CN111612848B - 机器人弧焊轨迹自动生成方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种机器人弧焊轨迹自动生成方法，包括：步骤S1：对机器人视觉系统进行标定，根据透视投影模型建立相机图像与真实场景中被焊工件的空间坐标转换关系；步骤S2：使用解码算法根据条纹图像生成相位图；步骤S3：构建对象平面来进行获得交互矩阵；步骤S4：根据步骤S3中计算出来的图像特征公式来提取焊缝，根据焊缝曲线的三维坐标值进行等弧长度选取来生成机器人路径点信息，取路径点的三维坐标相对于被焊接曲面的法向量作为机器人的位姿信息，将获取的路径点位置、位姿信息导入到机器人编程语言中自动生成焊接轨迹。本发明还提供了一种机器人弧焊轨迹自动生成系统。

Description

机器人弧焊轨迹自动生成方法及系统
技术领域
本发明涉及一种机器人，尤其涉及一种基于条纹图像投影和视觉特征计算的机器人弧焊轨迹自动生成方法及系统。
背景技术
工业场合中经常需要在三维工件表面进行机器人带动焊枪沿焊缝进行焊接，以弧焊为例，由于焊枪在沿焊缝进行焊接的过程中，金属基材传热会导致焊缝产生轻微形变，造成实际焊接轨迹与规划轨迹之间存在位置偏差。
传统的工业机器人焊接路径规划过程通常需要进行人工示教，或者在离线编程软件中针对工件表面形貌进行分析，并根据焊缝形状规划工业机器人路径。离线编程方式需要获得产品表面形貌的三维几何模型，同时需要进行轨迹规划并进行虚拟-现实标定，该标定过程会产生标定误差。以离线编程环境下的焊接轨迹规划过程为例，由于几何模型和真实工件之间存在细微误差，虚拟环境中几何模型的摆放位置与真实工件在工作环境中的摆放位置也存在着标定意义上的误差。
在机器人焊接过程中，由于焊枪中心温度高，基材传热容易导致焊缝产生扭曲变形，从而使得在离线编程环境中规划好的机器人路径与真实焊缝之间产生位置偏差，进而影响焊接质量。同时由于离线编程环境中定位误差的存在，使得提取的焊缝曲线与实际焊缝曲线之间存在较大的位置误差，这进一步影响了弧焊作业的焊接效果。
发明内容
本发明提出了一种根据条纹图想投影和视觉特征计算相结合的焊接轨迹自动生成方法及系统。
一种机器人弧焊轨迹自动生成方法，包括：
步骤S1：对机器人视觉系统进行标定，根据透视投影模型建立相机图像与真实场景中被焊工件的空间坐标转换关系；
步骤S2：使用解码算法根据条纹图像生成相位图，其中条纹图像灰度值使用以下公式进行计算：其中，/>是投影坐标(x，y)的灰度值，σ’为平均密度，σ”是幅值，θh(x，y)为点(x，y)的频率值，N为常数，条纹图像点频率θh(x，y)由该点的图像坐标(uc，vc，λ)的灰度值来计算；
步骤S3：构建对象平面来进行获得交互矩阵，对象平面的构建公式如下：axc+byc+czc＝τ，其中(xc，yc，zc)是相机坐标系中的一个点，τ为一常数，a、b、c分别为平面常数项，Zc是一个常数，该常数使用以下公式进行计算：图像特征可使用以下公式计算：Si(x，y)＝τ-1t1γ，其中：Si(x，y)表示图像特征函数，t1表示旋转矩阵元素，γ表示Zc中的常数项；以及
步骤S4：根据步骤S3中计算出来的图像特征公式来提取焊缝，根据焊缝曲线的三维坐标值进行等弧长度选取来生成机器人路径点信息，取路径点的三维坐标相对于被焊接曲面的法向量作为机器人的位姿信息，将获取的路径点位置、位姿信息导入到机器人编程语言中自动生成焊接轨迹。
其中，所述步骤S1包括：
假定存在未知数k使得世界坐标系中的点(x，y，z)与像素坐标系中的点(u，v，λ)满足：像素坐标系下点与世界坐标系中点的对应关系如下式所示：采用旋转矩阵表示世界坐标系与像素坐标系中同一点的对应关系如下：/>其中，r11，r12，r13，r31，r32，r33为旋转矩阵中的行和列元素，t1，t2，t3是从相机到自由曲面的旋转矩阵元素。
本发明还提供了一种机器人弧焊轨迹自动生成系统，包括：空间坐标转换关系建立模块、相位图生成模块、图像特征生成模块、焊缝提取模块、路径点信息生成模块、位姿信息获取模块及焊接轨迹生成模块；所述空间坐标转换关系建立模块用于对机器人视觉系统进行标定，并根据透视投影模型建立相机图像与真实场景中被焊工件的空间坐标转换关系；所述相位图生成模块用于使用解码算法根据条纹图像生成相位图；所述图像特征生成模块用于计算得到图像特征；所述焊缝提取模块用于根据计算出来的图像特征公式来提取焊缝；所述路径点信息生成模块用于根据焊缝曲线的三维坐标值进行等弧长度选取来生成机器人路径点信息；所述位姿信息获取模块用于取路径点的三维坐标相对于被焊接曲面的法向量作为机器人的位姿信息；所述焊接轨迹生成模块用于将获取的路径点位置、位姿信息导入到机器人编程语言中自动生成焊接轨迹。
其中，所述相位图生成模块中，将相位图认为是与相机精度有关的多维矩阵，矩阵元素是相机拍摄条纹图像的灰度值，使用解码算法根据条纹图像来生成相位图，条纹图像灰度值使用以下公式进行计算：其中，是投影坐标(x，y)的灰度值，σ’为平均密度，σ”是幅值，θh(x，y)为点(x，y)的频率值，N为常数。条纹图像点频率θh(x，y)可由该点的图像坐标(uc，vc，λ)的灰度值来计算。
其中，所述图像特征生成模块中，构建对象平面来进行获得交互矩阵，对象平面的构建公式如下：axc+byc+czc＝τ，其中(xc，yc，zc)是相机坐标系中的某一个点，τ为一常数，a、b、c分别为平面常数项，Zc是一个常数，该常数使用以下公式进行计算：因此，图像特征可使用以下公式计算：Si(x，y)＝τ-1t1γ，其中：Si(x，y)表示图像特征函数，t1表示旋转矩阵元素，γ表示Zc中的常数项。
上述机器人弧焊轨迹自动生成方法及系统将基于条纹图像投影和视觉特征计算的立体视觉系统引入到机器人弧焊作业中，采用投射条纹图像的方法对焊缝进行精确测量，同时根据视觉标定结果将计算的视觉特征与实际的焊接位置建立起映射关系，从而实现焊缝曲线的精确提取和焊接轨迹的自动生成。
附图说明
图1为本发明一种机器人弧焊轨迹自动生成方法的较佳实施方式的流程图。
图2为本发明一种机器人弧焊轨迹自动生成系统的较佳实施方式的方框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换，均落入本发明保护范围。
请参考图1所示，为本发明所述的一种机器人弧焊轨迹自动生成方法的较佳实施方式的流程图。所述机器人弧焊轨迹自动生成方法的较佳实施方式包括以下步骤：
步骤S1：对机器人视觉系统进行标定，根据透视投影模型建立相机图像与真实场景中被焊工件的空间坐标转换关系。
首先假定存在未知数k使得世界坐标系中的某个点(x，y，z)与像素坐标系中的点(u，v，λ)满足：
像素坐标系下点与世界坐标系中点的对应关系如下式所示：
采用旋转矩阵表示世界坐标系与像素坐标系中同一点的对应关系如下：
其中，r11，r12，r13，r31，r32，r33为旋转矩阵中的行和列元素，t1，t2，t3是从相机到自由曲面的旋转矩阵元素。
步骤S2：将相位图认为是与相机精度有关的多维矩阵，矩阵元素是相机拍摄条纹图像的灰度值，使用解码算法根据条纹图像来生成相位图。条纹图像灰度值使用以下公式进行计算：
其中，是投影坐标(x，y)的灰度值，σ’为平均密度，σ”是幅值，θh(x，y)为点(x，y)的频率值，N为常数。条纹图像点频率θh(x，y)可由该点的图像坐标(uc，vc，λ)的灰度值来计算。
步骤S3：构建对象平面来进行获得交互矩阵，对象平面的构建公式如下：
axc+byc+czc＝τ
其中(xc，yc，zc)是相机坐标系中的某一个点，τ为一常数，a、b、c分别为平面常数项，通常在固定平面的情况下，认为Zc是一个常数，该常数使用以下公式进行计算：
因此，图像特征可使用以下公式计算：
Si(x，y)＝τ-1t1γ，其中：Si(x，y)表示图像特征函数，t1表示旋转矩阵元素，γ表示Zc中的常数项。
步骤S4：根据步骤S3中计算出来的图像特征公式来提取焊缝，根据焊缝曲线的三维坐标值进行等弧长度选取来生成机器人路径点信息，取路径点的三维坐标相对于被焊接曲面的法向量作为机器人的位姿信息。将获取的路径点位置、位姿信息导入到机器人编程语言中自动生成焊接轨迹。
请继续参考图2所示，为本发明所述的一种机器人弧焊轨迹自动生成系统的较佳实施方式的方框图。所述机器人弧焊轨迹自动生成系统的较佳实施方式包括空间坐标转换关系建立模块1、相位图生成模块2、图像特征生成模块3、焊缝提取模块4、路径点信息生成模块5、位姿信息获取模块6及焊接轨迹生成模块7。
其中，所述空间坐标转换关系建立模块1用于对机器人视觉系统进行标定，并根据透视投影模型建立相机图像与真实场景中被焊工件的空间坐标转换关系。
所述相位图生成模块2用于使用解码算法根据条纹图像生成相位图。本实施方式中，将相位图认为是与相机精度有关的多维矩阵，矩阵元素是相机拍摄条纹图像的灰度值，使用解码算法根据条纹图像来生成相位图。条纹图像灰度值使用以下公式进行计算：
其中，是投影坐标(x，y)的灰度值，σ’为平均密度，σ”是幅值，θh(x，y)为点(x，y)的频率值，N为常数。条纹图像点频率θh(x，y)可由该点的图像坐标(uc，vc，λ)的灰度值来计算。
所述图像特征生成模块3用于计算得到图像特征。本实施方式中，构建对象平面来进行获得交互矩阵，对象平面的构建公式如下：
axc+byc+czc＝τ
其中(xc，yc，zc)是相机坐标系中的某一个点，τ为一常数，a、b、c分别为平面常数项，通常在固定平面的情况下，认为Zc是一个常数，该常数使用以下公式进行计算：
因此，图像特征可使用以下公式计算：
Si(x，y)＝τ-1t1γ，其中：Si(x，y)表示图像特征函数，t1表示旋转矩阵元素，γ表示Zc中的常数项。
所述焊缝提取模块4用于根据计算出来的图像特征公式来提取焊缝。
所述路径点信息生成模块5用于根据焊缝曲线的三维坐标值进行等弧长度选取来生成机器人路径点信息。
所述位姿信息获取模块6用于取路径点的三维坐标相对于被焊接曲面的法向量作为机器人的位姿信息。
所述焊接轨迹生成模块7用于将获取的路径点位置、位姿信息导入到机器人编程语言中自动生成焊接轨迹。
上述机器人弧焊轨迹自动生成方法及系统将基于条纹图像投影和视觉特征计算的立体视觉系统引入到机器人弧焊作业中，采用投射条纹图像的方法对焊缝进行精确测量，同时根据视觉标定结果将计算的视觉特征与实际的焊接位置建立起映射关系，从而实现焊缝曲线的精确提取和焊接轨迹的自动生成。
以上所述仅为本发明的优选实施例，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的相关技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，其中所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种机器人弧焊轨迹自动生成方法，包括：
步骤S1：对机器人视觉系统进行标定，根据透视投影模型建立相机图像与真实场景中被焊工件的空间坐标转换关系；具体方法为：
假定存在未知数k使得世界坐标系中的点(x,y,z)与像素坐标系中的点(u,v,λ)满足：像素坐标系下点与世界坐标系中点的对应关系如下式所示：/>采用旋转矩阵表示世界坐标系与像素坐标系中同一点的对应关系如下：其中，r11，r12，r13，r31，r32，r33为旋转矩阵中的行和列元素，t1，t2，t3是从相机到自由曲面的旋转矩阵元素；
步骤S2：使用解码算法根据条纹图像生成相位图，其中条纹图像灰度值使用以下公式进行计算：其中，/>是投影坐标(x,y)的灰度值，σ’为平均密度，σ”是幅值，θh(x,y)为点(x,y)的频率值，N为常数，条纹图像点频率θh(x,y)由该点的图像坐标(uc，vc，λ)的灰度值来计算；
步骤S3：构建对象平面来进行获得交互矩阵，对象平面的构建公式如下：axc+byc+czc＝τ，其中(xc，yc，zc)是相机坐标系中的一个点，τ为一常数，a、b、c分别为平面常数项，zc是一个常数，该常数使用以下公式进行计算：图像特征可使用以下公式计算：Si(x,y)＝τ-1t1γ，其中：Si(x,y)表示图像特征函数，t1表示旋转矩阵元素，γ表示zc中的常数项；
步骤S4：根据步骤S3中计算出来的图像特征公式来提取焊缝，根据焊缝曲线的三维坐标值进行等弧长度选取来生成机器人路径点信息，取路径点的三维坐标相对于被焊接曲面的法向量作为机器人的位姿信息，将获取的路径点位置、位姿信息导入到机器人编程语言中自动生成焊接轨迹。
2.一种机器人弧焊轨迹自动生成系统，其特征在于：所述机器人弧焊轨迹自动生成系统包括：空间坐标转换关系建立模块、相位图生成模块、图像特征生成模块、焊缝提取模块、路径点信息生成模块、位姿信息获取模块及焊接轨迹生成模块；
所述空间坐标转换关系建立模块用于对机器人视觉系统进行标定，并根据透视投影模型建立相机图像与真实场景中被焊工件的空间坐标转换关系；所述空间坐标转换关系建立模块中，假定存在未知数k使得世界坐标系中的点(x,y,z)与像素坐标系中的点(u,v,λ)满足：像素坐标系下点与世界坐标系中点的对应关系如下式所示：/>采用旋转矩阵表示世界坐标系与像素坐标系中同一点的对应关系如下：其中，r11，r12，r13，r31，r32，r33为旋转矩阵中的行和列元素，t1，t2，t3是从相机到自由曲面的旋转矩阵元素；
所述相位图生成模块用于使用解码算法根据条纹图像生成相位图；所述相位图生成模块中，将相位图认为是与相机精度有关的多维矩阵，矩阵元素是相机拍摄条纹图像的灰度值，使用解码算法根据条纹图像来生成相位图，条纹图像灰度值使用以下公式进行计算：其中，/>是投影坐标(x,y)的灰度值，σ’为平均密度，σ”是幅值，θh(x,y)为点(x,y)的频率值，N为常数；条纹图像点频率θh(x,y)由该点的图像坐标(uc，vc，λ)的灰度值来计算；
所述图像特征生成模块用于计算得到图像特征；所述图像特征生成模块中，构建对象平面来进行获得交互矩阵，对象平面的构建公式如下：axc+byc+czc＝τ，其中(xc，yc，zc)是相机坐标系中的一个点，τ为一常数，a、b、c分别为平面常数项，zc是一个常数，该常数使用以下公式进行计算：因此，图像特征可使用以下公式计算：Si(x,y)＝τ-1t1γ，其中：Si(x,y)表示图像特征函数，t1表示旋转矩阵元素，γ表示zc中的常数项；
所述焊缝提取模块用于根据计算出来的图像特征公式来提取焊缝；所述路径点信息生成模块用于根据焊缝曲线的三维坐标值进行等弧长度选取来生成机器人路径点信息；所述位姿信息获取模块用于取路径点的三维坐标相对于被焊接曲面的法向量作为机器人的位姿信息；所述焊接轨迹生成模块用于将获取的路径点位置、位姿信息导入到机器人编程语言中自动生成焊接轨迹。
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