100mm。
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