CN113977160B - 一种基于三维视觉的焊枪位姿规划方法及系统 - Google Patents

一种基于三维视觉的焊枪位姿规划方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于三维视觉的焊枪位姿规划方法及系统，包括：根据工件焊缝的三维视觉点云数据确定焊缝位置；提取焊缝两侧设定范围内的点云，并以此确定焊缝边缘点云；对焊缝边缘点云进行拟合，得到焊缝区域的边缘线；根据焊缝区域的边缘线确定焊缝中心线，根据焊缝中心线与焊枪轴线的重合，确定焊枪位姿。通过获取工件焊缝的散点云确定焊缝位置，在确定焊缝位置后，提取固定范围的左右边缘点云，基于此求解焊缝中心线，以最后得到焊枪位姿，实现在规划焊枪位姿的同时，也对焊枪姿态进行实时调整，解决空间曲线焊缝焊接任务的复杂性，提高焊接自动化与焊接效率。

Description

一种基于三维视觉的焊枪位姿规划方法及系统
技术领域
本发明涉及三维视觉技术领域，特别是涉及一种基于三维视觉的焊枪位姿规划方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
空间曲线焊缝区别于普通的平面曲线焊缝和直线焊缝，其具有曲率、挠率不断变化，焊缝倾角、焊缝转角处处不同的特性，因此对于空间曲线焊缝的焊接，要求焊枪的姿态要适应焊缝位置的不断变化，该过程焊接任务的复杂性要远远高于普通的平面曲线焊缝和直线焊缝的焊接。
复杂空间曲线焊缝具有应用面广、复杂度高且需求强的特点；但由于曲线复杂、作业空间受到限制、工艺控制难度大、机器人编程困难等原因，导致复杂空间曲线焊缝的焊接多采用人工手动焊接；而采用手工焊接在上坡焊、下坡焊、平焊、横焊、仰焊等不同焊接位置转换的过程中，无法避免由于中断、补焊造成的焊接缺陷。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于三维视觉的焊枪位姿规划方法及系统，通过获取工件焊缝的散点云确定焊缝位置，在确定焊缝位置后，提取固定范围的左右边缘点云，基于此求解焊缝中心线，以最后得到焊枪位姿，实现在规划焊枪位姿的同时，也对焊枪姿态进行实时调整，解决空间曲线焊缝焊接任务的复杂性，提高焊接自动化与焊接效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种基于三维视觉的焊枪位姿规划方法，包括：
根据工件焊缝的三维视觉点云数据确定焊缝位置；
提取焊缝两侧设定范围内的点云，并以此确定焊缝边缘点云；
对焊缝边缘点云进行拟合，得到焊缝区域的边缘线；
根据焊缝区域的边缘线确定焊缝中心线，根据焊缝中心线与焊枪轴线的重合，确定焊枪位姿。
作为可选择的实施方式，提取焊缝两侧设定范围内的点云的过程包括，以焊缝上每个点为中心点，根据设定的x轴坐标和y轴坐标的取值范围，提取焊缝两侧设定范围内的点云。
作为可选择的实施方式，确定焊缝边缘点云的过程包括，以焊缝两侧设定范围内的点云中的每个点为中心点，根据中心点的x坐标值和y坐标值确定边缘点x坐标值和y坐标值的最大值和最小值，以此筛选焊缝边缘点云。
作为可选择的实施方式，对焊缝边缘点云进行拟合的过程中，采用基于最小二乘的多项式拟合法进行拟合。
作为可选择的实施方式，根据焊缝区域的边缘线确定焊缝中心线过程中，采用二面角求解法得到焊缝中心线。
作为可选择的实施方式，采用二面角求解法得到焊缝中心线的过程包括，将焊缝左侧区域的边缘线中的点与焊缝点相连，作为左向量，将焊缝右侧区域的边缘线中的点与焊缝点相连，作为右向量，根据左向量和右向量采用向量加运算，得到焊缝中心线。
作为可选择的实施方式，根据工件焊缝的三维视觉点云数据确定焊缝位置的过程包括，对三维视觉点云采用基于最小二乘的多项式拟合方法进行拟合，确定焊缝位置。
第二方面，本发明提供一种基于三维视觉的焊枪位姿规划系统，包括：
焊缝位置确定模块，被配置为根据工件焊缝的三维视觉点云数据确定焊缝位置；
焊缝边缘确定模块，被配置为提取焊缝两侧设定范围内的点云，并以此确定焊缝边缘点云；
拟合模块，被配置为对焊缝边缘点云进行拟合，得到焊缝区域的边缘线；
焊枪位姿确定模块，被配置为根据焊缝区域的边缘线确定焊缝中心线，根据焊缝中心线与焊枪轴线的重合，确定焊枪位姿。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出的基于三维视觉的焊枪位姿规划方法及系统，使用三维视觉信息对焊接过程中焊枪姿态进行规划与调整，避免繁琐的人工示教部分，在实现焊枪位姿规划的同时，也实现在焊接过程中对焊枪姿态的实时调整，解决空间曲线焊缝焊接任务的复杂性，提高焊接自动化与焊接效率，且普适性强，适用于多数空间曲线焊缝的焊接。
本发明提出的基于三维视觉的焊枪位姿规划方法及系统，通过合理调整视觉传感器的位姿对工件进行拍摄，根据距离信息提取焊缝散点云，对焊缝散点云进行拟合后，确定焊缝位置；在确定焊缝位置后，提出一种提取固定范围的左右边缘点云的方法，最后通过二面角法提出求解焊缝中心线的方法，以进一步得到焊枪位姿，定位精度高。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的基于三维视觉的焊枪位姿规划方法流程图；
图2为本发明实施例1提供的3D相机拍摄方法示意图；
图3为本发明实施例1提供的确定焊缝点云位置结果示意图；
图4为本发明实施例1提供的焊缝点云x-y坐标示意图；
图5为本发明实施例1提供的焊缝两侧固定范围内的点云提取结果示意图；
图6为本发明实施例1提供的提取固定范围的左右边缘点云方法示意图；
图7为本发明实施例1提供的提取固定范围的左右边缘点云结果示意图；
图8为本发明实施例1提供的拟合固定范围的左右边缘点云结果示意图；
图9(a)-9(b)为本发明实施例1提供的二面角求解法示意图；
图10为本发明实施例1提供的求解得到焊枪位姿结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种基于三维视觉的焊枪位姿规划方法，以进行空间曲线焊缝的焊接，包括：
S1：根据相机结构光特性，对工件进行拍摄，获取工件焊缝的点云，并确定焊缝位置；
本实施例以叶轮叶片焊缝为例，按照如图2所示的拍摄方法，调整3D相机的拍摄位姿，将3D相机拍摄形成的点云中距离3D相机最远的点定位于叶轮叶片的焊缝位置；根据距离信息，提取焊缝的散点云；根据基于最小二乘的多项式拟合方法，对焊缝散点云进行拟合，确定焊缝位置，如图3所示。
优选地，采用的相机为面扫描结构光三维相机。
S2：以焊缝上每个点为中心，根据确定的x轴坐标和y轴坐标的取值范围，提取焊缝两侧固定范围内的点云；
如图4所示，焊缝沿相机y轴方向沿伸，因此，以焊缝上每个点为中心，以y坐标为基准，以±0.2mm为取值范围，确定每个点为中心y方向取值范围；以x坐标为基准，以±5mm为取值范围，确定每个点为中心x方向取值范围；取值后效果如图5所示。
S3：根据已提取的固定范围内的点云，再提取每个固定范围内左右边缘点云；
如图6所示，以中心点x坐标值±5mm分别作为该区域左右边缘x的最大值和最小值，以±0.1mm作为边缘点云x的波动范围；以中心点y的坐标值±0.2mm作为边缘点云y的波动范围，以此选取出的边缘点云如图7所示。
S4：为了适应左右边缘点云散乱的特性，对提取固定范围的左右边缘点云采用基于最小二乘的多项式拟合法进行拟合；
将空间三维曲线每个点的坐标(x,y,z)分为(x,y)和(x,z)两组数据，分别求取两组数据关于x的表达式；具体求解方式如下：
1)设给定一组样本数据集P(x,y)，P内各数据点P(xi,yi)(i＝1,2,3,...,m)来自于对多项式的多次采样；
Figure BDA0003370523680000061
其中，m为样本维度，n为多项式阶数，θj(j＝1,2,3,...,n)为多项式的各项系数。
针对样本数据集P内各数据点的误差平方和为：
Figure BDA0003370523680000071
最小二乘法认为，最优函数的各项系数θj(j＝1,2,3,...,n)应使得误差平方和S取得极小值。
2)使用矩阵法求解多项式；
将误差平方和S拆解为矩阵形式，令：
Figure BDA0003370523680000072
其中，Xv是范德蒙矩阵；
多项式系数构成的系数向量θ为：
Figure BDA0003370523680000073
样本数据集的输出向量Yr为：
Figure BDA0003370523680000074
误差平方和S为：
S＝(Xvθ-Yr)T(Xvθ-Yr)；
对于最优函数，应满足：
Figure BDA0003370523680000081
根据上述公式求得最优函数的多项式系数向量θ为：
Figure BDA0003370523680000082
最后，根据系数向量θ得到关于样本数据集P(x,y)的基于最小二乘的拟合多项式，拟合后的左右边缘点云如图8所示。
S5：根据焊缝区域的边缘线采用二面角求解法求解焊缝中心线，通过焊缝中心线与焊枪轴线的重合，得到焊枪位姿。
如图9(a)-9(b)所示的二面角求解法，将焊缝左侧区域边缘中的点与焊缝点相连，作为左向量，同理，确定右向量；根据向量的加运算，得到焊缝中心线，焊缝中心线与焊枪轴线重合，即可得到焊枪位姿。求解结果如图10所示。
实施例2
本实施例提供一种基于三维视觉的焊枪位姿规划系统，包括：
焊缝位置确定模块，被配置为根据工件焊缝的三维视觉点云数据确定焊缝位置；
焊缝边缘确定模块，被配置为提取焊缝两侧设定范围内的点云，并以此确定焊缝边缘点云；
拟合模块，被配置为对焊缝边缘点云进行拟合，得到焊缝区域的边缘线；
焊枪位姿确定模块，被配置为根据焊缝区域的边缘线确定焊缝中心线，根据焊缝中心线与焊枪轴线的重合，确定焊枪位姿。
此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中所述的步骤，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
在更多实施例中，还提供：
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1中所述的方法。
实施例1中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种基于三维视觉的焊枪位姿规划方法，其特征在于，包括：
根据工件焊缝的三维视觉点云数据确定焊缝位置；
提取焊缝两侧设定范围内的点云，提取焊缝两侧设定范围内的点云的过程包括：以焊缝上每个点为中心点，根据设定的x轴坐标和y轴坐标的取值范围，提取焊缝两侧设定范围内的点云；
进而确定焊缝边缘点云，确定焊缝边缘点云的过程包括：以焊缝两侧设定范围内的点云中的每个点为中心点，根据中心点的x坐标值和y坐标值确定边缘点x坐标值和y坐标值的最大值和最小值，以此筛选焊缝边缘点云；
对焊缝边缘点云进行拟合，得到焊缝区域的边缘线；
对焊缝边缘点云进行拟合的过程中，采用基于最小二乘的多项式拟合法进行拟合；
根据焊缝区域的边缘线确定焊缝中心线，根据焊缝中心线与焊枪轴线的重合，确定焊枪位姿；
根据焊缝区域的边缘线确定焊缝中心线过程中，采用二面角求解法得到焊缝中心线；
所述采用二面角求解法得到焊缝中心线的过程包括：将焊缝左侧区域的边缘线中的点与焊缝点相连，作为左向量，将焊缝右侧区域的边缘线中的点与焊缝点相连，作为右向量，根据左向量和右向量采用向量加运算，得到焊缝中心线。
2.如权利要求1所述的一种基于三维视觉的焊枪位姿规划方法，其特征在于，根据工件焊缝的三维视觉点云数据确定焊缝位置的过程包括，对三维视觉点云采用基于最小二乘的多项式拟合方法进行拟合，确定焊缝位置。
3.一种基于三维视觉的焊枪位姿规划系统，其特征在于，包括：
焊缝位置确定模块，被配置为根据工件焊缝的三维视觉点云数据确定焊缝位置；
焊缝边缘确定模块，被配置为提取焊缝两侧设定范围内的点云，并以此确定焊缝边缘点云；
其中，提取焊缝两侧设定范围内的点云的过程包括：以焊缝上每个点为中心点，根据设定的x轴坐标和y轴坐标的取值范围，提取焊缝两侧设定范围内的点云；确定焊缝边缘点云的过程包括：以焊缝两侧设定范围内的点云中的每个点为中心点，根据中心点的x坐标值和y坐标值确定边缘点x坐标值和y坐标值的最大值和最小值，以此筛选焊缝边缘点云；
拟合模块，被配置为对焊缝边缘点云采用基于最小二乘的多项式拟合法进行拟合，得到焊缝区域的边缘线；
焊枪位姿确定模块，被配置为根据焊缝区域的边缘线，采用二面角求解法确定焊缝中心线，根据焊缝中心线与焊枪轴线的重合，确定焊枪位姿；
其中，所述采用二面角求解法得到焊缝中心线的过程包括：将焊缝左侧区域的边缘线中的点与焊缝点相连，作为左向量，将焊缝右侧区域的边缘线中的点与焊缝点相连，作为右向量，根据左向量和右向量采用向量加运算，得到焊缝中心线。
4.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-2任一项所述的方法。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-2任一项所述的方法。
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