CN110355464A - 激光加工的视觉匹配方法、系统及介质 - Google Patents

激光加工的视觉匹配方法、系统及介质 Download PDF

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CN110355464A CN201910604376.6A CN201910604376A CN110355464A CN 110355464 A CN110355464 A CN 110355464A CN 201910604376 A CN201910604376 A CN 201910604376A CN 110355464 A CN110355464 A CN 110355464A
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/80—Analysis of captured images to determine intrinsic or extrinsic camera parameters, i.e. camera calibration

Abstract

本发明提供了一种激光加工的视觉匹配方法、系统及介质，包括：设备固定步骤：将标定板固定在工业机器人法兰盘上，相机固定放置在工业机器人外部空间的第一预设位置；坐标系构建步骤：构建工业机器人基坐标系Base、法兰盘坐标系Flange、标定板坐标系Tool以及相机坐标系Cam；矩阵获取步骤：建立四个坐标系间的封闭运动链方程，并获取标定板坐标系与法兰盘坐标系的齐次变换矩阵本发明克服现有技术的不足，提供一种操作简便、精度较高的基于视觉的匹配方法，为激光加工后续的高精度、高稳定性作业提供保障。

Description

激光加工的视觉匹配方法、系统及介质
技术领域
本发明涉及激光加工领域，具体地，涉及激光加工的视觉匹配方法、系统及介质。尤其地，涉及一种激光加工中固定光束与工业机器人空间关系的视觉匹配方法。
背景技术
激光喷丸强化工艺利用高能脉冲激光诱导等离子体在金属表面产生瞬态高幅值冲击压力，使材料发生高应变率塑性变形，进而引入比机械喷丸更深的残余压应力，改善金属材料的疲劳性能，尤其适用于对航空发动机关键零件的强化处理。与传统的机械喷丸工艺相比，其工艺实施区域及喷丸参数精确可控，引入的残余压应力深度更深，是实现复杂型面零部件表面强化，改善高低周疲劳性能的有效方法。
常规的激光加工中，大多采用工业机器人操作激光加工头，将激光束引导到指定工件位置。目前，激光喷丸强化设备主要形式为固定光路模式系统。系统工作过程中，脉冲激光在固定光路的引导下输出至工业机器人加工空间，工业机器人夹持工件执行加工运动。而激光喷丸强化工艺要求输出的脉冲激光与工件待加工表面时刻保持垂直，并要求工件与固定光束每一个接触加工点位的空间位置在固定光路中保持不变。基于示教的传统方法仅仅针对于平面简单形状的工件，而对于复杂型面采用示教的方法费时费力，难以满足激光喷丸工艺要求。由于复杂型面激光喷丸强化需要实现激光喷丸过程自动编程，因此在本系统中需要建立固定光束与工业机器人空间关系的匹配方法，即在工业机器人基坐标系下对固定光束的空间位置进行描述，为后续加工轨迹规划提供光路坐标系的信息参考。
然而，脉冲激光的固定光束没有固定的实体形状，不便于用常规的测量方式进行直接位置测量；同时固定光束经过传输光路模块的双光路系统中多个反射镜等光学元件传导至工业机器人运动空间，其具体传导方向也不能参考激光传感器等光学设备通过实际装配的位置关系进行计算获取。因此需要建立一个新的固定光束与运动机构间空间关系的标定方法，不仅可以满足本系统的工作需求，同时也可以应用在其他涉及固定光束与运动机构协同运作的系统，如激光切割等工艺过程。
通过检索发现，专利号为CN201610916643.X的中国发明专利《激光强化加工中测量激光加工点的装置及方法》初步实现了激光加工点空间位置的测量。但其只能通过肉眼判断的方式对固定光路中光束聚焦的点位判断，同时需要特制的高精度尖锥标定工具，并且不能精准确定固定光路的空间方向信息，进而无法确保加工过程中固定光束法向入射待加工点位，以及调节恰当的加工参数如光斑直径等。
针对上述现有技术的缺点，需要提供一种新的激光加工中固定光束与工业机器人空间关系的标定方法，其不依赖于复杂的特制标定器材，对标定现场的空间需求低，同时具有标定精度高，操作简便等优点。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
专利文献CN105921886B(申请号：201610525719.6)公开了一种高识别性能的激光加工机床，包括激光加工机床和与激光加工机床相连的目标识别装置，目标识别装置基于视觉特征对目标进行识别跟踪，包括依次连接的怀疑目标获取模块、颜色信息处理模块、轮廓信息处理模块、特征评估模块，其中颜色信息处理模块对所述原始桢图像进行从RGB颜色空间到HSV颜色空间的转换并构建所述怀疑目标在HSV颜色空间的色调颜色模型，轮廓信息处理模块用于对所述原始桢图像的实际轮廓进行特征区域与非特征区域的区域类型划分、对相邻的同类型区域进行合并，并选取不同参数的滤波器对合并后的特征区域与非特征区域分别进行平滑处理。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种激光加工的视觉匹配方法、系统及介质。
根据本发明提供的一种激光加工的视觉匹配方法，包括：
设备固定步骤：将标定板固定在工业机器人法兰盘上，相机固定放置在工业机器人外部空间的第一预设位置；
坐标系构建步骤：构建工业机器人基坐标系Base、法兰盘坐标系Flange、标定板坐标系Tool以及相机坐标系Cam；
矩阵获取步骤：建立四个坐标系间的封闭运动链方程，并获取标定板坐标系与法兰盘坐标系的齐次变换矩阵
坐标获取步骤：通过激光器输出可见指示光，使可见指示光与激光脉冲同轴，移动工业机器人使得标定板截取可见指示光光斑，并获得光斑中心在工业机器人基坐标系下的坐标表示PBase；
位置关系确定步骤：重复坐标获取步骤，获得固定光路中不同位置的光斑中心坐标，并以此拟合工业机器人基坐标系下的固定光束空间直线方程，确定固定光束与工业机器人的空间位置关系。
优选地，所述矩阵获取步骤：
运动链方程建立步骤：令标定板在相机视场的第二预设位置，建立四个坐标系间的封闭运动链方程：
其中，
为相机坐标系Cam与基坐标系Base的齐次变换矩阵；
为法兰坐标系Flange与基坐标系Base的齐次变换矩阵；
为标定板坐标系Tool与法兰坐标系Flange的齐次变换矩阵；
为相机坐标系Cam与标定板坐标系Tool的齐次变换矩阵；
通过工业机器人面板上读取操作面板的坐标信息进行求取；
是相机与标定板间的外参矩阵，通过相机标定操作获得，由于相机安装位置与工业机器人基座相对位置不变，以及标定板与法兰盘刚性连接，因此与均为未知常矩阵。
优选地，所述矩阵获取步骤还包括：
齐次变换矩阵获取步骤：控制工业机器人进行位姿变换，在相机合理视场中采集清晰的标定板图像，并记录工业机器人操作面板的坐标信息，通过机器人面板坐标获得变换前后机器人法兰坐标系Flange与基坐标系Base的齐次变换矩阵与获得变换前后相机坐标系Cam与标定板坐标系Tool的齐次变换矩阵与根据前后两次齐次变换关系建立如下方程组：
变换方程组，可以得到形如AX＝XB的方程：
控制工业机器人进行多次位姿变换，得到多个形如AX＝XB的超定方程，求解方程最优解X即为标定板坐标系与法兰盘坐标系的齐次变换矩阵
优选地，所述坐标获取步骤包括：
控制工业机器人，使得可见指示光投射至标定板表面，通过相机采集标定板图像，并通过图像处理提取可见指示光的光斑中心图像坐标(u，v)，同时记录工业机器人操作面板的坐标信息(X，Y，Z，A，B，C)；
将光斑中心的图像坐标(u，v)转换到标定板坐标系下的坐标表示PTool(xT，yT，zT)，当求取标定板平面上的坐标信息，zT＝0；
利用小孔成像原理及张正友标定法建立相机标定的几何模型，方程如下形式：
其中，
表示图像像素齐次坐标；
u0表示图像原点的u向坐标；
v0表示图像原点的v向坐标；
R表示标定板坐标系与相机坐标系之间的正交旋转矩阵；
T表示标定板坐标系与相机坐标系之间的平移矩阵；
0T表示零矩阵；
M1表示相机的内部参数矩阵；
M2表示相机的外部参数矩阵；
完成相机标定后，建立了图像坐标系的坐标转换到标定板坐标系中的XY平面二维坐标的转换公式；
将光斑中心坐标最终转换到工业机器人基坐标系下的表示PBase，通过坐标系间的齐次变换关系有：
PBase表示光斑中心在工业机器人基坐标系下的坐标。
优选地，所述位置关系确定步骤：
重复坐标获取步骤，获得固定光路中不同位置的光斑中心坐标PBase(1)、PBase(2)、PBase(3)…PBase(n)，再拟合工业机器人基坐标系下的固定光束空间直线方程确定固定光束与工业机器人的空间位置关系；
其中，x、y、z表示该直线上的点坐标位置，x0、y0、z0表示该直线上某一确定点的坐标位置，u、v、w表示该直线的单位切向量。
根据本发明提供的一种激光加工的视觉匹配系统，包括：
设备固定模块：将标定板固定在工业机器人法兰盘上，相机固定放置在工业机器人外部空间的第一预设位置；
坐标系构建模块：构建工业机器人基坐标系Base、法兰盘坐标系Flange、标定板坐标系Tool以及相机坐标系Cam；
矩阵获取模块：建立四个坐标系间的封闭运动链方程，并获取标定板坐标系与法兰盘坐标系的齐次变换矩阵
坐标获取模块：通过激光器输出可见指示光，使可见指示光与激光脉冲同轴，移动工业机器人使得标定板截取可见指示光光斑，并获得光斑中心在工业机器人基坐标系下的坐标表示PBase；
位置关系确定模块：重复调用坐标获取模块，获得固定光路中不同位置的光斑中心坐标，并以此拟合工业机器人基坐标系下的固定光束空间直线方程，确定固定光束与工业机器人的空间位置关系。
优选地，所述矩阵获取模块：
运动链方程建立模块：令标定板在相机视场的第二预设位置，建立四个坐标系间的封闭运动链方程：
其中，
为相机坐标系Cam与基坐标系Base的齐次变换矩阵；
为法兰坐标系Flange与基坐标系Base的齐次变换矩阵；
为标定板坐标系Tool与法兰坐标系Flange的齐次变换矩阵；
为相机坐标系Cam与标定板坐标系Tool的齐次变换矩阵；
通过工业机器人面板上读取操作面板的坐标信息进行求取；
是相机与标定板间的外参矩阵，通过相机标定操作获得，由于相机安装位置与工业机器人基座相对位置不变，以及标定板与法兰盘刚性连接，因此与均为未知常矩阵；
齐次变换矩阵获取模块：控制工业机器人进行位姿变换，在相机合理视场中采集清晰的标定板图像，并记录工业机器人操作面板的坐标信息，通过机器人面板坐标获得变换前后机器人法兰坐标系Flange与基坐标系Base的齐次变换矩阵与获得变换前后相机坐标系Cam与标定板坐标系Tool的齐次变换矩阵与根据前后两次齐次变换关系建立如下方程组：
变换方程组，可以得到形如AX＝XB的方程：
控制工业机器人进行多次位姿变换，得到多个形如AX＝XB的超定方程，求解方程最优解X即为标定板坐标系与法兰盘坐标系的齐次变换矩阵
优选地，其特征在于，所述坐标获取模块包括：
控制工业机器人，使得可见指示光投射至标定板表面，通过相机采集标定板图像，并通过图像处理提取可见指示光的光斑中心图像坐标(u，v)，同时记录工业机器人操作面板的坐标信息(X，Y，Z，A，B，C)；
将光斑中心的图像坐标(u，v)转换到标定板坐标系下的坐标表示PTool(xT，yT，zT)，当求取标定板平面上的坐标信息，zT＝0；
利用小孔成像原理及张正友标定法建立相机标定的几何模型，方程如下形式：
其中，
表示图像像素齐次坐标；
u0表示图像原点的u向坐标；
v0表示图像原点的v向坐标；
R表示标定板坐标系与相机坐标系之间的正交旋转矩阵；
T表示标定板坐标系与相机坐标系之间的平移矩阵；
0T表示零矩阵；
M1表示相机的内部参数矩阵；
M2表示相机的外部参数矩阵；
完成相机标定后，建立了图像坐标系的坐标转换到标定板坐标系中的XY平面二维坐标的转换公式；
将光斑中心坐标最终转换到工业机器人基坐标系下的表示PBase，通过坐标系间的齐次变换关系有：
PBase表示光斑中心在工业机器人基坐标系下的坐标。
优选地，所述位置关系确定模块：
重复坐标获取模块，获得固定光路中不同位置的光斑中心坐标PBase(1)、PBase(2)、PBase(3)…PBase(n)，n为正整数，再拟合工业机器人基坐标系下的固定光束空间直线方程确定固定光束与工业机器人的空间位置关系；
其中，x、y、z表示该直线上的点坐标位置，x0、y0、z0表示该直线上某一确定点的坐标位置，u、v、w表示该直线的单位切向量。
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述中任一项所述的激光加工的视觉匹配方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的激光加工中固定光束-工业机器人空间关系视觉匹配方法，操作简便，不依赖于复杂的测量器材，能够精确建立固定光束与工业机器人的空间位置关系，为后续激光加工过程中轨迹规划提供了精确的加工空间坐标及激光脉冲方向，提高了激光加工的加工精度及稳定性。该方面不仅适用于激光喷丸，还适用于其他固定光路下机器人操作工件的激光加工方法。
2、本发明匹配精度高：现有测量技术都存在依赖人为定性观察的因素，如粗略判断固定光束与工件是否垂直、光斑中心与特定加工点是否重合等，因此精度较低。本发明采用基于单目视觉的匹配方法，利用图像处理技术以及工业机器人控制系统提供的坐标信息，实现高精度的固定光束与工业机器人的空间相对位置关系获取。
3、本发明操作简便：本发明中采用的设备大部分为激光加工的固有设备，不依赖于复杂的测量器材，同时对测量的空间要求低，便于在各种场合下实施。
4、本发明克服了现有技术的不足，提供一种操作简便、精度较高的基于视觉的匹配方法，为激光加工后续的高精度、高稳定性作业提供保障。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明提供的含有工业机器人的激光加工系统示意图。
图2是本发明提供的视觉匹配方法的封闭运动链的建立示意图。
图3是本发明提供的视觉匹配方法的固定光束空间位置求取示意图。
图4是本发明提供的视觉匹配方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种激光加工的视觉匹配方法，包括：
设备固定步骤：将标定板固定在工业机器人法兰盘上，相机固定放置在工业机器人外部空间的第一预设位置；
坐标系构建步骤：构建工业机器人基坐标系Base、法兰盘坐标系Flange、标定板坐标系Tool以及相机坐标系Cam；
矩阵获取步骤：建立四个坐标系间的封闭运动链方程，并获取标定板坐标系与法兰盘坐标系的齐次变换矩阵
坐标获取步骤：通过激光器输出可见指示光，使可见指示光与激光脉冲同轴，移动工业机器人使得标定板截取可见指示光光斑，并获得光斑中心在工业机器人基坐标系下的坐标表示PBase；
位置关系确定步骤：重复坐标获取步骤，获得固定光路中不同位置的光斑中心坐标，并以此拟合工业机器人基坐标系下的固定光束空间直线方程，确定固定光束与工业机器人的空间位置关系。
具体地，所述矩阵获取步骤：
运动链方程建立步骤：令标定板在相机视场的第二预设位置，建立四个坐标系间的封闭运动链方程：
其中，
为相机坐标系Cam与基坐标系Base的齐次变换矩阵；
为法兰坐标系Flange与基坐标系Base的齐次变换矩阵；
为标定板坐标系Tool与法兰坐标系Flange的齐次变换矩阵；
为相机坐标系Cam与标定板坐标系Tool的齐次变换矩阵；
通过工业机器人面板上读取操作面板的坐标信息进行求取；
是相机与标定板间的外参矩阵，通过相机标定操作获得，由于相机安装位置与工业机器人基座相对位置不变，以及标定板与法兰盘刚性连接，因此与均为未知常矩阵。
具体地，所述矩阵获取步骤还包括：
齐次变换矩阵获取步骤：控制工业机器人进行位姿变换，在相机合理视场中采集清晰的标定板图像，并记录工业机器人操作面板的坐标信息，通过机器人面板坐标获得变换前后机器人法兰坐标系Flange与基坐标系Base的齐次变换矩阵与获得变换前后相机坐标系Cam与标定板坐标系Tool的齐次变换矩阵与根据前后两次齐次变换关系建立如下方程组：
变换方程组，可以得到形如AX＝XB的方程：
控制工业机器人进行多次位姿变换，得到多个形如AX＝XB的超定方程，求解方程最优解X即为标定板坐标系与法兰盘坐标系的齐次变换矩阵
具体地，所述坐标获取步骤包括：
控制工业机器人，使得可见指示光投射至标定板表面，通过相机采集标定板图像，并通过图像处理提取可见指示光的光斑中心图像坐标(u，v)，同时记录工业机器人操作面板的坐标信息(X，Y，Z，A，B，C)；
将光斑中心的图像坐标(u，v)转换到标定板坐标系下的坐标表示PTool(xT，yT，zT)，当求取标定板平面上的坐标信息，zT＝0；
利用小孔成像原理及张正友标定法建立相机标定的几何模型，方程如下形式：
其中，
表示图像像素齐次坐标；
u0表示图像原点的u向坐标；
v0表示图像原点的v向坐标；
R表示标定板坐标系与相机坐标系之间的正交旋转矩阵；
T表示标定板坐标系与相机坐标系之间的平移矩阵；
0T表示零矩阵；
M1表示相机的内部参数矩阵；
M2表示相机的外部参数矩阵；
完成相机标定后，建立了图像坐标系的坐标转换到标定板坐标系中的XY平面二维坐标的转换公式；
将光斑中心坐标最终转换到工业机器人基坐标系下的表示PBase，通过坐标系间的齐次变换关系有：
PBase表示光斑中心在工业机器人基坐标系下的坐标。
具体地，所述位置关系确定步骤：
重复坐标获取步骤，获得固定光路中不同位置的光斑中心坐标PBase(1)、PBase(2)、PBase(3)…PBase(n)，再拟合工业机器人基坐标系下的固定光束空间直线方程确定固定光束与工业机器人的空间位置关系；
其中，x、y、z表示该直线上的点坐标位置，x0、y0、z0表示该直线上某一确定点的坐标位置，u、v、w表示该直线的单位切向量。
本发明提供的激光加工的视觉匹配系统，可以通过本发明给的激光加工的视觉匹配方法的步骤流程实现。本领域技术人员可以将所述激光加工的视觉匹配方法，理解为所述激光加工的视觉匹配系统的一个优选例。
根据本发明提供的一种激光加工的视觉匹配系统，包括：
设备固定模块：将标定板固定在工业机器人法兰盘上，相机固定放置在工业机器人外部空间的第一预设位置；
坐标系构建模块：构建工业机器人基坐标系Base、法兰盘坐标系Flange、标定板坐标系Tool以及相机坐标系Cam；
矩阵获取模块：建立四个坐标系间的封闭运动链方程，并获取标定板坐标系与法兰盘坐标系的齐次变换矩阵
坐标获取模块：通过激光器输出可见指示光，使可见指示光与激光脉冲同轴，移动工业机器人使得标定板截取可见指示光光斑，并获得光斑中心在工业机器人基坐标系下的坐标表示PBase；
位置关系确定模块：重复调用坐标获取模块，获得固定光路中不同位置的光斑中心坐标，并以此拟合工业机器人基坐标系下的固定光束空间直线方程，确定固定光束与工业机器人的空间位置关系。
具体地，所述矩阵获取模块：
运动链方程建立模块：令标定板在相机视场的第二预设位置，建立四个坐标系间的封闭运动链方程：
其中，
为相机坐标系Cam与基坐标系Base的齐次变换矩阵；
为法兰坐标系Flange与基坐标系Base的齐次变换矩阵；
为标定板坐标系Tool与法兰坐标系Flange的齐次变换矩阵；
为相机坐标系Cam与标定板坐标系Tool的齐次变换矩阵；
通过工业机器人面板上读取操作面板的坐标信息进行求取；
是相机与标定板间的外参矩阵，通过相机标定操作获得，由于相机安装位置与工业机器人基座相对位置不变，以及标定板与法兰盘刚性连接，因此与均为未知常矩阵；
齐次变换矩阵获取模块：控制工业机器人进行位姿变换，在相机合理视场中采集清晰的标定板图像，并记录工业机器人操作面板的坐标信息，通过机器人面板坐标获得变换前后机器人法兰坐标系Flange与基坐标系Base的齐次变换矩阵与获得变换前后相机坐标系Cam与标定板坐标系Tool的齐次变换矩阵与根据前后两次齐次变换关系建立如下方程组：
变换方程组，可以得到形如AX＝XB的方程：
控制工业机器人进行多次位姿变换，得到多个形如AX＝XB的超定方程，求解方程最优解X即为标定板坐标系与法兰盘坐标系的齐次变换矩阵
具体地，其特征在于，所述坐标获取模块包括：
控制工业机器人，使得可见指示光投射至标定板表面，通过相机采集标定板图像，并通过图像处理提取可见指示光的光斑中心图像坐标(u，v)，同时记录工业机器人操作面板的坐标信息(X，Y，Z，A，B，C)；
将光斑中心的图像坐标(u，v)转换到标定板坐标系下的坐标表示PTool(xT，yT，zT)，当求取标定板平面上的坐标信息，zT＝0；
利用小孔成像原理及张正友标定法建立相机标定的几何模型，方程如下形式：
其中，
表示图像像素齐次坐标；
u0表示图像原点的u向坐标；
v0表示图像原点的v向坐标；
R表示标定板坐标系与相机坐标系之间的正交旋转矩阵；
T表示标定板坐标系与相机坐标系之间的平移矩阵；
0T表示零矩阵；
M1表示相机的内部参数矩阵；
M2表示相机的外部参数矩阵；
完成相机标定后，建立了图像坐标系的坐标转换到标定板坐标系中的XY平面二维坐标的转换公式；
将光斑中心坐标最终转换到工业机器人基坐标系下的表示PBase，通过坐标系间的齐次变换关系有：
PBase表示光斑中心在工业机器人基坐标系下的坐标。
具体地，所述位置关系确定模块：
重复坐标获取模块，获得固定光路中不同位置的光斑中心坐标PBase(1)、PBase(2)、PBase(3)…PBase(n)，n为正整数，再拟合工业机器人基坐标系下的固定光束空间直线方程确定固定光束与工业机器人的空间位置关系；
其中，x、y、z表示该直线上的点坐标位置，x0、y0、z0表示该直线上某一确定点的坐标位置，u、v、w表示该直线的单位切向量。
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述中任一项所述的激光加工的视觉匹配方法的步骤。
下面通过优选例，对本发明进行更为具体地说明。
优选例1：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，主要解决现有技术中测量激光加工中固定光束与工业机器人空间位置关系的技术问题，提供一种操作简便、精度较高的基于视觉的匹配方法。
本发明通过以下技术方案实现的：
激光加工中固定光束-工业机器人空间关系视觉匹配方法，包括以下步骤：
步骤1、将标定板固定在工业机器人法兰盘上，相机固定放置在工业机器人外部空间合适位置；
步骤2、构建工业机器人基坐标系Base、法兰盘坐标系Flange、标定板坐标系Tool以及相机坐标系Cam；
步骤3、建立四个坐标系间的封闭运动链方程，并获取标定板坐标系与法兰盘坐标系的齐次变换矩阵
步骤4、通过激光器输出可见指示光，满足可见指示光与激光脉冲同轴；移动工业机器人使得标定板截取可见指示光光斑，并获得光斑中心在工业机器人基坐标系下的坐标表示PBase。
步骤5、重复步骤4，获得固定光路中不同位置的光斑中心坐标PBase(1)、PBase(2)、PBase(3)…，并以此拟合工业机器人基坐标系下的固定光束空间直线方程 即确定了固定光束与工业机器人的空间位置关系。
进一步地，所述步骤3具体包括：
步骤31、令标定板在相机视场的合适位置，建立四个坐标系间的封闭运动链方程：
其中，为相机坐标系Cam与基坐标系Base的齐次变换矩阵，为法兰坐标系Flange与基坐标系Base的齐次变换矩阵，为标定板坐标系Tool与法兰坐标系Flange的齐次变换矩阵，为相机坐标系Cam与标定板坐标系Tool的齐次变换矩阵。
可以通过工业机器人面板上读取操作面板的坐标信息进行求取；实际上是相机与标定板间的外参矩阵，可以通过相机标定操作获得。而由于相机安装位置与工业机器人基座相对位置不变，以及标定板与法兰盘刚性连接，因此与均为未知常矩阵。
步骤32、控制工业机器人进行位姿变换，在相机合理视场中采集清晰的标定板图像，并记录工业机器人操作面板的坐标信息。通过机器人面板坐标获得变换前后机器人法兰坐标系Flange与基坐标系Base的齐次变换矩阵与通过相机标定获得变换前后相机坐标系Cam与标定板坐标系Tool的齐次变换矩阵与根据前后两次齐次变换关系建立如下方程组：
变换方程组，可以得到形如AX＝XB的方程：
控制工业机器人进行多次位姿变换，可以得到多个形如AX＝XB的超定方程，求解方程最优解X即为
进一步地，所述步骤4具体包括：
步骤41、控制工业机器人，使得可见指示光投射至标定板表面，通过相机采集标定板图像，并通过图像处理提取可见指示光的光斑中心图像坐标(u，v)，同时记录工业机器人操作面板的坐标信息(X，Y，Z，A，B，C)。
步骤42、将光斑中心的图像坐标(u，v)转换到标定板坐标系下的坐标表示PTool(xT，yT，zT)。特别的，当求取标定板平面上的坐标信息，有zT＝0。
利用小孔成像原理及张正友标定法建立相机标定的几何模型，方程如下形式：
其中M1称为相机的内部参数矩阵，M2称为相机的外部参数矩阵。因此完成相机标定后，建立了图像坐标系的坐标转换到标定板坐标系中的XY平面二维坐标的转换公式。
步骤43、将光斑中心坐标最终转换到工业机器人基坐标系下的表示PBase，通过坐标系间的齐次变换关系有：
在上述步骤中，所述相机与所述工业机器人基座的相对位置保持不变。
在上述步骤中，所述标定板与所述工业机器人法兰盘保持固定。
优选例2：
激光加工中固定光束-工业机器人空间关系视觉匹配方法，包括以下步骤：
步骤1、将标定板固定在工业机器人法兰盘上，相机固定放置在工业机器人外部空间合适位置；如，所述标定板为精度为0.02mm的9×12黑白相间棋盘格，所述机器人为库卡机器人公司的KR210 R2700 extra型号工业机器人，所述相机分辨率为3264×2448，视场高度约为800mm。
步骤2、构建工业机器人基坐标系Base、法兰盘坐标系Flange、标定板坐标系Tool以及相机坐标系Cam；
步骤3、建立四个坐标系间的封闭运动链方程，并获取标定板坐标系与法兰盘坐标系的齐次变换矩阵如图2；
步骤4、通过激光器输出可见指示光，满足可见指示光与激光脉冲同轴；移动工业机器人使得标定板截取可见指示光光斑，并获得光斑中心在工业机器人基坐标系下的坐标表示PBase。
步骤5、重复步骤4，如图3，获得固定光路中不同位置的光斑中心坐标PBase(1)、PBase(2)、PBase(3)…，并以此拟合工业机器人基坐标系下的固定光束空间直线方程即确定了固定光束与工业机器人的空间位置关系。
进一步地，所述步骤3具体包括：
步骤31、令标定板在相机视场的合适位置，建立四个坐标系间的封闭运动链方程：
其中，为相机坐标系Cam与基坐标系Base的齐次变换矩阵，为法兰坐标系Flange与基坐标系Base的齐次变换矩阵，为标定板坐标系Tool与法兰坐标系Flange的齐次变换矩阵，为相机坐标系Cam与标定板坐标系Tool的齐次变换矩阵。
可以通过工业机器人面板上读取操作面板的坐标信息进行求取；实际上是相机与标定板间的外参矩阵，可以通过相机标定操作获得。而由于相机安装位置与工业机器人基座相对位置不变，以及标定板与法兰盘刚性连接，因此与均为未知常矩阵。
步骤32、控制工业机器人进行位姿变换，在相机合理视场中采集多个清晰的不重复姿态的标定板图像，并记录工业机器人操作面板的坐标信息。通过机器人面板坐标获得变换前后机器人法兰坐标系Flange与基坐标系Base的齐次变换矩阵与通过相机标定获得变换前后相机坐标系Cam与标定板坐标系Tool的齐次变换矩阵与根据前后两次齐次变换关系建立如下方程组：
变换方程组，可以得到形如AX＝XB的方程：
控制工业机器人共进行26次位姿变换，可以得到25个形如AX＝XB的超定方程，求解方程最优解X即为
进一步地，所述步骤4具体包括：
步骤41、控制工业机器人，使得可见指示光投射至标定板表面，通过相机采集标定板图像，并通过图像处理提取可见指示光的光斑中心图像坐标(u，v)，同时记录工业机器人操作面板的坐标信息(X，Y，Z，A，B，C)。
步骤42、将光斑中心的图像坐标(u，v)转换到标定板坐标系下的坐标表示PTool(xT，yT，zT)。特别的，当求取标定板平面上的坐标信息，有zT＝0。
利用小孔成像原理及张正友标定法建立相机标定的几何模型，方程如下形式：
其中M1称为相机的内部参数矩阵，M2称为相机的外部参数矩阵。因此完成相机标定后，建立了图像坐标系的坐标转换到标定板坐标系中的XY平面二维坐标的转换公式。
步骤43、将光斑中心坐标最终转换到工业机器人基坐标系下的表示PBase，通过坐标系间的齐次变换关系有：
得到固定光束在工业机器人基坐标系下的直线方程表示后，可以通过计算使工业机器人进行位姿变换，满足末端标定板与固定光束方向垂直。沿工业机器人TCP的X轴、Y轴方向移动机器人，使得标定板在相机视场中合适位置，并满足激光器绿色指示光光斑位于标定板中合适位置。再沿工业机器人TCP的Z轴方向移动工业机器人，每隔30mm左右距离拍摄一张带有光斑的标定板图片，共拍摄14张。即此时沿着标定板表面法向进行移动，若标定板与固定光束已经调整垂直，则指示光光斑中心在标定板上相对位置应该保持不变。
通过图像处理获取14张图片中光斑中心在标定板坐标系下的二维坐标。经过分析，14个光斑中心均分布在以其均值点为圆心，半径0.4mm的圆内，并且这14个坐标与均值点距离的均方差为0.2098mm。再考虑到这些点近似均匀地分布在固定光路中约390mm的直线区域，因此可认为本方法计算的固定光束方向与实际方向的误差在0.2°以内，具备非常高的精度。
另外，在确定固定光束的空间位置关系后，通过计算调整工业机器人使得标定板平面法向与固定光束平行，利用视觉采集标定板上的光斑图像，可以实现不同加工点位的光斑直径测量，实现激光加工过程中的光斑能量密度调节，进一步提高激光加工的稳定性、有效性。
本发明公开了新的激光加工中固定光束-工业机器人空间关系视觉匹配方法，用于求解固定光束在工业机器人基坐标系下的空间直线方程，同时实现工业机器人工具坐标系的建立。本发明避免了传统技术方案依赖于肉眼判断的误差，整个标定过程中不需要复杂特制的标定器材，基于视觉的方法建立固定光束的空间位置关系，为后续激光加工提供加工点位的空间位置以及固定光束的加工方向等信息，具有操作简单，精度高的特点。
以上对本发明的具体实施例进行示例性的描述。需要说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，本领域技术人员在本发明的权利要求范围内所作的任何修改、等同替换和改进，均落入本发明的保护范围。
优选例3：
激光加工中固定光束-工业机器人空间关系视觉匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将标定板固定在工业机器人法兰盘上，相机固定放置在工业机器人外部空间合适位置；
步骤2、构建工业机器人基坐标系Base、法兰盘坐标系Flange、标定板坐标系Tool以及相机坐标系Cam；
步骤3、建立四个坐标系间的封闭运动链方程，并获取标定板坐标系与法兰盘坐标系的齐次变换矩阵
步骤4、通过激光器输出可见指示光，满足可见指示光与激光脉冲同轴；移动工业机器人使得标定板截取可见指示光光斑，并获得光斑中心在工业机器人基坐标系下的坐标表示PBase。
步骤5、重复步骤4，获得固定光路中不同位置的光斑中心坐标PBase(1)、PBase(2)、PBase(3)…，并以此拟合工业机器人基坐标系下的固定光束空间直线方程 即确定了固定光束与工业机器人的空间位置关系。
这是一个空间直线的对称式方程，x、y、z表示该直线上的点坐标位置，x0、y0、z0表示该直线上某一确定点的坐标位置，u、v、w表示该直线的单位切向量
进一步地，所述步骤3具体包括：
步骤31、令标定板在相机视场的合适位置，建立四个坐标系间的封闭运动链方程：
其中，
为相机坐标系Cam与基坐标系Base的齐次变换矩阵，
为法兰坐标系Flange与基坐标系Base的齐次变换矩阵，
为标定板坐标系Tool与法兰坐标系Flange的齐次变换矩阵，
为相机坐标系Cam与标定板坐标系Tool的齐次变换矩阵。
可以通过工业机器人面板上读取操作面板的坐标信息进行求取；
实际上是相机与标定板间的外参矩阵，可以通过相机标定操作获得。而由于相机安装位置与工业机器人基座相对位置不变，以及标定板与法兰盘刚性连接，因此与均为未知常矩阵。
步骤32、控制工业机器人进行位姿变换，在相机合理视场中采集清晰的标定板图像，并记录工业机器人操作面板的坐标信息。通过机器人面板坐标获得变换前后机器人法兰坐标系Flange与基坐标系Base的齐次变换矩阵与
通过相机标定(1)和(2)的区别是，这两个齐次变换矩阵是前后并列关系，是变换一次机器人法兰位姿分别得到法兰相对于基坐标的关系，可以通过机器人面板读出数据。
获得变换前后相机坐标系Cam与标定板坐标系Tool的齐次变换矩阵与根据前后两次齐次变换关系建立如下方程组：
变换方程组，可以得到形如AX＝XB的方程：
控制工业机器人进行多次位姿变换，可以得到多个形如AX＝XB的超定方程，求解方程最优解X即为
进一步地，所述步骤4具体包括：
步骤41、控制工业机器人，使得可见指示光投射至标定板表面，通过相机采集标定板图像，并通过图像处理提取可见指示光的光斑中心图像坐标(u，v)，同时记录工业机器人操作面板的坐标信息(X，Y，Z，A，B，C)。
步骤42、将光斑中心的图像坐标(u，v)转换到标定板坐标系下的坐标表示PTool(xT，yT，zT)。特别的，当求取标定板平面上的坐标信息，有zT＝0。
利用小孔成像原理及张正友标定法建立相机标定的几何模型，方程如下形式：
其中，
表示图像像素齐次坐标
u0表示图像原点的u向坐标
v0表示图像原点的v向坐标
R表示标定板坐标系与相机坐标系之间的正交旋转矩阵
T表示标定板坐标系与相机坐标系之间的平移矩阵
0T表示零矩阵
M1称为相机的内部参数矩阵，M2称为相机的外部参数矩阵。因此完成相机标定后，建立了图像坐标系的坐标转换到标定板坐标系中的XY平面二维坐标的转换公式。
步骤43、将光斑中心坐标最终转换到工业机器人基坐标系下的表示PBase，通过坐标系间的齐次变换关系有：
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种激光加工的视觉匹配方法，其特征在于，包括：
设备固定步骤：将标定板固定在工业机器人法兰盘上，相机固定放置在工业机器人外部空间的第一预设位置；
坐标系构建步骤：构建工业机器人基坐标系Base、法兰盘坐标系Flange、标定板坐标系Tool以及相机坐标系Cam；
矩阵获取步骤：建立四个坐标系间的封闭运动链方程，并获取标定板坐标系与法兰盘坐标系的齐次变换矩阵
坐标获取步骤：通过激光器输出可见指示光，使可见指示光与激光脉冲同轴，移动工业机器人使得标定板截取可见指示光光斑，并获得光斑中心在工业机器人基坐标系下的坐标表示PBase；
位置关系确定步骤：重复坐标获取步骤，获得固定光路中不同位置的光斑中心坐标，并以此拟合工业机器人基坐标系下的固定光束空间直线方程，确定固定光束与工业机器人的空间位置关系。
2.根据权利要求1所述的激光加工的视觉匹配方法，其特征在于，所述矩阵获取步骤：
运动链方程建立步骤：令标定板在相机视场的第二预设位置，建立四个坐标系间的封闭运动链方程：
其中，
为相机坐标系Cam与基坐标系Base的齐次变换矩阵；
为法兰坐标系Flange与基坐标系Base的齐次变换矩阵；
为标定板坐标系Tool与法兰坐标系Flange的齐次变换矩阵；
为相机坐标系Cam与标定板坐标系Tool的齐次变换矩阵；
通过工业机器人面板上读取操作面板的坐标信息进行求取；
是相机与标定板间的外参矩阵，通过相机标定操作获得，由于相机安装位置与工业机器人基座相对位置不变，以及标定板与法兰盘刚性连接，因此与均为未知常矩阵。
3.根据权利要求2所述的激光加工的视觉匹配方法，其特征在于，所述矩阵获取步骤还包括：
齐次变换矩阵获取步骤：控制工业机器人进行位姿变换，在相机合理视场中采集清晰的标定板图像，并记录工业机器人操作面板的坐标信息，通过机器人面板坐标获得变换前后机器人法兰坐标系Flange与基坐标系Base的齐次变换矩阵与获得变换前后相机坐标系Cam与标定板坐标系Tool的齐次变换矩阵与根据前后两次齐次变换关系建立如下方程组：
变换方程组，可以得到形如AX＝XB的方程：
控制工业机器人进行多次位姿变换，得到多个形如AX＝XB的超定方程，求解方程最优解X即为标定板坐标系与法兰盘坐标系的齐次变换矩阵
4.根据权利要求3所述的激光加工的视觉匹配方法，其特征在于，所述坐标获取步骤包括：
控制工业机器人，使得可见指示光投射至标定板表面，通过相机采集标定板图像，并通过图像处理提取可见指示光的光斑中心图像坐标(u,v)，同时记录工业机器人操作面板的坐标信息(X,Y,Z,A,B,C)；
将光斑中心的图像坐标(u,v)转换到标定板坐标系下的坐标表示PTool(xT,yT,zT)，当求取标定板平面上的坐标信息，zT＝0；
利用小孔成像原理及张正友标定法建立相机标定的几何模型，方程如下形式：
其中，
表示图像像素齐次坐标；
u0表示图像原点的u向坐标；
v0表示图像原点的v向坐标；
R表示标定板坐标系与相机坐标系之间的正交旋转矩阵；
T表示标定板坐标系与相机坐标系之间的平移矩阵；
0T表示零矩阵；
M1表示相机的内部参数矩阵；
M2表示相机的外部参数矩阵；
完成相机标定后，建立了图像坐标系的坐标转换到标定板坐标系中的XY平面二维坐标的转换公式；
将光斑中心坐标最终转换到工业机器人基坐标系下的表示PBase，通过坐标系间的齐次变换关系有：
PBase表示光斑中心在工业机器人基坐标系下的坐标。
5.根据权利要求4所述的激光加工的视觉匹配方法，其特征在于，所述位置关系确定步骤：
重复坐标获取步骤，获得固定光路中不同位置的光斑中心坐标PBase(1)、PBase(2)、PBase(3)…PBase(n)，再拟合工业机器人基坐标系下的固定光束空间直线方程确定固定光束与工业机器人的空间位置关系；
其中，x、y、z表示该直线上的点坐标位置，x0、y0、z0表示该直线上某一确定点的坐标位置，u、v、w表示该直线的单位切向量。
6.一种激光加工的视觉匹配系统，其特征在于，包括：
设备固定模块：将标定板固定在工业机器人法兰盘上，相机固定放置在工业机器人外部空间的第一预设位置；
坐标系构建模块：构建工业机器人基坐标系Base、法兰盘坐标系Flange、标定板坐标系Tool以及相机坐标系Cam；
矩阵获取模块：建立四个坐标系间的封闭运动链方程，并获取标定板坐标系与法兰盘坐标系的齐次变换矩阵
坐标获取模块：通过激光器输出可见指示光，使可见指示光与激光脉冲同轴，移动工业机器人使得标定板截取可见指示光光斑，并获得光斑中心在工业机器人基坐标系下的坐标表示PBase；
位置关系确定模块：重复调用坐标获取模块，获得固定光路中不同位置的光斑中心坐标，并以此拟合工业机器人基坐标系下的固定光束空间直线方程，确定固定光束与工业机器人的空间位置关系。
7.根据权利要求6所述的激光加工的视觉匹配系统，其特征在于，所述矩阵获取模块：
运动链方程建立模块：令标定板在相机视场的第二预设位置，建立四个坐标系间的封闭运动链方程：
其中，
为相机坐标系Cam与基坐标系Base的齐次变换矩阵；
为法兰坐标系Flange与基坐标系Base的齐次变换矩阵；
为标定板坐标系Tool与法兰坐标系Flange的齐次变换矩阵；
为相机坐标系Cam与标定板坐标系Tool的齐次变换矩阵；
通过工业机器人面板上读取操作面板的坐标信息进行求取；
是相机与标定板间的外参矩阵，通过相机标定操作获得，由于相机安装位置与工业机器人基座相对位置不变，以及标定板与法兰盘刚性连接，因此与均为未知常矩阵；
齐次变换矩阵获取模块：控制工业机器人进行位姿变换，在相机合理视场中采集清晰的标定板图像，并记录工业机器人操作面板的坐标信息，通过机器人面板坐标获得变换前后机器人法兰坐标系Flange与基坐标系Base的齐次变换矩阵与获得变换前后相机坐标系Cam与标定板坐标系Tool的齐次变换矩阵与根据前后两次齐次变换关系建立如下方程组：
变换方程组，可以得到形如AX＝XB的方程：
控制工业机器人进行多次位姿变换，得到多个形如AX＝XB的超定方程，求解方程最优解X即为标定板坐标系与法兰盘坐标系的齐次变换矩阵
8.根据权利要求7所述的激光加工的视觉匹配系统，其特征在于，所述坐标获取模块包括：
控制工业机器人，使得可见指示光投射至标定板表面，通过相机采集标定板图像，并通过图像处理提取可见指示光的光斑中心图像坐标(u,v)，同时记录工业机器人操作面板的坐标信息(X,Y,Z,A,B,C)；
将光斑中心的图像坐标(u,v)转换到标定板坐标系下的坐标表示PTool(xT,yT,zT)，当求取标定板平面上的坐标信息，zT＝0；
利用小孔成像原理及张正友标定法建立相机标定的几何模型，方程如下形式：
其中，
表示图像像素齐次坐标；
u0表示图像原点的u向坐标；
v0表示图像原点的v向坐标；
R表示标定板坐标系与相机坐标系之间的正交旋转矩阵；
T表示标定板坐标系与相机坐标系之间的平移矩阵；
0T表示零矩阵；
M1表示相机的内部参数矩阵；
M2表示相机的外部参数矩阵；
完成相机标定后，建立了图像坐标系的坐标转换到标定板坐标系中的XY平面二维坐标的转换公式；
将光斑中心坐标最终转换到工业机器人基坐标系下的表示PBase，通过坐标系间的齐次变换关系有：
PBase表示光斑中心在工业机器人基坐标系下的坐标。
9.根据权利要求8所述的激光加工的视觉匹配系统，其特征在于，所述位置关系确定模块：
重复坐标获取模块，获得固定光路中不同位置的光斑中心坐标PBase(1)、PBase(2)、PBase(3)…PBase(n)，n为正整数，再拟合工业机器人基坐标系下的固定光束空间直线方程确定固定光束与工业机器人的空间位置关系；
其中，x、y、z表示该直线上的点坐标位置，x0、y0、z0表示该直线上某一确定点的坐标位置，u、v、w表示该直线的单位切向量。
10.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5中任一项所述的激光加工的视觉匹配方法的步骤。
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