CN113385486B - 一种基于线结构光的激光清洗路径自动生成系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线结构光的激光清洗路径自动生成系统及方法，系统部分包括机械臂和标定块，机械臂安装于AGV小车上,由安装在所述AGV小车上的机械臂控制系统控制；机械臂的末端安装有3D扫描模块和激光清洗头；3D扫描模块和激光清洗头分别与图像采集模块和激光控制系统电连接；AGV小车、机械臂控制系统、图像采集模块和激光控制系统分别与主控计算机网络连接；利用前述3D扫描模块建立工件STL模型，然后对STL模型进行平面切割、曲线拟合最后生成路径文件。本发明自动生成待清洗工件的清洗路径，无需机械臂的手动示教，减轻了劳动强度，提高了激光清洗效率。

Description

一种基于线结构光的激光清洗路径自动生成系统及方法

技术领域

本发明涉及激光清洗技术与应用领域，特别涉及一种基于线结构光的激光清洗路径自动生成系统及方法。

背景技术

激光清洗技术是利用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、锈斑或涂层发生蒸发或剥离，从而达到清洗工件表面目的，被誉为“21世纪最具潜力绿色清洗技术”。

传统的激光清洗采用人工手持激光清洗头，或者将激光清洗头固装在机械臂等运动机构末端的方式，激光清洗路径是由人工决定，或通过机械臂的示教编程实现。

一件名为基于计算机视觉的机器人激光清洗路径规划系统及方法的中国发明专利公开了一种基于计算机视觉的机器人激光清洗路径规划方法，用户通过示教装置完成路径规划，以人机协作的方式指导机器人对目标工件的进行激光清洗，但是该方法用户通过手持示教装置对机械臂的运动路径进行规划，清洗路径生成过程需要人的参与，受人的主观因素影响较大，且设备比较复杂；名为一种激光清洗设备的清洗路径自动监测方法的中国发明专利公开了通过对放置在工作台上的待加工工件予以拍照处理，然后对拍照获得的图像予以处理，自动识别并获取其中生锈区域，然后绘制该生锈区域的轮廓轨迹，再由控制系统根据该轮廓轨迹信息来控制激光工作头工作，便可对生锈区域按照一定的轨迹来投射激光束而进行除锈加工的方法，但未涉及如何根据轮廓轨迹生成激光清洗路径，完成工件的除锈处理。名为一种大型腔体内壁污物自动化在线激光清洗装置及其方法的中国发明专利文献中采用结构力学CAE分析，将腔体的模型参数输入到软件中，然后自动生成作用在腔体内壁表面的加工清洗运动轨迹，该方法仅针对工件的模型参数已知的情况下，不适用于工件模型参数未知，或无法获取的情况。

综上所述，目前的激光清洗路径生成方法，存在的缺陷之一是采用手动示教的方式，清洗路径受人为因素影响较多，且精度不高；存在的缺陷之二是现有的CAE等软件仅针对工件模型已知的情况，不适用于工件模型未知的情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于线结构光的激光清洗路径自动生成系统及方法，能够自动生成待清洗工件的激光清洗路径，减少手动示教等人为干预过程，提高激光清洗质量的一致性,解决大型工件的激光清洗问题，特别是工件的模型参数未知的情况下，大型工件激光清洗路径自动生成问题。

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种基于线结构光的激光清洗路径自动生成系统及方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于线结构光的激光清洗路径自动生成系统，包括机械臂和标定块，所述机械臂安装于AGV小车上,由安装在所述AGV小车上的机械臂控制系统控制；所述机械臂的末端安装有3D扫描模块和激光清洗头；所述3D扫描模块与图像采集模块电连接；所述激光清洗头与激光控制系统电连接；所述AGV小车、机械臂控制系统、图像采集模块和激光控制系统分别与主控计算机网络连接。

所述3D扫描模块包括摄像头和线结构光模块；所述摄像头和线结构光模块之间具有的固定的位姿关系。

一种基于线结构光的激光清洗路径自动生成方法，包括以下步骤：

S1构建工件STL模型；

S2生成拟合曲线；

S3确定清洗路径，将步骤S2的拟合曲线以之字型方式相连，得到的曲线即为该工件的激光清洗路径曲线；

S4获取节点的位置和姿态；

S5生成机械臂路径文件；

S6.执行路径文件。

所述步骤S1构建工件STL模型的具体过程为：

S1.1选择工件坐标系作为摄像头和机械臂的共同参考坐标系,标定摄像头坐标系统和机械臂坐标系统，使摄像头和机械臂工作在共同参考坐标下；

S1.2扫描待清洗工件表面，并提取线结构光的位置数据信息，获得待清洗工件表面的3D点云数据。

S1.3对3D点云数据进行云简化、点云拼接、点云净化、点云平滑处理，构建待清洗工件表面的STL模型。

所述步骤S2生成拟合曲线的具体过程为：

S2.1用一组平行平面对STL模型进行切片操作，所述平面与STL模型中的三角面片的边相交，产生若干交点P₁…P_n；

S2.2将P₁…P_n这些交点拟合得到的拟合曲线。

所述步骤S4获取节点的位置和姿态的具体过程为：

S4.1对连续路径曲线进行离散化，将连续路径离散化为一系列的路径点；

S4.2计算各个路径点的位置和姿态：基于工件曲面的几何特性，分别计算各个离散路径点的位置坐标[p_x p_y p_z]、前进方向的切向量o、法向量a；和由右手螺旋定则定义的向量n＝o×a，由此得路径点P的位姿向量[p_x p_y p_z n o a]。

所述步骤S1.1的具体过程为：

S1.11定义工件坐标系，标定块的顶点α作为工件坐标系的坐标原点，顶点γ位于Y轴正方向上，顶点β在XOY平面内的投影位于X轴正方向上，Z轴方向由右手螺旋定则定义，垂直往上；

S1.12机械臂标定，采用常规的三点标定法将机械臂坐标系标定到所述工件坐标系；

S1.13摄像头标定，构建标定块的3D模型，计算求出所述标定块顶点α、β、γ在摄像机坐标系下三维坐标^Cp_i＝[^Cx_i ^Cy_i ^Cz_i]^T(i＝α,β,γ)，则摄像头坐标系与标定块坐标系之间的齐次坐标变换矩阵

其中n₁＝unit(^Cp'₂-^Cp_α)，o₁＝unit(^Cp_γ-^Cp_α)，a₁＝unit(n₁×o₁)，^Cp'₂＝[^Cx_β ^Cy_β ^Cz_α]^T，unit表示向量的单位化操作。

S1.14利用所述齐次坐标变换矩阵将任一点H在摄像机坐标系下的齐次坐标^Cp＝[^Cx ^Cy ^Cz 1]^T转换为标定块坐标系下的齐次坐标^Wp＝(^CT_W)^-1[^C _x ^Cy ^Cz 1]^T。

所述平面与所述工件坐标系的YOZ平面平行。

所述平面之间的距离等于激光清洗头的清洗线宽。

本发明具有以下有益效果在待清洗工件的3D模型未知的情形下，通过由线结构光模块和摄像头构成的3D扫描模块可以获得待清洗工件的STL模型，并基于此STL模型，自动生成待清洗工件的清洗路径，无需机械臂的手动示教，减轻了劳动强度，提高了激光清洗效率。本发明生成的激光清洗路径，可以满足大型工件的激光清洗的需求。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图1是本发明的系统结构示意图。

附图2是本发明方法流程图。

附图3是本发明的坐标标定块示意图。

附图4是本发明的平行平面切片示意图。

附图5是本发明的清洗路径示意图。

附图6是本发明的路径离散化示意图。

图中，1-摄像头；2-激光清洗头；3-机械臂；4-AGV小车；5-线结构光模块；6-标定块；7-待清洗工件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细说明。

附图1至附图6为本发明的一种具体实施例。该实施例提供了一种基于线结构光的激光清洗路径自动生成系统及方法。

如图1所示，基于线结构光的激光清洗路径自动生成系统包括：

AGV小车4，AGV小车4可以前后、左右移动，用于选择待清洗工件7待清洗的区域，且在激光清洗过程中，AGV小车4固定不动；

机械臂3，机械臂3安装于AGV小车4上,由同样安装在AGV小车4上的机械臂控制系统控制；

3D扫描模块：用于扫描待清洗工件7的表面，从而获得待清洗工件7的表面3D模型，将采集得到的3D点云数据经图像采集模块传输至主控计算机。该3D扫描模块由摄像头1和线结构光模块5构成，且摄像头1和线结构光模块5之间具有的固定的位姿关系，以确保所述待清洗工件7在摄像头1的工作范围内，并具有最大的扫描面积；

激光清洗头2；

激光控制系统，用于控制激光清洗头；

主控计算机：对采集得到的3D点云数据进行点云简化、点云拼接、点云净化和点云平滑等处理，从而可以得到待清洗工件7的STL模型，并对STL模型进行切片、曲线拟合、路径点计算、位姿计算等处理，最终生成机械臂3的运动路径文件，并控制机械臂控制系统和激光控制系统以完成对工件的激光清洗操作；

标定块6，用于摄像头1和机械臂2的坐标系统标定；标定块是普通的金属立方体，顶面为斜面。作标定时，将标定块6放置在待清洗工件7附近的位置，并处于摄像头的工作范围内，标定完成后可以拿掉。

其中：3D扫描模块和激光清洗头2固定安装在机械臂3的末端，随机械臂3的运动而运动；图像采集模块、清洗控制系统、机械臂控制系统以及AGV小车4均与主控计算机网络连接。

基于线结构光的激光清洗路径自动生成方法，流程具体如附图2所示，包括以下步骤：

S1利用上述的激光清洗路径自动生成系统构建STL模型；

S1.1标定摄像头坐标系统和机械臂坐标系统，使得摄像头和机械臂工作在统一的共同参考坐标下，通常可以选择工件坐标系作为摄像头和机械臂的共同参考坐标系。具体地，先确定工件坐标系，如图3所示的标定块6用于定义工件坐标系{W}，其中，顶点α作为工件坐标系{W}的坐标原点，顶点γ位于Y轴正方向上，顶点β在XOY平面内的投影位于X轴正方向上，Z轴方向根据右手螺旋定则定义，垂直往上。基于标定块上的3个顶点即可确定工件坐标系{W}。

机械臂的标定采用常规的三点标定法(选取标定块上的顶点α、β、γ)将其坐标系标定到工件坐标系{W}。

摄像头标定时，先扫描标定块，并构建标定块的3D模型，计算求出标定块6的顶点α、β、γ在摄像机坐标系下三维坐标^Cp_i＝[^Cx_i ^Cy_i ^Cz_i]^T(i＝α,β,γ)，则摄像头坐标系统{C}与标定块坐标系{W}之间的齐次坐标变换矩阵

其中n₁＝unit(^Cp'₂-^Cp_α)，o₁＝unit(^Cp_γ-^Cp_α)，a₁＝unit(n₁×o₁)，^Cp'₂＝[^Cx_β ^Cy_β ^Cz_α]^T，unit表示向量的单位化操作。

假设待清洗工件上的某点H在摄像机坐标系{C}下的齐次坐标为^Cp＝[^Cx ^Cy ^Cz 1]^T，则该点H在标定块坐标系{W}下的齐次坐标^Wp＝(^CT_W)^-1[^Cx ^Cy ^Cz 1]^T。

从而确保摄像头获得的有关工件的三维位置信息无需坐标变换就可以直接用于机械臂控制系统中，避免了繁琐的坐标变换和计算。

其中，扫描标定块构建标定块3D模型的过程同工件3D模型的建立过程,即S1.2和S1.3。

S1.2使用由线结构光模块5和摄像头1组成的3D扫描模块扫描待清洗工件7的表面，并提取线结构光的位置数据信息，获得待清洗工件7表面的3D点云数据。

S1.3将3D点云数据经过点云简化、点云拼接、点云净化、点云平滑等处理，构建待清洗工件表面的STL模型。

S2生成拟合曲线；

S2.1用一组平行平面对STL模型进行切片操作。选择一组与图4所示坐标系(该坐标系即为工件坐标系)的YOZ平面平行的平面作为切平面，平行平面组表示为x＝pp_i(i＝1,...m)，m表示平行平面的个数，pp_i为常数值。用平面对STL模型进行切片操作如图4中的虚线所示。平面与STL模型中的三角面片的边相交会产生若干交点P₁…P_n。

平行平面之间的距离等于激光清洗头的清洗线宽，该清洗线宽是由清洗工艺决定。平行平面的法线方向由工件的几何尺寸，或者清洗工艺需求决定，运行用户自由设定，本实施例中选择了X轴方向。

S2.2将P₁…P_n这些交点拟合得到的拟合曲线：拟合得到的曲线仍然位于平面x＝pp_i(i＝1,...m)内。交点坐标表示为

且满足

n表示单个平面内交点的个数。

三维空间内的曲线拟合转换为二维平面内曲线拟合。

假设二维YOZ平面内曲线的表示形式为三次多项式z＝ay³+by²+cy+d。将交点的Y轴坐标和Z轴坐标带入三次多项式内，可得方程组

求解上述方程组可以得到三次多项式的系数a,b,c,d。

拟合得到的曲线如图5中的点划线所示

S3确定清洗路径：将步骤S2的这些点划线即拟合曲线以之字型方式相连，得到的曲线即为该工件的激光清洗路径曲线。

S4获取节点的位置和姿态：

S4.1将生成的连续路径曲线离散化，离散化过程如图6所示，将连续路径离散化为一系列的路径点。其中，离散步长h由用户根据工件的曲面曲率变化自主定义。

S4.2计算各个路径点的位置和姿态：基于工件曲面的几何特性，分别计算各个离散路径点的位置坐标[p_x p_y p_z]、前进方向的切向量o、法向量a；和由右手螺旋定则定义的向量n＝o×a，由此可得路径点P的位姿向量为[p_x p_y p_z n o a]，该位姿向量即为执行清洗操作时，机械臂末端的位姿向量；

具体地，离散路径点P的三维位置坐标表示为[p_x p_y p_z]，其中，p_x＝pp_i(i＝1,...,m)，为一常量。步骤S2中拟合得到的曲线可以变形为f(y,z)＝ay³+by²+cy+d-z。f(y,z)在[p_yp_z]处的一阶导数即为前进方向的切向量

分别对y和z求偏导，可得法向量

由右手螺旋定则定义的向量n＝o×a，由此可得路径点P的齐次位姿矩阵

S5根据机械臂路径文件的格式要求，生成机械臂路径文件。将所生成的路径点的齐次矩阵形式的位姿转换为欧拉角形式的位姿，根据机械臂路径文件的格式，依次连接生成机械臂路径程序文件。

S6.执行路径文件：由机械臂执行所生成的路径文件，完成工件的激光清洗操作。

其中，3D扫描过程的运动路径是由操作员通过机械臂手动示教规划完成。

需要说明的是以上仅为本发明的一种具体实施例，本发明的保护范围不局限于以上具体实施例，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于线结构光的激光清洗路径自动生成方法，其特征在于：采用激光清洗路径自动生成系统，所述激光清洗路径自动生成系统包括机械臂(3)和标定块(6)，所述机械臂(3)安装于AGV小车(4)上并与安装在所述AGV小车(4)上的机械臂控制系统电连接；所述机械臂(3)的末端安装有3D扫描模块和激光清洗头(2)；所述3D扫描模块与图像采集模块电连接；所述激光清洗头(2)与激光控制系统电连接；所述AGV小车(4)、机械臂控制系统、图像采集模块和激光控制系统分别与主控计算机网络连接；所述3D扫描模块包括摄像头(1)和线结构光模块(5)；所述摄像头(1)和线结构光模块(5)之间具有的固定的位姿关系；基于所述激光清洗路径自动生成系统的激光清洗路径自动生成方法包括以下步骤：

S1构建STL模型；

S1.1选择工件坐标系作为摄像头和机械臂的共同参考坐标系,标定摄像头坐标系统和机械臂坐标系统，使摄像头和机械臂工作在共同参考坐标下；

S1.2扫描待清洗工件表面，并提取线结构光的位置数据信息，获得待清洗工件表面的3D点云数据；

S1.3对3D点云数据进行云简化、点云拼接、点云净化、点云平滑处理，构建待清洗工件表面的STL模型；

S2生成拟合曲线；

S2.1用一组平行平面对STL模型进行切片操作，所述平面与STL模型中的三角面片的边相交，产生若干交点；

S2.2将这些交点拟合得到的拟合曲线；

S3确定清洗路径，将步骤S2的这些点划线即拟合曲线以之字型方式相连，得到的曲线即为工件的激光清洗路径曲线；

S4获取节点的位置和姿态；

S4.1对连续路径曲线进行离散化，将连续路径离散化为一系列的路径点；

S4.2计算各个路径点的位置和姿态：基于工件曲面的几何特性，分别计算各个离散路径点P的位置坐标[p_x p_y p_z]、前进方向的切向量o、法向量a；和由右手螺旋定则定义的向量n＝o×a，由此得路径点P的位姿向量[p_x p_y p_z n o a]；

S5生成机械臂路径文件，将所生成的路径点的齐次矩阵形式的位姿转换为欧拉角形式的位姿，根据机械臂路径文件的格式，依次连接生成机械臂路径程序文件；

S6.执行路径文件。

2.根据权利要求1所述的基于线结构光的激光清洗路径自动生成方法，其特征在于，所述步骤S1.1的具体过程为：

S1.11定义工件坐标系，标定块的顶点α作为工件坐标系的坐标原点，顶点γ位于Y轴正方向上，顶点β在XOY平面内的投影位于X轴正方向上，Z轴方向由右手螺旋定则定义，垂直往上；

S1.12机械臂标定，采用常规的三点标定法将机械臂坐标系标定到所述工件坐标系；

S1.13摄像头标定，构建标定块的3D模型，计算求出所述标定块的顶点α、β、γ在摄像机坐标系下三维坐标^Cp_i＝[^Cx_i ^Cy_i ^Cz_i]^T(i＝α,β,γ)，则摄像头坐标系与标定块坐标系之间的齐次坐标变换矩阵为

其中n₁＝unit(^Cp'₂-^Cp_α)，o₁＝unit(^Cp_γ-^Cp_α)，a₁＝unit(n₁×o₁)，^Cp'₂＝[^Cx_β ^Cy_β ^Cz_α]^T，unit表示向量的单位化操作；

S1.14利用所述齐次坐标变换矩阵将任一点H在摄像机坐标系下的齐次坐标^Cp＝[^Cx ^Cy^Cz 1]^T转换为标定块坐标系下的齐次坐标^Wp＝(^CT_W)^-1[^Cx ^Cy ^Cz 1]^T。

3.根据权利要求1所述的基于线结构光的激光清洗路径自动生成方法，其特征在于，所述平面与所述工件坐标系的YOZ平面平行。

4.根据权利要求1所述的基于线结构光的激光清洗路径自动生成方法，其特征在于，所述平面之间的距离等于激光清洗头的清洗线宽。

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