CN110553600B - 一种用于工件检测的结构光传感器仿真激光线的生成方法 - Google Patents

一种用于工件检测的结构光传感器仿真激光线的生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于工件检测的结构光传感器仿真激光线的生成方法，包括如下步骤：1、将机器人、传感器、工件模型导入软件；2、根据工件的绝对位姿、机器人工具的绝对位姿等数据，重新布置步骤1中设备的位姿；3、在工件模型上拾取一条特征边和与该特征边相邻的两个特征表面；4、获取相机坐标系的光平面上一点和法向量在世界坐标系下的表示；5、创建激光平面αl；6、创造激光平面αl与特征边的交点、αl与第一特征面的交线、αl与第二特征面的交线；求出交线在交点处的参数以及对应的向量；7、获取传感器激光平面在工件上的仿真激光线。该方法能有效解决结构光传感器在镜面反射干扰下识别精度低的问题，提高了传感器的适用范围。

Description

一种用于工件检测的结构光传感器仿真激光线的生成方法
技术领域
本发明属于机器人与计算机图形学领域，具体涉及一种用于工件检测的结构光传感器仿真激光线的生成方法。
背景技术
目前随着智能制造的发展，工业应用中，非接触式的结构光视觉传感器应用越来越广泛，在曲面造型加工检测，工件质量检测，焊缝跟踪等领域，结构光视觉传感器已经得到了广泛的应用。采用线结构光方式的视觉传感器，满足激光三角法测量模型，是一种非接触、测量速度快、精度较高的测量方式。激光线照射到被测物体表面，形成光条纹，该光条纹受到被测物体表面几何形状的影响而出现不连续、畸变的现象，这种变化包含了被测物体表面的深度信息。通过对采集的激光条纹图像进行分析，提取出激光条纹的中心线，根据相机与激光器构成的几何模型，就能够计算出激光中线上的点的空间位置，从而获得被测物体表面的结构信息。
由于在工业环境下，存在噪声、光线等干扰，传感器检测到的到的光条纹不能准确反映真实的工件信息，影响后续处理。因此，需要在仿真环境中获得理想的工件表面激光线。
发明内容
本发明提出一种用于工件检测的结构光传感器仿真激光线的生成方法，其目的在于出现环境干扰的情况下，准确获取工件表面的激光线，提高结构光视觉传感器的精度和适用范围，本发明应用于工业机器人仿真系统。
本发明至少通过如下技术方案之一实现。
一种用于工件检测的结构光传感器仿真激光线的生成方法，包括如下步骤：
(1)将机器人、结构光传感器、工件模型导入到机器人仿真软件中，生成仿真环境；
(2)根据工件的绝对位姿
Figure GDA0002918273840000011
机器人工具中心点坐标系的绝对位姿
Figure GDA0002918273840000012
的数据，重新布置步骤(1)中设备的位姿；
(3)根据步骤(2)中布置好的设备位姿，在工件模型上拾取结构光传感器需要检测的一条特征边和与该特征边相邻的两个特征表面；
(4)根据相机相对于机器人工具中心点坐标系的手眼关系
Figure GDA0002918273840000013
位于结构光传感器中的结构光发射器生成的激光平面在相机坐标系下的方程和步骤(3)中的特征边和两个特征表面，得到在相机坐标系下的激光平面上一点和其法向量在世界坐标系下的表示；
(5)根据步骤(4)得到的点和法向量，创建激光平面αl；
(6)分别创建激光平面αl与特征边的交点Ple、αl与第一特征面的交线C1、αl与第二特征面的交线C2；求出曲线C1和C2在Ple处直线参数方程的参数d1和d2，参数的范围在0到1之间；通过参数d1和d2的预设增量d′1和d′2，都取0.5，求出曲线C1上从d1到d′1两点的向量V1和曲线C2上d2到d′2两点的向量V2，通过向量V1和V2，判断增量d′1和d′2的正负符号；判断增量d′1和d′2的正负符号；
(7)获取传感器激光平面在工件上的仿真激光线，将仿真激光线离散以文本格式保存为三维空间中的点。
进一步的，所述激光平面在相机坐标系下的方程为Ax+By+Cz+1＝0，其中，A、B、C表示相机坐标系下平面方程的系数。
进一步的，步骤(4)中，在相机坐标系下的激光平面上一点和其法向量在世界坐标系下的表示，具体如下：
设在相机坐标系下平面上的一点
Figure GDA0002918273840000021
法向量N(A,B,C)，由相机相对于机器人工具中心点坐标系的手眼关系
Figure GDA0002918273840000022
和机器人工具中心点坐标系的绝对位姿
Figure GDA0002918273840000023
得出相机坐标系相对于世界坐标系的位姿
Figure GDA0002918273840000024
Figure GDA0002918273840000025
式中：
Figure GDA0002918273840000026
表示相机坐标系在工具中心点坐标系下的齐次变换矩阵；
Figure GDA0002918273840000027
表示工具坐标系在世界坐标系下的齐次变换矩阵；
Figure GDA0002918273840000028
表示相机坐标系在世界坐标系下的齐次变换矩阵；
c、t、w分别表示相机坐标系、工具坐标系、世界坐标系；
为了便于计算，将点P0和法向量N表示为
Figure GDA0002918273840000029
和N′(A,B,C,0)，通过式(1)求出
Figure GDA00029182738400000210
应用齐次变换，即将相机坐标系下的激光平面上的点P0和法向量N变换到世界坐标系下的P″0和N″：
Figure GDA00029182738400000211
Figure GDA00029182738400000212
进一步的，步骤(5)的激光平面αl是利用开源三维建模引擎库OCCT(OpenCascadeTechnology)中的几何平面类(classGeom_Plane)创建，传入世界坐标系下的点P″0和点N″。
进一步的，步骤(6)的交线C1和交线C2分别利用曲线表面几何相交算法(classGeomAPI_IntCS)、表面和表面的几何相交算法(class GeomAPI_IntSS)，得到激光平面αl与特征边的交点Ple、αl与第一特征面的交线C1、αl与第二特征面的交线C2。
进一步的，步骤(6)的参数d1和d2是通过点到曲线的几何投影算法(classGeomAPI_ProjectPointOnCurve)得到。
进一步的，步骤(6)中通过向量V1和V2，判断增量d′1和d′2的正负符号，具体如下：
若V1与第一特征面的法向量N1的点积为负，即向量V1与向量N1的夹角为钝角，则d′1要取反；若V2与第二特征面的法向量N2的点积为负，即向量V2与向量N2两向量的夹角为钝角，则d′2要取反。
进一步的，步骤(7)中的仿真激光线，是由交线C1上的两个参数d1和d′1以及交线C2上的两个参数d2和d′2，利用拓扑边构造类(classBRepBuilderAPI_MakeEdge)得到；所述仿真激光线即为结构光传感器激光平面在工件上的仿真激光线，然后将此仿真激光线离散以文本格式保存为三维空间中的点，作为结构光传感器焊缝识别的参考。
进一步的，步骤(6)所述的直线参数方程的形式为：
Figure GDA0002918273840000031
x,y,z表示三维坐标值，d1、d2和t为直线参数方程的参数，M0(x0,y0,z0)是直线上一点，向量
Figure GDA0002918273840000032
是的一个方向向量。
本发明的有益效果为：
本发明利用仿真工具，搭建仿真环境，有效避免了实际环境中的干扰；
(1)、本发明中采用了真实机器人、传感器、工件的数据，使得仿真数据更加可靠；
(2)、本发明采用了三维建模引擎OCCT中的建模算法，适用于不同的工件模型；
(3)、本发明实现了工件检测仿真激光线的生成方法，本发明方法扩展了结构光传感器应用工作范围。
附图说明
图1为本实施例导入到软件中的机器人、结构光传感器、工件初始位姿三维模型示意图；
图2为本实施例布置好的机器人、传感器、工件位姿示意图；
图3为本实施例机器人、工具和工件坐标系和各个坐标系间的齐次变换矩阵示意图；
图4为本实施例激光线照射到工件上的示意图；
图5为本实施例生成的工件表面检测仿真激光线；
图6为本实施例一种用于工件检测的结构光传感器仿真激光线的生成方法的流程图。
具体实施方式
为了更加详细的说明本发明的实现方式，下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图6所示的一种用于工件检测的结构光传感器仿真激光线的生成方法，包括如下步骤：
(1)、将机器人、结构光传感器、工件三维模型导入到机器人仿真软件SCUT-RobotSim中，生成图1所示的仿真环境；
(2)、根据工件的绝对位姿
Figure GDA0002918273840000041
机器人工具中心点(TCP)坐标系的绝对位姿
Figure GDA0002918273840000042
等数据，重新布置步骤(1)中设备的位姿，布局结果如图2所示，其中，
Figure GDA0002918273840000043
Figure GDA0002918273840000044
(3)、根据步骤(2)中布置好的场景，在工件三维模型上拾取结构光传感器需要检测的一条特征边和与该特征边相邻的两个特征表面；
(4)、根据相机相对于机器人工具TCP坐标系的手眼关系
Figure GDA0002918273840000045
位于结构光传感器中的结构光发射器生成的激光平面在相机坐标系下的方程和步骤(2)中的数据，得到在相机坐标系下的激光平面上一点和其法向量在世界坐标系下的表示；所述激光在相机坐标系下的方程为Ax+By+Cz+1＝0；其中，A、B、C表示相机坐标系下平面方程的系数。本实例中A＝0.107029,B＝11.524,C＝-4.955158；
设在相机坐标系下平面上的一点
Figure GDA0002918273840000046
法向量N(A,B,C)，由相机相对于工具TCP的手眼关系
Figure GDA0002918273840000047
和机器人工具TCP坐标系的绝对位姿
Figure GDA0002918273840000048
得出相机相对于世界坐标系的位姿
Figure GDA0002918273840000049
Figure GDA00029182738400000410
式中：
Figure GDA00029182738400000411
表示相机坐标系在工具中心点坐标系下的齐次变换矩阵；
Figure GDA00029182738400000412
表示工具坐标系在世界坐标系下的齐次变换矩阵；
Figure GDA00029182738400000413
表示相机坐标系在世界坐标系下的齐次变换矩阵；c、t、w分别表示相机坐标系、工具坐标系、世界坐标系；
为了便于计算，将点P0和法向量N表示为
Figure GDA00029182738400000414
和N′(A,B,C,1)，通过齐次变换，得到此点和法向量在世界坐标系下的表示P″0和N″：
Figure GDA00029182738400000415
Figure GDA00029182738400000416
(5)、根据步骤(4)得到的点和法向量，利用开源三维建模引擎库OCCT中的几何平面类(classGeom_Plane)创建激光平面αl；
图3是机器人、结构光传感器、工件模型的示意图，此为结构光传感器检测工件焊缝时的机器人构型。图中标出了机器人第六轴坐标系、相机坐标系、工具坐标系、工件坐标系之间的相对位置关系。其中，FW为世界坐标系FW、F6为机器人第六轴坐标系、FC为相机坐标系、FT为工具坐标系、FO为工件坐标系，
Figure GDA0002918273840000051
为F6到FW的变换矩阵，
Figure GDA0002918273840000052
为FT到F6的变换矩阵，
Figure GDA0002918273840000053
为FC到FT的变换矩阵
Figure GDA0002918273840000054
为FO到FW的变换矩阵，通过这些矩阵关系，利用齐次变换理论，即可求出结构光传感器激光平面与工件的交线。
(6)、利用曲线表面几何相交算法(classGeomAPI_IntCS)、表面和表面的几何相交算法(classGeomAPI_IntSS)，得到激光平面αl与特征边E的交点Ple、αl与第一特征面α1即特征边E的左邻特征面的交线C1、αl与特征边E的右邻特征面即第二特征面α2的交线C2；利用点到曲线的几何投影算法(classGeomAPI_ProjectPointOnCurve)，求出C1和C2在Ple处的参数d1和d2，通过参数d1和d2的增量d′1和d′2，求出从d1到d′2的向量V1以及从d2到d′2的向量V2，其中，d′1＝0.5和d′2＝0.5；若V1与第一特征面α1的法向量N1的点积为负，即向量V1与向量N1的夹角为钝角，则d′1要取反，若V2与第二特征面α2的法向量N2的点积为负，即向量V2与向量N2的夹角为钝角，则d′2要取反。图4是激光线照射到工件上的示意图，图中标注了以上求解过程中用到的参数。
(7)、由曲线C1上的两个参数d1和d′1以及曲线C2上的两个参数d2和d′2，利用拓扑边构造类(classBRepBuilderAPI_MakeEdge)，即可提取到结构光传感器激光平面在工件上的仿真激光线，如图5所示，然后将此激光线离散以文本格式保存为三维空间中的点，作为结构光传感器焊缝识别程序与算法的参考。
以上的classGeom_Plane、class GeomAPI_IntCS、class GeomAPI_IntSS、classGeomAPI_ProjectPointOnCurve和class BRepBuilderAPI_MakeEdge等都是开源三维建模引擎OpenCascade中的库函数，可以直接调用。
上述实施例均为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于工件检测的结构光传感器仿真激光线的生成方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将机器人、结构光传感器、工件模型导入到机器人仿真软件中，生成仿真环境；
(2)根据工件的绝对位姿
Figure FDA0002918273830000011
机器人工具中心点坐标系的绝对位姿
Figure FDA0002918273830000012
的数据，重新布置步骤(1)中设备的位姿；
(3)根据步骤(2)中布置好的设备位姿，在工件模型上拾取结构光传感器需要检测的一条特征边和与该特征边相邻的两个特征表面；
(4)根据相机相对于机器人工具中心点坐标系的手眼关系
Figure FDA00029182738300000111
位于结构光传感器中的结构光发射器生成的激光平面在相机坐标系下的方程和步骤(3)中的特征边和两个特征表面，得到在相机坐标系下的激光平面上一点和其法向量在世界坐标系下的表示；
(5)根据步骤(4)得到的点和法向量，创建激光平面αl；
(6)分别创建激光平面αl与特征边的交点Ple、αl与第一特征面的交线C1、αl与第二特征面的交线C2；求出曲线C1和C2在Ple处直线参数方程的参数d1和d2，参数的范围在0到1之间；通过参数d1和d2的预设增量d′1和d′2，都取0.5，求出曲线C1上从d1到d′1两点的向量V1和曲线C2上d2到d′2两点的向量V2，通过向量V1和V2，判断增量d′1和d′2的正负符号；判断增量d′1和d′2的正负符号；
(7)获取传感器激光平面在工件上的仿真激光线，将仿真激光线离散以文本格式保存为三维空间中的点。
2.根据权利要求1所述一种用于工件检测的结构光传感器仿真激光线的生成方法，其特征在于：所述激光平面在相机坐标系下的方程为Ax+By+Cz+1＝0，其中，A、B、C表示相机坐标系下平面方程的系数。
3.根据权利要求2所述一种用于工件检测的结构光传感器仿真激光线的生成方法，其特征在于：步骤(4)中，在相机坐标系下的激光平面上一点和其法向量在世界坐标系下的表示，具体如下：
设在相机坐标系下平面上的一点
Figure FDA0002918273830000013
法向量N(A,B,C)，由相机相对于机器人工具中心点坐标系的手眼关系
Figure FDA0002918273830000014
和机器人工具中心点坐标系的绝对位姿
Figure FDA0002918273830000015
得出相机坐标系相对于世界坐标系的位姿
Figure FDA0002918273830000016
Figure FDA0002918273830000017
式中：
Figure FDA0002918273830000018
表示相机相对于机器人工具中心点坐标系的手眼关系；
Figure FDA0002918273830000019
表示机器人工具中心点(TCP)坐标系的绝对位姿；
Figure FDA00029182738300000110
表示相机坐标系在世界坐标系下的齐次变换矩阵；
c、t、w分别表示相机坐标系、工具坐标系、世界坐标系；
为了便于计算，将点P0和法向量N表示为
Figure FDA0002918273830000021
和N′(A,B,C,0)，通过式(1)求出
Figure FDA0002918273830000022
应用齐次变换，即将相机坐标系下的激光平面上的点P0和法向量N变换到世界坐标系下的P″0和N″：
Figure FDA0002918273830000023
Figure FDA0002918273830000024
4.根据权利要求3所述一种用于工件检测的结构光传感器仿真激光线的生成方法，其特征在于：步骤(5)的激光平面αl是利用开源三维建模引擎库OCCT中的几何平面类创建，传入世界坐标系下的点P″0和点N″。
5.根据权利要求4所述一种用于工件检测的结构光传感器仿真激光线的生成方法，其特征在于：步骤(6)的交线C1和交线C2分别利用曲线表面几何相交算法、表面和表面的几何相交算法，得到激光平面αl与特征边的交点Ple、αl与第一特征面的交线C1、αl与第二特征面的交线C2。
6.根据权利要求5所述一种用于工件检测的结构光传感器仿真激光线的生成方法，其特征在于：步骤(6)的参数d1和d2是通过点到曲线的几何投影算法得到。
7.根据权利要求6所述一种用于工件检测的结构光传感器仿真激光线的生成方法，其特征在于：步骤(6)中通过向量V1和V2，判断增量d′1和d′2的正负符号，具体如下：
若V1与第一特征面的法向量N1的点积为负，即向量V1与向量N1的夹角为钝角，则d′1要取反；若V2与第二特征面的法向量N2的点积为负，即向量V2与向量N2两向量的夹角为钝角，则d′2要取反。
8.根据权利要求7所述一种用于工件检测的结构光传感器仿真激光线的生成方法，其特征在于：步骤(7)中的仿真激光线，是由交线C1上的两个参数d1和d′1以及交线C2上的两个参数d2和d′2，利用拓扑边构造类得到；所述仿真激光线即为结构光传感器激光平面在工件上的仿真激光线。
9.根据权利要求8所述一种用于工件检测的结构光传感器仿真激光线的生成方法，其特征在于：步骤(6)所述的直线参数方程的形式为：
Figure FDA0002918273830000025
x,y,z表示三维坐标值，d1、d2和t为直线参数方程的参数，M0(x0,y0,z0)是直线上一点，向量
Figure FDA0002918273830000026
是的一个方向向量。
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