CN113334389B - 一种钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏系统，包括：基础数据获取模块，所述基础数据获取模块用于对钢管管端数据及旋转辊道的数据进行采集；虚拟圆心定位模块，所述虚拟圆心定位模块建立空间坐标模型，并根据基础数据获取模块采集的数据对钢管管端的虚拟圆心o进行定位；理论轨迹模块，所述理论轨迹模块根据钢管管端数据和虚拟圆心o的位置对钢管管端上各点的移动轨迹进行理论推导，得到各点的理论轨迹。本发明能够配合钢管行业应用的机器人系统，实现机器人自动规划管端扫描轨迹，减少了人为的干预及换道时间，不仅能有效提高该系统应用的机器人系统质量，更能达到提高劳动效率，降本增效的目的。

Description

一种钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏系统及方法

技术领域

本发明涉及管端机器人轨迹自适应技术领域，具体为一种钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏系统及方法。

背景技术

随着互联网的快速发展，机器人逐渐走进工厂，并逐渐占据越来越重要的地位，机器人不仅能够有效节省人力资源，还在精度上远超员工，使用机器人有效提升了工厂的生产效率，降低了生产成本，但是在现有的机器人在某些方面尚且存在不足之处，

例如钢管管端机器人，当钢管放置于旋转辊道、传输辊道或台架上时，管端位置随着钢管直径、椭圆度、倾斜弯曲程度的不同而随之变化，目前机器人寻找不同规格的管端位置均是采用人工辅助示教的方式，此方法存在较多缺点：

1、钢管的规格存在多变性，生产企业会随着客户的要求而增设任意规格的钢管，使得人工过多频率的干预；

2、过多人工干预存在较大的失误和安全风险；

3、未真正实现系统的自动化、无人化；

4、生产换道时，占用较大的调试时间。

针对上述情况，我们需要一种钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏系统及方法，能够配合钢管行业应用的机器人系统，实现机器人自动规划管端扫描轨迹，减少了人为的干预及换道时间，不仅能有效提高该系统应用的机器人系统质量，更能达到提高劳动效率，降本增效的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏系统，包括：

基础数据获取模块，所述基础数据获取模块用于对钢管管端数据及旋转辊道的数据进行采集；

虚拟圆心定位模块，所述虚拟圆心定位模块建立空间坐标模型，并根据基础数据获取模块采集的数据对钢管管端的虚拟圆心o进行定位；

理论轨迹模块，所述理论轨迹模块根据钢管管端数据和虚拟圆心o的位置对钢管管端上各点的移动轨迹进行理论推导，得到各点的理论轨迹；

轨迹纠偏模块，所述轨迹纠偏模块包括端面轮廓扫描模块、端面各点轨迹估测模块及偏差补偿模块，

所述端面轮廓扫描模块通过扫描传感器对端面轮廓进行扫描，获取轮廓中各点的相对位置关系；

所述端面各点轨迹估测模块通过钢管管端数据及端面轮廓扫描模块获取的轮廓中各点的相对位置关系对端面各点的轨迹进行估测；

所述偏差补偿模块通过端面各点轨迹估测模块得到的结果及理论轨迹模块中得到的各点的理论轨迹，获取钢管管端机器人在执行后续操作时钢管管端各点对应的偏差补偿值。

本发明通过各个模块的协同合作，共同实现了钢管管端机器人对钢管管端轨迹的自适应及纠偏功能，通过计算钢管管端轮廓中各点估测后的轨迹与理论轨迹之间的差异，得到两者各点之间的偏差补偿值，实现钢管管端机器人轨迹的自适应功能。

进一步的，所述基础数据获取模块在对钢管管端数据进行采集时，采集的内容包括：钢管规格直径r1、钢管管端超出A旋转辊端部的距离s；

所述基础数据获取模块在对旋转辊道的数据进行采集时，采集的内容包括：A、B旋转辊直径r2及A、B旋转辊间距L。

本发明基础数据获取模块对钢管管端数据及旋转辊道的数据进行采集，是为了通过定量的方式实现对钢管管端轨迹的估测，进而计算出钢管管端各点对应的偏差补偿值。

进一步的，所述虚拟圆心定位模块在建立空间坐标模型时，以A、B旋转辊的位置作为参照物，以A旋转辊端部的圆心为原点，以A、B旋转辊端部圆心的连线所在的直线为x轴，以A旋转辊的轴心所在直线为y轴，以过原点且与x轴、y轴均垂直的直线为z轴建立空间坐标系，即空间坐标模型，

在空间坐标模型中根据钢管规格直径r1和A、B旋转辊直径r2及A、B旋转辊间距L计算出钢管管端的虚拟圆心o位置（x1，y1，z1），所述x1为虚拟圆心o的x轴坐标，所述y1为虚拟圆心o的y轴坐标，所述z1为虚拟圆心o的z轴坐标，

即

，

，

z1满足条件

，即得到

，进而得到虚拟圆心o的位置（

，s，

）。

本发明虚拟圆心定位模块建立空间坐标模型，是为了对钢管管端的各个数据进行定量化，并且可以通过各个点相互之间的坐标关系快速求取相应点的坐标位置，求取虚拟圆心o是因为标准的钢管被旋转辊道带动旋转时，钢管各点的轨迹为均为一个标准的圆，而所有轨迹对应的圆心为同一个点，该点即为求取的虚拟圆心o，本发明建立的空间坐标模型中以A旋转辊端部的圆心为原点，以A、B旋转辊端部圆心的连线所在的直线中从A指向B的方向为x轴正方向，以A旋转辊的轴心所在直线中从A旋转辊端部圆心指向A旋转辊另一端部圆心的方向为y轴正方向，以过原点且与x轴、y轴均垂直的直线中指向上方的方向为z轴正方向。

进一步的，所述理论轨迹模块默认钢管端面为完全标准的平直面，即钢管端面各点的理论轨迹均在y=s所在的平面上，

所述理论轨迹上各个点中x轴坐标与z轴坐标的关系通过钢管规格直径r1及虚拟圆心定位模块获取的虚拟圆心o的位置进行确定，所述理论轨迹为一个标准的圆，

假设理论轨迹上某点的空间坐标为（x2，s，z2），则理论轨迹对应的标准的圆的方程为

。

本发明理论轨迹模块求取理论轨迹是因为当钢管端面为完全标准的平直面时，钢管的各点的轨迹相同，在求取钢管管端各点对应的偏差补偿值时，需要将钢管管端各点实际的轨迹与理论轨迹进行对比，进而通过两者的差异得到各点对应的偏差补偿值。

进一步的，所述端面轮廓扫描模块在获取到钢管管端轮廓中各点的相对位置关系后，在钢管管端上外径边缘上任意选取p1、p2、p3三点，并分别用不同颜色的记号笔进行标记。

本发明端面轮廓扫描模块在对钢管管端轮廓进行扫描时，扫描传感器传感器的位置在

所在平面与

所在平面的相交线上，使得扫描传感器与虚拟圆心在同一条直线上，当钢管管端与旋转辊端部发生倾斜弯曲时，无论钢管怎么旋转，扫描到的钢管管端轮廓均相同。选取p1、p2、p3三点是因为不在同一条直线上的三点能够确定一个平面，在对各点y轴坐标的求取时，通过p1、p2、p3三点自身的y轴坐标进行求取，得到的结果更加准确，扫描钢管管端轮廓一方面是能够通过管端轮廓判断出钢管管端是否圆，另一方面是通过钢管管端轮廓中选取的p1、p2、p3三点位置及轮廓整体的形状，能够判断出钢管管端轮廓上其他点相对于p1、p2、p3三点的位置，并通过p1、p2、p3三点的轨迹，进一步判断出钢管管端轮廓中各点的轨迹。

进一步的，所述端面各点轨迹估测模块在对端面各点轨迹进行估测前，需要对端面轮廓扫描模块中p1点、p2点、p3点的轨迹进行获取，

所述端面各点轨迹估测模块对端面轮廓扫描模块中p1点、p2点、p3点的轨迹进行获取的方法包括以下步骤：

S1.1、启动旋转辊道，带动旋转辊道上的钢管转动旋转一周；

S1.2、通过摄像头每隔第一单位时间获取一次钢管旋转时管端图像；

S1.3、识别步骤S1.2中获取的所有管端图像中p1点、p2点、p3点，并根据A、B旋转辊端部圆心位置分别计算出所有管端图像中p1点、p2点、p3点在空间坐标模型中对应的x轴坐标和z轴坐标；

本发明该步骤分别计算出所有管端图像中p1点、p2点、p3点在空间坐标模型中对应的x轴坐标和z轴坐标，而不计算y轴坐标，一方面在空间坐标模型中，钢管管端正常旋转时，钢管管端上p1点、p2点、p3点的轨迹中y轴坐标分别是固定不变的，但是p1点、p2点、p3点对应的y轴坐标可能不相同，如钢管管端发生倾斜弯曲时。

S1.4、根据步骤S1.3中所有p1点对应的x轴坐标和z轴坐标，所有p1点均在同一平面，对所有p1点进行拟合，根据得到的拟合方程判断p1点的轨迹是否为圆形，且若为圆形时对应的直径r3，

同理，分别对步骤S1.3中所有p2点、p3点执行上述操作，判断p2点、p3点的轨迹是否为圆形，且若为圆形时对应的直径分别为r4、r5；

S1.5、当p1点、p2点、p3点的轨迹均不为圆形时，判定钢管在A、B旋转辊中的部分存在弯曲情况，需进行调整，

当p1点、p2点、p3点的轨迹均为圆形时，判定钢管在A、B旋转辊中的部分正常；

S1.6、当钢管在A、B旋转辊中的部分正常时，进一步计算p1点、p2点、p3点在空间坐标模型中的轨迹，即分别计算出p1点、p2点、p3点的y轴坐标，

p1点对应的y轴坐标为

，

P2点对应的y轴坐标为

，

P3点对应的y轴坐标为

，即分别得到p1点、p2点、p3点的轨迹。

本发明端面各点轨迹估测模块对端面轮廓扫描模块中p1点、p2点、p3点的轨迹进行获取时，计算p1点、p2点、p3点三点的y轴坐标是因为当钢管管端发生倾斜弯曲时，钢管管端各点对应的y轴坐标会发生变化，进而钢管管端各点轨迹的直径也会发生变化。计算p1点对应的y轴坐标时，先计算

是因为正常状态下，钢管管端长度是s，但是当钢管管端发生弯曲时，钢管管端距离旋转辊端部所在平面的距离会比s小，钢管管端超出旋转辊端部的长度不会发生变化，因此，通过三角形勾股定理能够得到钢管管端y轴坐标的变化量，用s减去钢管管端y轴坐标的变化量即可得到p1点的y轴坐标，同理，也可得到p2点、p3点的y轴坐标。

进一步的，所述端面各点轨迹估测模块对钢管管端状态进行判断，所述钢管管端状态包括钢管管端正常、钢管管端不圆、钢管管端倾斜弯曲，

所述端面各点轨迹估测模块通过p1点、p2点、p3点的轨迹的y轴坐标对钢管管端状态进行判断，

当p1点、p2点、p3点的轨迹的y轴坐标均相同时，进一步通过端面轮廓扫描模块获取的钢管管端轮廓中各点的相对位置关系进行判断，

若对钢管管端轮廓中各点进行拟合后，得到的拟合方程为圆时，判定钢管管端状态为钢管管端正常，此时钢管端面各点估测后的轨迹与相应点对应的理论轨迹相同，

若对钢管管端轮廓中各点进行拟合后，得到的拟合方程不为圆时，判定钢管管端状态为钢管管端不圆，此时需要根据端面轮廓扫描模块获取的钢管管端轮廓中各点的相对位置关系分别获取钢管管端轮廓中各点估测后的轨迹；

当p1点、p2点、p3点的轨迹的y轴坐标存在不相同的情况时，则判定钢管管端状态为钢管管端倾斜弯曲，此时需要根据端面轮廓扫描模块获取的钢管管端轮廓中各点的相对位置关系分别获取钢管管端轮廓中各点对应的y轴坐标，进而获取钢管管端轮廓中各点估测后的轨迹。

本发明端面各点轨迹估测模块对钢管管端状态进行判断时，通过p1点、p2点、p3点的轨迹的y轴坐标进行判断，由于不在同一直线上的三点能够确定一个平面，因此当p1点、p2点、p3点的轨迹的y轴坐标均相同时，则p1点、p2点、p3点的轨迹所在的平面相同，进而得到钢管管端状态为钢管管端正常、钢管管端不圆，然后通过判断钢管管端轮廓中各点拟合后的拟合方程是否为圆，就能够对钢管管端正常、钢管管端不圆这两种状态进行区分；而当钢管管端状态为钢管管端倾斜弯曲时，钢管管端所在平面旋转一圈得到的是一个立体图形，进而p1点、p2点、p3点的y轴坐标也会存在差异。

进一步的，所述钢管管端状态为钢管管端不圆时，根据端面轮廓扫描模块获取的钢管管端轮廓中各点的相对位置关系分别获取钢管管端轮廓中各点估测后的轨迹的方法包括以下步骤：

S2.1、根据p1点、p2点、p3点的轨迹，获取某张钢管旋转时管端图像中p1点、p2点、p3点的坐标及钢管管端轮廓中除p1点、p2点、p3点外任意一点p4的x轴坐标和z轴坐标；

S2.2、计算出p4点分别过虚拟圆心o与p1点、p2点、p3点构成的夹角；

S2.3、根据p4点的坐标与虚拟圆心o的距离，得到p4点的轨迹及该轨迹对应的圆的直径，

根据p4点分别过虚拟圆心o与p1点、p2点、p3点构成的夹角，得到p4点的轨迹中分别与p1点、p2点、p3点对应p4点位置；

所述钢管管端状态为钢管管端倾斜弯曲时，首先需要计算钢管管端轮廓中各点对应的y轴坐标，然后结合钢管管端状态为钢管管端不圆时获取钢管管端轮廓中各点估测后的轨迹的方法，求取钢管管端轮廓中各点估测后的轨迹，

所述计算钢管管端轮廓中各点对应的y轴坐标的方法包括以下步骤：

S3.1、获取某张钢管旋转时管端图像中任意一点p5的x轴坐标、z轴坐标；

S3.2、根据虚拟圆心o的位置（

，s，

），得到

所在平面与

所在平面的相交线m；

S3.3、根据p5的x轴坐标、z轴坐标得到p5点到相交线m的距离f，进而得到p5点的y轴坐标

。

本发明分别针对钢管管端状态为钢管管端不圆时及钢管管端状态为钢管管端倾斜弯曲时钢管管端轮廓中各点轨迹进行求取，并根据钢管管端状态的不同执行不同的方案，当钢管管端状态为钢管管端不圆时，无需对钢管管端轮廓中各点的y轴进行求取，而当钢管管端状态为钢管管端倾斜弯曲时，则需要对钢管管端轮廓中各点的y轴进行求取。

进一步的，所述偏差补偿模块获取钢管管端机器人需要进行纠偏的位置p及此时的p1点、p2点、p3点位置，根据p点分别过虚拟圆心o与p1点、p2点、p3点构成的夹角，进而匹配到p点对应的轨迹及该轨迹中p点的坐标p（x3，y3，z3），

获取理论轨迹中p点的坐标（x4，y4，z4），则p点对应的纠偏补偿值为（x3-x4，y3-y4，z3-z4）。

本发明根据端面各点轨迹估测模块得到的结果及理论轨迹模块中得到的各点的理论轨迹，在确定钢管管端轮廓上点的位置的情况下，直接可以根据该点对应的轨迹中该点的坐标与理论轨迹中该点的坐标之间的差异，获取钢管管端机器人在执行后续操作时钢管管端该点对应的偏差补偿值。

一种钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏方法，该方法包括以下步骤：

S1、通过基础数据获取模块对钢管管端数据及旋转辊道的数据进行采集；

S2、在虚拟圆心定位模块中建立空间坐标模型，并根据基础数据获取模块采集的数据对钢管管端的虚拟圆心o进行定位；

S3、理论轨迹模块根据钢管管端数据和虚拟圆心o的位置对钢管管端上各点的移动轨迹进行理论推导，得到各点的理论轨迹；

S4、端面轮廓扫描模块通过扫描传感器对端面轮廓进行扫描，获取轮廓中各点的相对位置关系；

S5、端面各点轨迹估测模块通过钢管管端数据及端面轮廓扫描模块获取的轮廓中各点的相对位置关系对端面各点的轨迹进行估测；

S6、偏差补偿模块通过端面各点轨迹估测模块得到的结果及理论轨迹模块中得到的各点的理论轨迹，获取钢管管端机器人在执行后续操作时钢管管端各点对应的偏差补偿值。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明能够配合钢管行业应用的机器人系统，实现机器人自动规划管端扫描轨迹，减少了人为的干预及换道时间，不仅能有效提高该系统应用的机器人系统质量，更能达到提高劳动效率，降本增效的目的。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明一种钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏系统的结构示意图；

图2是本发明一种钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏系统中端面各点轨迹估测模块对端面轮廓扫描模块中p1点、p2点、p3点的轨迹进行获取的方法的流程示意图；

图3是本发明一种钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏系统中钢管管端状态为钢管管端不圆时获取钢管管端轮廓中各点估测后的轨迹的方法的流程示意图；

图4是本发明一种钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供技术方案：一种钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏系统，包括：

基础数据获取模块，所述基础数据获取模块用于对钢管管端数据及旋转辊道的数据进行采集；

虚拟圆心定位模块，所述虚拟圆心定位模块建立空间坐标模型，并根据基础数据获取模块采集的数据对钢管管端的虚拟圆心o进行定位；

理论轨迹模块，所述理论轨迹模块根据钢管管端数据和虚拟圆心o的位置对钢管管端上各点的移动轨迹进行理论推导，得到各点的理论轨迹；

轨迹纠偏模块，所述轨迹纠偏模块包括端面轮廓扫描模块、端面各点轨迹估测模块及偏差补偿模块，

所述端面轮廓扫描模块通过扫描传感器对端面轮廓进行扫描，获取轮廓中各点的相对位置关系；

所述端面各点轨迹估测模块通过钢管管端数据及端面轮廓扫描模块获取的轮廓中各点的相对位置关系对端面各点的轨迹进行估测；

所述偏差补偿模块通过端面各点轨迹估测模块得到的结果及理论轨迹模块中得到的各点的理论轨迹，获取钢管管端机器人在执行后续操作时钢管管端各点对应的偏差补偿值。

本发明通过各个模块的协同合作，共同实现了钢管管端机器人对钢管管端轨迹的自适应及纠偏功能，通过计算钢管管端轮廓中各点估测后的轨迹与理论轨迹之间的差异，得到两者各点之间的偏差补偿值，实现钢管管端机器人轨迹的自适应功能。

所述基础数据获取模块在对钢管管端数据进行采集时，采集的内容包括：钢管规格直径r1、钢管管端超出A旋转辊端部的距离s；

所述基础数据获取模块在对旋转辊道的数据进行采集时，采集的内容包括：A、B旋转辊直径r2及A、B旋转辊间距L。

本发明基础数据获取模块对钢管管端数据及旋转辊道的数据进行采集，是为了通过定量的方式实现对钢管管端轨迹的估测，进而计算出钢管管端各点对应的偏差补偿值。

所述虚拟圆心定位模块在建立空间坐标模型时，以A、B旋转辊的位置作为参照物，以A旋转辊端部的圆心为原点，以A、B旋转辊端部圆心的连线所在的直线为x轴，以A旋转辊的轴心所在直线为y轴，以过原点且与x轴、y轴均垂直的直线为z轴建立空间坐标系，即空间坐标模型，

在空间坐标模型中根据钢管规格直径r1和A、B旋转辊直径r2及A、B旋转辊间距L计算出钢管管端的虚拟圆心o位置（x1，y1，z1），所述x1为虚拟圆心o的x轴坐标，所述y1为虚拟圆心o的y轴坐标，所述z1为虚拟圆心o的z轴坐标，

即

，

，

z1满足条件

，即得到

，进而得到虚拟圆心o的位置（

，s，

）。

本发明虚拟圆心定位模块建立空间坐标模型，是为了对钢管管端的各个数据进行定量化，并且可以通过各个点相互之间的坐标关系快速求取相应点的坐标位置，求取虚拟圆心o是因为标准的钢管被旋转辊道带动旋转时，钢管各点的轨迹为均为一个标准的圆，而所有轨迹对应的圆心为同一个点，该点即为求取的虚拟圆心o。

所述理论轨迹模块默认钢管端面为完全标准的平直面，即钢管端面各点的理论轨迹均在y=s所在的平面上，

所述理论轨迹上各个点中x轴坐标与z轴坐标的关系通过钢管规格直径r1及虚拟圆心定位模块获取的虚拟圆心o的位置进行确定，所述理论轨迹为一个标准的圆，

假设理论轨迹上某点的空间坐标为（x2，s，z2），则理论轨迹对应的标准的圆的方程为

。

本发明理论轨迹模块求取理论轨迹是因为当钢管端面为完全标准的平直面时，钢管的各点的轨迹相同，在求取钢管管端各点对应的偏差补偿值时，需要将钢管管端各点实际的轨迹与理论轨迹进行对比，进而通过两者的差异得到各点对应的偏差补偿值。

所述端面轮廓扫描模块在获取到钢管管端轮廓中各点的相对位置关系后，在钢管管端上外径边缘上任意选取p1、p2、p3三点，并分别用不同颜色的记号笔进行标记。

本发明端面轮廓扫描模块在对钢管管端轮廓进行扫描时，扫描传感器传感器的位置在

所在平面与

所在平面的相交线上，使得扫描传感器与虚拟圆心在同一条直线上，当钢管管端与旋转辊端部发生倾斜弯曲时，无论钢管怎么旋转，扫描到的钢管管端轮廓均相同。选取p1、p2、p3三点是因为不在同一条直线上的三点能够确定一个平面，在对各点y轴坐标的求取时，通过p1、p2、p3三点自身的y轴坐标进行求取，得到的结果更加准确。

所述端面各点轨迹估测模块在对端面各点轨迹进行估测前，需要对端面轮廓扫描模块中p1点、p2点、p3点的轨迹进行获取，

所述端面各点轨迹估测模块对端面轮廓扫描模块中p1点、p2点、p3点的轨迹进行获取的方法包括以下步骤：

S1.1、启动旋转辊道，带动旋转辊道上的钢管转动旋转一周；

S1.2、通过摄像头每隔第一单位时间获取一次钢管旋转时管端图像；

S1.3、识别步骤S1.2中获取的所有管端图像中p1点、p2点、p3点，并根据A、B旋转辊端部圆心位置分别计算出所有管端图像中p1点、p2点、p3点在空间坐标模型中对应的x轴坐标和z轴坐标；

S1.4、根据步骤S1.3中所有p1点对应的x轴坐标和z轴坐标，所有p1点均在同一平面，对所有p1点进行拟合，根据得到的拟合方程判断p1点的轨迹是否为圆形，且若为圆形时对应的直径r3，

同理，分别对步骤S1.3中所有p2点、p3点执行上述操作，判断p2点、p3点的轨迹是否为圆形，且若为圆形时对应的直径分别为r4、r5；

S1.5、当p1点、p2点、p3点的轨迹均不为圆形时，判定钢管在A、B旋转辊中的部分存在弯曲情况，需进行调整，

当p1点、p2点、p3点的轨迹均为圆形时，判定钢管在A、B旋转辊中的部分正常；

S1.6、当钢管在A、B旋转辊中的部分正常时，进一步计算p1点、p2点、p3点在空间坐标模型中的轨迹，即分别计算出p1点、p2点、p3点的y轴坐标，

p1点对应的y轴坐标为

，

P2点对应的y轴坐标为

，

P3点对应的y轴坐标为

，即分别得到p1点、p2点、p3点的轨迹。

本发明端面各点轨迹估测模块对端面轮廓扫描模块中p1点、p2点、p3点的轨迹进行获取时，计算p1点、p2点、p3点三点的y轴坐标是因为当钢管管端发生倾斜弯曲时，钢管管端各点对应的y轴坐标会发生变化，进而钢管管端各点轨迹的直径也会发生变化。

所述端面各点轨迹估测模块对钢管管端状态进行判断，所述钢管管端状态包括钢管管端正常、钢管管端不圆、钢管管端倾斜弯曲，

所述端面各点轨迹估测模块通过p1点、p2点、p3点的轨迹的y轴坐标对钢管管端状态进行判断，

当p1点、p2点、p3点的轨迹的y轴坐标均相同时，进一步通过端面轮廓扫描模块获取的钢管管端轮廓中各点的相对位置关系进行判断，

若对钢管管端轮廓中各点进行拟合后，得到的拟合方程为圆时，判定钢管管端状态为钢管管端正常，此时钢管端面各点估测后的轨迹与相应点对应的理论轨迹相同，

若对钢管管端轮廓中各点进行拟合后，得到的拟合方程不为圆时，判定钢管管端状态为钢管管端不圆，此时需要根据端面轮廓扫描模块获取的钢管管端轮廓中各点的相对位置关系分别获取钢管管端轮廓中各点估测后的轨迹；

当p1点、p2点、p3点的轨迹的y轴坐标存在不相同的情况时，则判定钢管管端状态为钢管管端倾斜弯曲，此时需要根据端面轮廓扫描模块获取的钢管管端轮廓中各点的相对位置关系分别获取钢管管端轮廓中各点对应的y轴坐标，进而获取钢管管端轮廓中各点估测后的轨迹。

本发明端面各点轨迹估测模块对钢管管端状态进行判断时，通过p1点、p2点、p3点的轨迹的y轴坐标进行判断，由于不在同一直线上的三点能够确定一个平面，因此当p1点、p2点、p3点的轨迹的y轴坐标均相同时，则p1点、p2点、p3点的轨迹所在的平面相同，进而得到钢管管端状态为钢管管端正常、钢管管端不圆，然后通过判断钢管管端轮廓中各点拟合后的拟合方程是否为圆，就能够对钢管管端正常、钢管管端不圆这两种状态进行区分；而当钢管管端状态为钢管管端倾斜弯曲时，钢管管端所在平面旋转一圈得到的是一个立体图形，进而p1点、p2点、p3点的y轴坐标也会存在差异。

所述钢管管端状态为钢管管端不圆时，根据端面轮廓扫描模块获取的钢管管端轮廓中各点的相对位置关系分别获取钢管管端轮廓中各点估测后的轨迹的方法包括以下步骤：

S2.1、根据p1点、p2点、p3点的轨迹，获取某张钢管旋转时管端图像中p1点、p2点、p3点的坐标及钢管管端轮廓中除p1点、p2点、p3点外任意一点p4的x轴坐标和z轴坐标；

S2.2、计算出p4点分别过虚拟圆心o与p1点、p2点、p3点构成的夹角；

S2.3、根据p4点的坐标与虚拟圆心o的距离，得到p4点的轨迹及该轨迹对应的圆的直径，

根据p4点分别过虚拟圆心o与p1点、p2点、p3点构成的夹角，得到p4点的轨迹中分别与p1点、p2点、p3点对应p4点位置；

所述钢管管端状态为钢管管端倾斜弯曲时，首先需要计算钢管管端轮廓中各点对应的y轴坐标，然后结合钢管管端状态为钢管管端不圆时获取钢管管端轮廓中各点估测后的轨迹的方法，求取钢管管端轮廓中各点估测后的轨迹，

所述计算钢管管端轮廓中各点对应的y轴坐标的方法包括以下步骤：

S3.1、获取某张钢管旋转时管端图像中任意一点p5的x轴坐标、z轴坐标；

S3.2、根据虚拟圆心o的位置（

，s，

），得到

所在平面与

所在平面的相交线m；

S3.3、根据p5的x轴坐标、z轴坐标得到p5点到相交线m的距离f，进而得到p5点的y轴坐标

。

本发明分别针对钢管管端状态为钢管管端不圆时及钢管管端状态为钢管管端倾斜弯曲时钢管管端轮廓中各点轨迹进行求取，并根据钢管管端状态的不同执行不同的方案，当钢管管端状态为钢管管端不圆时，无需对钢管管端轮廓中各点的y轴进行求取，而当钢管管端状态为钢管管端倾斜弯曲时，则需要对钢管管端轮廓中各点的y轴进行求取。

所述偏差补偿模块获取钢管管端机器人需要进行纠偏的位置p及此时的p1点、p2点、p3点位置，根据p点分别过虚拟圆心o与p1点、p2点、p3点构成的夹角，进而匹配到p点对应的轨迹及该轨迹中p点的坐标p（x3，y3，z3），

获取理论轨迹中p点的坐标（x4，y4，z4），则p点对应的纠偏补偿值为（x3-x4，y3-y4，z3-z4）。

本发明根据端面各点轨迹估测模块得到的结果及理论轨迹模块中得到的各点的理论轨迹，在确定钢管管端轮廓上点的位置的情况下，直接可以根据该点对应的轨迹中该点的坐标与理论轨迹中该点的坐标之间的差异，获取钢管管端机器人在执行后续操作时钢管管端该点对应的偏差补偿值。

一种钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏方法，该方法包括以下步骤：

S1、通过基础数据获取模块对钢管管端数据及旋转辊道的数据进行采集；

S2、在虚拟圆心定位模块中建立空间坐标模型，并根据基础数据获取模块采集的数据对钢管管端的虚拟圆心o进行定位；

S3、理论轨迹模块根据钢管管端数据和虚拟圆心o的位置对钢管管端上各点的移动轨迹进行理论推导，得到各点的理论轨迹；

S4、端面轮廓扫描模块通过扫描传感器对端面轮廓进行扫描，获取轮廓中各点的相对位置关系；

S5、端面各点轨迹估测模块通过钢管管端数据及端面轮廓扫描模块获取的轮廓中各点的相对位置关系对端面各点的轨迹进行估测；

S6、偏差补偿模块通过端面各点轨迹估测模块得到的结果及理论轨迹模块中得到的各点的理论轨迹，获取钢管管端机器人在执行后续操作时钢管管端各点对应的偏差补偿值。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，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 (10)

1.一种钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏系统，其特征在于，包括：

基础数据获取模块，所述基础数据获取模块用于对钢管管端数据及旋转辊道的数据进行采集；

虚拟圆心定位模块，所述虚拟圆心定位模块建立空间坐标模型，并根据基础数据获取模块采集的数据对钢管管端的虚拟圆心o进行定位；

理论轨迹模块，所述理论轨迹模块根据钢管管端数据和虚拟圆心o的位置对钢管管端上各点的移动轨迹进行理论推导，得到各点的理论轨迹；

轨迹纠偏模块，所述轨迹纠偏模块包括端面轮廓扫描模块、端面各点轨迹估测模块及偏差补偿模块，

所述端面轮廓扫描模块通过扫描传感器对端面轮廓进行扫描，获取轮廓中各点的相对位置关系；

所述端面各点轨迹估测模块通过钢管管端数据及端面轮廓扫描模块获取的轮廓中各点的相对位置关系对端面各点的轨迹进行估测；

所述偏差补偿模块通过端面各点轨迹估测模块得到的结果及理论轨迹模块中得到的各点的理论轨迹，获取钢管管端机器人在执行后续操作时钢管管端各点对应的偏差补偿值；

求取虚拟圆心o是因为标准的钢管被旋转辊道带动旋转时，钢管各点的轨迹为均为一个标准的圆，而所有轨迹对应的圆心为同一个点，该点即为求取的虚拟圆心o。

2.根据权利要求1所述的一种钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏系统，其特征在于：所述基础数据获取模块在对钢管管端数据进行采集时，采集的内容包括：钢管规格直径r1、钢管管端超出A旋转辊端部的距离s；

所述基础数据获取模块在对旋转辊道的数据进行采集时，采集的内容包括：A、B旋转辊直径r2及A、B旋转辊间距L。

3.根据权利要求2所述的一种钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏系统，其特征在于：所述虚拟圆心定位模块在建立空间坐标模型时，以A、B旋转辊的位置作为参照物，以A旋转辊端部的圆心为原点，以A、B旋转辊端部圆心的连线所在的直线为x轴，以A旋转辊的轴心所在直线为y轴，以过原点且与x轴、y轴均垂直的直线为z轴建立空间坐标系，即空间坐标模型，

在空间坐标模型中根据钢管规格直径r1和A、B旋转辊直径r2及A、B旋转辊间距L计算出钢管管端的虚拟圆心o位置（x1，y1，z1），所述x1为虚拟圆心o的x轴坐标，所述y1为虚拟圆心o的y轴坐标，所述z1为虚拟圆心o的z轴坐标，

即

，

，

z1满足条件

，即得到

，进而得到虚拟圆心o的位置（

，s，

）。

4.根据权利要求3所述的一种钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏系统，其特征在于：所述理论轨迹模块默认钢管端面为完全标准的平直面，即钢管端面各点的理论轨迹均在y=s所在的平面上，

所述理论轨迹上各个点中x轴坐标与z轴坐标的关系通过钢管规格直径r1及虚拟圆心定位模块获取的虚拟圆心o的位置进行确定，所述理论轨迹为一个标准的圆，

假设理论轨迹上某点的空间坐标为（x2，s，z2），则理论轨迹对应的标准的圆的方程为

。

5.根据权利要求4所述的一种钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏系统，其特征在于：所述端面轮廓扫描模块在获取到钢管管端轮廓中各点的相对位置关系后，在钢管管端上外径边缘上任意选取p1、p2、p3三点，并分别用不同颜色的记号笔进行标记。

6.根据权利要求5所述的一种钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏系统，其特征在于：所述端面各点轨迹估测模块在对端面各点轨迹进行估测前，需要对端面轮廓扫描模块中p1点、p2点、p3点的轨迹进行获取，

所述端面各点轨迹估测模块对端面轮廓扫描模块中p1点、p2点、p3点的轨迹进行获取的方法包括以下步骤：

S1.1、启动旋转辊道，带动旋转辊道上的钢管转动旋转一周；

S1.2、通过摄像头每隔第一单位时间获取一次钢管旋转时管端图像；

S1.3、识别步骤S1.2中获取的所有管端图像中p1点、p2点、p3点，并根据A、B旋转辊端部圆心位置分别计算出所有管端图像中p1点、p2点、p3点在空间坐标模型中对应的x轴坐标和z轴坐标；

S1.4、根据步骤S1.3中所有p1点对应的x轴坐标和z轴坐标，所有p1点均在同一平面，对所有p1点进行拟合，根据得到的拟合方程判断p1点的轨迹是否为圆形，且若为圆形时对应的直径r3，

同理，分别对步骤S1.3中所有p2点、p3点执行上述操作，判断p2点、p3点的轨迹是否为圆形，且若为圆形时对应的直径分别为r4、r5；

S1.5、当p1点、p2点、p3点的轨迹均不为圆形时，判定钢管在A、B旋转辊中的部分存在弯曲情况，需进行调整，

当p1点、p2点、p3点的轨迹均为圆形时，判定钢管在A、B旋转辊中的部分正常；

S1.6、当钢管在A、B旋转辊中的部分正常时，进一步计算p1点、p2点、p3点在空间坐标模型中的轨迹，即分别计算出p1点、p2点、p3点的y轴坐标，

p1点对应的y轴坐标为

，

P2点对应的y轴坐标为

，

P3点对应的y轴坐标为

，即分别得到p1点、p2点、p3点的轨迹。

7.根据权利要求6所述的一种钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏系统，其特征在于：所述端面各点轨迹估测模块对钢管管端状态进行判断，所述钢管管端状态包括钢管管端正常、钢管管端不圆、钢管管端倾斜弯曲，

所述端面各点轨迹估测模块通过p1点、p2点、p3点的轨迹的y轴坐标对钢管管端状态进行判断，

当p1点、p2点、p3点的轨迹的y轴坐标均相同时，进一步通过端面轮廓扫描模块获取的钢管管端轮廓中各点的相对位置关系进行判断，

若对钢管管端轮廓中各点进行拟合后，得到的拟合方程为圆时，判定钢管管端状态为钢管管端正常，此时钢管端面各点估测后的轨迹与相应点对应的理论轨迹相同，

若对钢管管端轮廓中各点进行拟合后，得到的拟合方程不为圆时，判定钢管管端状态为钢管管端不圆，此时需要根据端面轮廓扫描模块获取的钢管管端轮廓中各点的相对位置关系分别获取钢管管端轮廓中各点估测后的轨迹；

当p1点、p2点、p3点的轨迹的y轴坐标存在不相同的情况时，则判定钢管管端状态为钢管管端倾斜弯曲，此时需要根据端面轮廓扫描模块获取的钢管管端轮廓中各点的相对位置关系分别获取钢管管端轮廓中各点对应的y轴坐标，进而获取钢管管端轮廓中各点估测后的轨迹。

8.根据权利要求7所述的一种钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏系统，其特征在于：所述钢管管端状态为钢管管端不圆时，根据端面轮廓扫描模块获取的钢管管端轮廓中各点的相对位置关系分别获取钢管管端轮廓中各点估测后的轨迹的方法包括以下步骤：

S2.1、根据p1点、p2点、p3点的轨迹，获取某张钢管旋转时管端图像中p1点、p2点、p3点的坐标及钢管管端轮廓中除p1点、p2点、p3点外任意一点p4的x轴坐标和z轴坐标；

S2.2、计算出p4点分别过虚拟圆心o与p1点、p2点、p3点构成的夹角；

S2.3、根据p4点的坐标与虚拟圆心o的距离，得到p4点的轨迹及该轨迹对应的圆的直径，

根据p4点分别过虚拟圆心o与p1点、p2点、p3点构成的夹角，得到p4点的轨迹中分别与p1点、p2点、p3点对应p4点位置；

所述钢管管端状态为钢管管端倾斜弯曲时，首先需要计算钢管管端轮廓中各点对应的y轴坐标，然后结合钢管管端状态为钢管管端不圆时获取钢管管端轮廓中各点估测后的轨迹的方法，求取钢管管端轮廓中各点估测后的轨迹，

所述计算钢管管端轮廓中各点对应的y轴坐标的方法包括以下步骤：

S3.1、获取某张钢管旋转时管端图像中任意一点p5的x轴坐标、z轴坐标；

S3.2、根据虚拟圆心o的位置（

，s，

），得到

所在平面与

所在平面的相交线m；

S3.3、根据p5的x轴坐标、z轴坐标得到p5点到相交线m的距离f，进而得到p5点的y轴坐标

。

9.根据权利要求8所述的一种钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏系统，其特征在于：所述偏差补偿模块获取钢管管端机器人需要进行纠偏的位置p及此时的p1点、p2点、p3点位置，根据p点分别过虚拟圆心o与p1点、p2点、p3点构成的夹角，进而匹配到p点对应的轨迹及该轨迹中p点的坐标p（x3，y3，z3），

获取理论轨迹中p点的坐标（x4，y4，z4），则p点对应的纠偏补偿值为（x3-x4，y3-y4，z3-z4）。

10.应用权利要求1-9任意一项所述的一种钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏系统的钢管管端机器人轨迹自适应及纠偏方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、通过基础数据获取模块对钢管管端数据及旋转辊道的数据进行采集；

S2、在虚拟圆心定位模块中建立空间坐标模型，并根据基础数据获取模块采集的数据对钢管管端的虚拟圆心o进行定位；

S3、理论轨迹模块根据钢管管端数据和虚拟圆心o的位置对钢管管端上各点的移动轨迹进行理论推导，得到各点的理论轨迹；

S4、端面轮廓扫描模块通过扫描传感器对端面轮廓进行扫描，获取轮廓中各点的相对位置关系；

S5、端面各点轨迹估测模块通过钢管管端数据及端面轮廓扫描模块获取的轮廓中各点的相对位置关系对端面各点的轨迹进行估测；

S6、偏差补偿模块通过端面各点轨迹估测模块得到的结果及理论轨迹模块中得到的各点的理论轨迹，获取钢管管端机器人在执行后续操作时钢管管端各点对应的偏差补偿值。

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