CN115446487A - 工件坡口切割轨迹获取方法、装置、切割方法及切割装置 - Google Patents

工件坡口切割轨迹获取方法、装置、切割方法及切割装置 Download PDF

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CN115446487A CN202211416706.7A CN202211416706A CN115446487A CN 115446487 A CN115446487 A CN 115446487A CN 202211416706 A CN202211416706 A CN 202211416706A CN 115446487 A CN115446487 A CN 115446487A
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Abstract

本发明公开了工件坡口切割轨迹获取方法、装置、切割方法及切割装置，包括步骤：获取待切割工件在切割台上的摆放位置及姿态信息；获取待切割工件的坡口切割线；获取坡口切割线的近似线；基于摆放位置及姿态信息、坡口切割线的近似线信息，获取切割枪的走点轨迹作为工件坡口切割轨迹。本发明可以针对任意曲线的切割路径做切割规划，适用所有种类的工件；视觉定位、工件切割轨迹规划、机器人关节姿态反解可集成一起一次完成，算法可高度集成；机器人上可以不存任何程序，机器人切割的每一个姿态都可在工控机计算完成，机器人只做执行机构，快速适配任意机器人；省去人工示教，实现对新工件快速部署生产，方便生产，提升工作节拍。

Description

工件坡口切割轨迹获取方法、装置、切割方法及切割装置
技术领域
本发明涉及工件定位及切割技术领域，特别涉及一种工件坡口切割轨迹获取方法、装置、切割方法及切割装置。
背景技术
钢板在使用3D视觉引导机器人切坡口软件进行切坡口时，必须依赖机器人端程序。目前，市场上大多数采用激光寻位加工件重定位的方法，机器人端程序只是简单的运动指令和信号指令，均是通过示教或离线编程来生成机器人端程序。针对不同的工件、不同的位置，每次都需要离线编程。此外，在切坡口程序运行前，需要示教寻位，无法自动给出工件的位姿信息。现有技术具体如下：
1、常用的方式：实际生产工位上，每种工件都需要根据工件切割要求人工示教切割点位，编写切割程序，不同的零件对应了机器人端不同的切割程序。
2、使用仿真软件1:1建模工件和生产场景，在离线环境中根据切割要求示教编写切割程序，然后将程序导入机器人端。
3、工件的前端上料到切割台，工件的放置位置、姿态和初始示教的位置、姿态有偏差。常用的求偏方式有激光寻位或接触式寻位，原理是根据工件的几何外形结构找到工件的特殊点位求偏，但是，对于异形件，上述两种求偏寻位方法无法寻位求偏。另有一种机械式的校正方法，在工件放置到切割台之前，添加一个牛眼工作平台，利用重力效应，让工件自然滑落碰触平台的边框，自然对齐，采用该方式，每种工件放置于牛眼平台及对应的抓取位置仍要人工示教，且依旧对部分异形件不能适用。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种工件坡口切割轨迹获取方法、装置、切割方法及切割装置，用于至少解决上述现有技术问题之一，能够高效自动搜寻工件的切割边，计算切割线和切割轨迹。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：
一种工件坡口切割轨迹获取方法，其特点是包括以下步骤：
步骤1，获取待切割工件在切割台上的摆放位置及姿态信息；
步骤2，获取待切割工件的坡口切割线；
步骤3，连接所述坡口切割线的首尾两端点获得一线段AB；计算所述坡口切割线上距离所述线段AB最远的点C距AB的距离d；若d小于或等于预设阈值，则将该线段AB作为坡口切割线的近似线；否则，利用点C作为分割点将所述坡口切割线分隔成两段新的坡口切割线；
步骤4，对新获得的坡口切割线执行步骤3，直至坡口切割线上的点距离连接坡口切割线两端点的线段的距离均小于或等于预设阈值；
步骤5，依次连接坡口切割线的一端点、各个分割点、坡口切割线的另一端点，将获得的折线作为坡口切割线的近似线；
步骤6，基于步骤1中的摆放位置及姿态信息，步骤5中的坡口切割线的近似线信息，获取切割枪的走点轨迹作为工件坡口切割轨迹。
作为一种优选方式，所述步骤2包括：
步骤201，计算待切割工件的每条切割边的切割偏移T；
步骤202，基于切割偏移T，获取待切割工件的每条切割边对应的切割线；
步骤203，合并各切割线后获得待切割工件的坡口切割线。
作为一种优选方式，所述步骤202中，针对不同的切割边，按照以下规则获取对应的切割线：
若切割边为线段，则将切割边所在的线段往其法向量方向平移T后，获得切割边对应的切割线；
若切割边为圆，则将切割边所在的圆的半径增加T后，获得切割边对应的切割线；
若切割边为圆弧且切割边上的点在工件内部，则将圆弧对应的半径增加T后，获得切割边对应的切割线；
若切割边为圆弧且切割边上的点不在工件内部，则将圆弧对应的半径减小T后，获得切割边对应的切割线。
作为一种优选方式，所述步骤203中，针对相交的两切割线的不同情况，按照以下规则合并相交的两切割线：
若相交的两切割线均为圆弧，或者相交的两切割线中一条为圆弧，另一条为线段，则直接连接两切割线；
若相交的两切割线均为线段，则执行下述过程：
获得从以两切割线的交点为起始点以工件质心为终点的第一向量；
针对每一条切割线，获得以两切割线的交点为起始点以切割线的一端点为终点的第二向量，以两切割线的交点为起始点以切割线的另一端点为终点的第三向量；求取第一向量与第二向量的第一夹角、第一向量与第三向量的第二夹角；若第一夹角为钝角则剔除切割线上第一向量对应的线段且保留第二向量对应的线段，若第二夹角为钝角则剔除切割线上第二向量对应的线段且保留第一向量对应的线段；
连接两切割线上保留的线段。
作为一种优选方式，所述步骤6包括：
步骤601，基于待切割工件模板文件信息，待切割工件在切割台上的摆放位置及姿态信息，获取待切割工件从模板文件到切割台的旋转角度及中心平移量；
步骤602，利用所述旋转角度对步骤5中的坡口切割线的近似线进行旋转，并利用所述中心平移量对步骤5中的坡口切割线的近似线进行平移，获得近似线在切割机器人坐标系中的位置；
步骤603，基于近似线在切割机器人坐标系中的位置信息，获取切割枪的走点轨迹。
作为一种优选方式，所述步骤603中，针对近似线中的每一折线段，切割枪的切割姿态垂直于切割边且与工件平面间的夹角为坡口切割的切割角度。
基于同一个发明构思，本发明还提供了一种工件坡口切割轨迹获取装置，其特点是包括：
摆放位置及姿态信息获取模块：用于获取待切割工件在切割台上的摆放位置及姿态信息；
坡口切割线获取模块：用于获取待切割工件的坡口切割线；
坡口切割线近似线获取模块：用于基于下述规则获取坡口切割线近似线：连接所述坡口切割线的首尾两端点获得一线段AB；计算所述坡口切割线上距离所述线段AB最远的点C距AB的距离d；若d小于或等于预设阈值，则将该线段AB作为坡口切割线的近似线；否则，利用点C作为分割点将所述坡口切割线分隔成两段新的坡口切割线；重复上述过程，直至坡口切割线上的点距离连接坡口切割线两端点的线段的距离均小于或等于预设阈值；依次连接坡口切割线的一端点、各个分割点、坡口切割线的另一端点，将获得的折线作为坡口切割线的近似线；
工件坡口切割轨迹获取模块：用于基于切割工件在切割台上的摆放位置及姿态信息，坡口切割线的近似线信息，获取切割枪的走点轨迹作为工件坡口切割轨迹。
基于同一个发明构思，本发明还提供了一种工件坡口切割方法，其特点是基于所述的工件坡口切割轨迹获取方法获取的工件坡口切割轨迹，对待切割工件进行坡口切割。
作为一种优选方式，利用切割机器人对待切割工件进行坡口切割，其中切割机器人的关节姿态通过下述方法确定：
定义切割机器人的切割枪头所在的坐标系；
在机器人关节位置在切割机器人坐标系中均为0时，标定切割枪头所在的坐标系相对于切割机器人坐标系的其次转换矩阵
Figure 984685DEST_PATH_IMAGE001
；
切割枪头运动到工件坡口切割轨迹上某点P时，机器人的关节姿态通过以下公式确定：
Figure 499980DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 16412DEST_PATH_IMAGE003
表示点P处切割枪头所在的坐标系相对于切割机器人坐标系的目标其次转换矩阵，
Figure 591750DEST_PATH_IMAGE004
表示机器人的各关节的6维旋量轴，
Figure 928054DEST_PATH_IMAGE005
表示机器人的各关节的以弧度为单位的位置，
Figure 247040DEST_PATH_IMAGE006
表示
Figure 617978DEST_PATH_IMAGE007
对应的满足李代数se3的4×4矩阵；
通过公式
Figure 364217DEST_PATH_IMAGE008
求解
Figure 922237DEST_PATH_IMAGE009
，获得切割枪头运动到工件坡口切割轨迹上某点P时切割机器人的关节姿态。
基于同一个发明构思，本发明还提供了一种工件坡口切割装置，其特点是包括切割枪以及所述的工件坡口切割轨迹获取装置，所述切割枪基于所述工件切口切割轨迹获取模块获取的最终的工件切口切割轨迹对待切割工件进行坡口切割。
与现有技术相比，本发明可以针对任意曲线的切割路径做切割规划，泛用性广，适用所有种类的工件；视觉定位、工件切割轨迹规划、机器人关节姿态反解可集成一起一次完成，算法可高度集成；对机器人没有要求，机器人上可以不存任何程序，机器人切割的每一个姿态都可在工控机计算完成，机器人只做执行机构，对机器人的依赖度不高，快速适配任意机器人；省去人工示教，实现对新工件快速部署生产，方便生产，提升工作节拍。
附图说明
图1为工件坡口切割线的近似线获取原理图。
图2为工件切割偏移计算原理图。
图3为根据不同切割边确定对应的切割线原理图。图3（a）中，切割边为线段；图3（b）中，切割边为圆；图3（c）中，切割边为为圆弧且切割边上的点在工件内部。
图4为相交的两切割线均为线段时相邻切割线合并原理图。
图5为待切割工件从模板文件到切割台的旋转变化及中心变化示意图。图5（a）为待切割工件模板文件示意图；图5（b）为待切割工件在切割台的示意图。
图6为切割枪目标切割姿态获取原理图。其中，图6（a）为坡口角度旋转示意图；图6（b）为图6（a）的俯视图。
图7为工件坡口切割方法一实施例的简要流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
本发明应用于钢板工件的坡口切割加工，也可用于工件打磨、焊接等。
本发明可实现以下技术效果：对于任何一种工件，任意形状的工件，通过切割台上方安装一个相机模块（如3D相机等），使用视觉识别的方式，自动求取工件的放置位置和姿态，并能根据设置的工件切割要求，自动搜寻工件的切割边，计算切割线，坡口切割角度。机器人切割工件的轨迹完全由前端给出，机器人上无任何切割程序，高效，自动无人化。
本发明实施例的第一方面提供了一种工件坡口切割轨迹获取方法，包括以下步骤：
步骤1，获取待切割工件在切割台上的摆放位置及姿态信息。
步骤2，获取待切割工件的坡口切割线。
步骤3，连接所述坡口切割线的首尾两端点获得一线段AB；计算所述坡口切割线上距离所述线段AB最远的点C距AB的距离d；若d小于或等于预设阈值，则将该线段AB作为坡口切割线的近似线；否则，利用点C作为分割点将所述坡口切割线分隔成两段新的坡口切割线。
步骤4，对新获得的坡口切割线执行步骤3，直至坡口切割线上的点距离连接坡口切割线两端点的线段的距离均小于或等于预设阈值。
步骤5，依次连接坡口切割线的一端点、各个分割点、坡口切割线的另一端点，将获得的折线作为坡口切割线的近似线。其中，工件坡口切割线的近似线获取原理图如图1所示。
步骤6，基于步骤1中的摆放位置及姿态信息，步骤5中的坡口切割线的近似线信息，获取切割枪的走点轨迹作为工件坡口切割轨迹。
步骤1中，优选但不限于采用3D相机视觉识别定位待切割工件在切割台上的摆放位置及姿态信息，具体可包括：
使用眼在手外的3D相机拍照获取切割台上待切割工件的点云图，分割点云，得到点云分层图。对每一块分割出来的点云求取法向量，以法向量校正该部分点云为水平放置，以此得到大小和模板1:1的点云俯视图，再使用模板匹配识别定位工件，最后将结果转换回原始点云空间，计算得到待切割工件在切割台上的摆放位置及姿态信息。
作为一种优选方式，所述步骤2包括：
步骤201，计算待切割工件的每条切割边的切割偏移T。在一些优选实施例中，通过以下方法计算切割偏移T：
待切割工件的切割信息包括：工件待切割的是哪几条边以及切割时坡口的切割角度（坡口角度），钝边厚度，工件的厚度（板厚）。如图2所示，根据钝边厚度，坡口角度及板厚可以推断每条切割边的切割偏移的具体数值T。
步骤202，基于切割偏移T，获取待切割工件的每条切割边对应的切割线。
步骤203，合并各切割线后，获得待切割工件的最终的坡口切割线。
作为一种优选方式，如图3所述，所述步骤202中，针对不同的切割边，按照以下规则获取对应的切割线：
若切割边为线段，则将切割边所在的线段往其法向量方向平移T后，获得切割边对应的切割线；
若切割边为圆，由于完整的圆只在工件的内部，则将切割边所在的圆的半径增加T至R+T后，获得切割边对应的切割线；
若切割边为圆弧且切割边上的点在工件内部，则将圆弧对应的半径增加T至R+T后，获得切割边对应的切割线；
若切割边为圆弧且切割边上的点不在工件内部，则将圆弧对应的半径减小T至R-T后，获得切割边对应的切割线。
步骤202中，获取得到多条切割线，需要将相交的切割线合并为一条。除圆以外，弧线和直线，直线和直线之间有部分切割线存在相交情况。其中：圆弧与圆弧，圆弧与直线只在线的末端存在交点，直接相连即可，直线与直线相交的情况则需要特殊处理。因此，作为一种优选方式，所述步骤203中，针对相交的两切割线的不同情况，按照以下规则合并相交的两切割线：
若相交的两切割线均为圆弧，或者相交的两切割线中一条为圆弧，另一条为线段，则直接连接两切割线。
如图4所示，若相交的两切割线均为线段，则执行下述过程：
获得从以两切割线的交点为起始点以工件质心为终点的第一向量。
针对每一条切割线，获得以两切割线的交点为起始点以切割线的一端点为终点的第二向量，以两切割线的交点为起始点以切割线的另一端点为终点的第三向量；求取第一向量与第二向量的第一夹角、第一向量与第三向量的第二夹角；若第一夹角为钝角则剔除切割线上第一向量对应的线段且保留第二向量对应的线段，若第二夹角为钝角则剔除切割线上第二向量对应的线段且保留第一向量对应的线段。
连接两切割线上保留的线段。
如图4所示，以竖直的切割线线段为例，指向上方的为第二向量，指向下方的为第三向量，第一向量与第二向量间的第一夹角间的夹角为钝角，第一向量与第三向量间的第二夹角间的夹角为钝角，因此，剔除竖直切割线上第一向量对应的线段（即交点上方的线段）且保留第二向量对应的线段（即交点下方的线段）。同理，对于水平的切割线线段，剔除水平切割线上第一向量对应的线段（即交点右方的线段）且保留第二向量对应的线段（即交点左方的线段）。
如图5所示，基于步骤1中的摆放位置及姿态信息，步骤5中的坡口切割线的近似线信息，通过旋转变化和位移变化，可将近似线信息同步到当前的切割机器人坐标系中，实现流程如下：
（1）坡口切割中工件水平放置，即是一个二维平面。工件的位置姿态，转换为工件的中心位置和工件相对于模板文件的旋转角度。图5(a)中外框代表工件，图5(a)框内折线表示切割线，O代表工件的中心。其中折线上每一个点到O点的都有一个x,y的偏差，整条折线到O点的偏差集合为{(x1,y1),(x2,y2)...}。图5(b)中切割台上放置相同的工件，并有工件的中心位置和旋转角度，利用如下公式可以将图5(a)中折线上的每一个点转换到图5（b）中折线位置。其中，θ是工件的旋转角度，tx,ty是工件从模板中心到切割台上工件中心的移动量。
Figure 44914DEST_PATH_IMAGE010
（2）对坡口切割线的近似线的每条微小线段求切割枪的空间姿态：切割枪的切割姿态需要硬性满足垂直于切割边，与工件平面夹角为坡口切割的切割角度。以工件的单位法向量为切割枪垂直切割工件的基础姿态，此时坡口角度为90°，坡口角度30°、45°或者60°等等其他的角度在此基础上以切割边为旋转轴，旋转对应角度得到目标切割姿态。处理原理见图6。
旋转轴为u，向量v绕u旋转θ 度。为了便于计算，规定u是一个单位向量，即
Figure 270359DEST_PATH_IMAGE011
。向量v与u正交，v沿着u旋转θ 度，变换到v′。因为v和u正交，这个旋转可以看做是平面内的一个旋转。因为旋转不改变v的长度，所以路径是一个圆。图6（a）是旋转示意图，图6（b）为图6（a）的俯视图。
见图6（b），3D的旋转转化为了2D平面上的旋转。由于在这个平面只有一个向量v，用它来表示一个旋转是不够的，需要构造一个同时正交于u和v的向量w，可以通过叉乘来获得：
Figure 187500DEST_PATH_IMAGE012
Figure 498395DEST_PATH_IMAGE013
也就是说，w和v的模长是相同的，因此，w也位于圆上。
有了这个新的向量w，在平面内就有了两个坐标轴。可以把v′投影到w和v上，将其分解为vv′和vw′。用三角知识得到：
Figure 943806DEST_PATH_IMAGE014
由此，对近似线的每条微小直线求取切割枪的姿态及插补定值点位，求得机器人末端切割枪的走点轨迹。
基于同一个发明构思，本发明实施例的第二方面提供了一种工件坡口切割轨迹获取装置，其包括：
摆放位置及姿态信息获取模块：用于获取待切割工件在切割台上的摆放位置及姿态信息；
坡口切割线获取模块：用于获取待切割工件的坡口切割线；
坡口切割线近似线获取模块：用于基于下述规则获取坡口切割线近似线：连接所述坡口切割线的首尾两端点获得一线段AB；计算所述坡口切割线上距离所述线段AB最远的点C距AB的距离d；若d小于或等于预设阈值，则将该线段AB作为坡口切割线的近似线；否则，利用点C作为分割点将所述坡口切割线分隔成两段新的坡口切割线；重复上述过程，直至坡口切割线上的点距离连接坡口切割线两端点的线段的距离均小于或等于预设阈值；依次连接坡口切割线的一端点、各个分割点、坡口切割线的另一分割点，将获得的折线作为坡口切割线的近似线；
工件坡口切割轨迹获取模块：用于基于切割工件在切割台上的摆放位置及姿态信息，坡口切割线的近似线信息，获取切割枪的走点轨迹作为工件坡口切割轨迹。
上述摆放位置及姿态信息获取模块、坡口切割线获取模块、坡口切割线近似线获取模块、工件坡口切割轨迹获取模块用于实现上述工件坡口切割轨迹获取方法。
基于同一个发明构思，本发明实施例的第三方面提供了一种工件坡口切割方法，其特点是基于所述的工件坡口切割轨迹获取方法获取的工件坡口切割轨迹，对待切割工件进行坡口切割。
作为一种优选方式，利用切割机器人，对该机器人进行关节姿态反解后，对待切割工件进行坡口切割。该实施例中所述的工件坡口切割方法简要流程图如图7所示，其主要包括：视觉识别待切割工件在切割台上的摆放位置及姿态信息；对待切割工件的切割数据进行解析加工，获得待切割工件坡口切割线的近似线；对切割线的近似线进行处理，获得机器人切割轨迹；机械人关节姿态反解；将机械人关节姿态发送至机器人；机械人基于关节姿态对工件执行坡口切割动作。
其中，切割机器人的关节姿态反解优选但不限于通过下述方法确定：
（1）定义切割机器人的切割枪头所在的坐标系；包括定义切割枪头所在的坐标系的坐标系原点位置和坐标轴方向。
（2）在机器人关节位置在切割机器人坐标系中均为0时，标定切割枪头所在的坐标系相对于切割机器人坐标系的其次转换矩阵
Figure 758178DEST_PATH_IMAGE015
，即标定出切割枪头所在的坐标系相对于切割机器人坐标系的位置和旋转姿态。
（3）假设机器人经过一定的运动可以将切割枪头的位姿从
Figure 111799DEST_PATH_IMAGE015
变换为
Figure 644412DEST_PATH_IMAGE016
，即，切割枪头运动到工件坡口切割轨迹上某点P时，可以通过采用指数积（Product ofExponential）来表示机器人运动的方式得到下面的公式，机器人的关节姿态通过以下公式确定：
Figure 108891DEST_PATH_IMAGE017
其中，
Figure 43349DEST_PATH_IMAGE016
表示点P处切割枪头所在的坐标系相对于切割机器人坐标系的目标其次转换矩阵，
Figure 567871DEST_PATH_IMAGE018
表示机器人的各关节的6维旋量轴（Screw Axis），
Figure 587780DEST_PATH_IMAGE019
表示机器人的各关节的以弧度为单位的位置，
Figure 855950DEST_PATH_IMAGE020
表示
Figure 644915DEST_PATH_IMAGE021
对应的满足李代数se3的4×4矩阵；
通过公式
Figure 74759DEST_PATH_IMAGE022
求解
Figure 847543DEST_PATH_IMAGE023
，获得切割枪头运动到工件坡口切割轨迹上某点P时切割机器人的关节姿态。
本发明中，求解每个关节位置的所有可能解优选但不限于采用下述方式求解：
（4）求解
Figure 155290DEST_PATH_IMAGE024
① 先对公式
Figure 798761DEST_PATH_IMAGE025
进行简单的变形，可以得到：
Figure 665085DEST_PATH_IMAGE026
② 在上述等式的两边同时乘以机器人第4，5，6关节的旋转轴的交点（用
Figure 659586DEST_PATH_IMAGE027
表示）：
Figure 269559DEST_PATH_IMAGE028
③ 由于
Figure 33116DEST_PATH_IMAGE027
是机器人第4，5，6关节的旋转轴的交点，所以机器人第4，5，6轴的动作不会对
Figure 804763DEST_PATH_IMAGE027
的数值产生任何影响。那么，可以将上式简化成：
Figure 552139DEST_PATH_IMAGE029
④ 定义一个新的变量
Figure 700223DEST_PATH_IMAGE030
：
Figure 318287DEST_PATH_IMAGE031
⑤ 由于
Figure 526414DEST_PATH_IMAGE032
等于
Figure 229928DEST_PATH_IMAGE027
围绕切割机器人坐标系的的z轴（即
Figure 181703DEST_PATH_IMAGE033
）的的旋转角度，则
Figure 421317DEST_PATH_IMAGE032
可以通过下式求得：
Figure 800346DEST_PATH_IMAGE034
（5）求解
Figure 991156DEST_PATH_IMAGE035
① 由于已经求出，可以由
Figure 481043DEST_PATH_IMAGE036
得到：
Figure 339277DEST_PATH_IMAGE037
其中，上述等式右边都是已知量。
② 在第2关节的旋转轴上找到一个点（用
Figure 889207DEST_PATH_IMAGE038
来表示），将上述的等式两边同时减去
Figure 301734DEST_PATH_IMAGE038
：
Figure 595312DEST_PATH_IMAGE039
③ 由于
Figure 42474DEST_PATH_IMAGE040
在第2关节的旋转轴上，所以第2关节的运动不会对
Figure 28885DEST_PATH_IMAGE041
的数值产生影响。那么，可以得到：
Figure 194287DEST_PATH_IMAGE042
④ 由于第2关节是旋转关节，而旋转的动作不会影响两个点之间的相对距离。那么，可以得到：
Figure 291556DEST_PATH_IMAGE043
⑤
Figure 94689DEST_PATH_IMAGE044
的值可以由下列公式求出：
Figure 986422DEST_PATH_IMAGE045
Figure 639120DEST_PATH_IMAGE046
Figure 274501DEST_PATH_IMAGE047
其中，
Figure 696255DEST_PATH_IMAGE048
是在第三关节旋转轴上的一点，
Figure 758889DEST_PATH_IMAGE049
是第3关节的旋转正方向。
（6）求解
Figure 898883DEST_PATH_IMAGE050
① 现在已经求出了
Figure 72375DEST_PATH_IMAGE035
的值。在定义
Figure 348636DEST_PATH_IMAGE051
和
Figure 847750DEST_PATH_IMAGE052
之后，可以由
Figure 209462DEST_PATH_IMAGE053
得到：
Figure 186645DEST_PATH_IMAGE054
②
Figure 344176DEST_PATH_IMAGE055
的值可以由下列公式求出：
Figure 748612DEST_PATH_IMAGE056
其中，
Figure 332040DEST_PATH_IMAGE057
是在第二关节旋转轴上的一点，
Figure 378494DEST_PATH_IMAGE058
是第2关节的旋转正方向。
（7）求解
Figure 629347DEST_PATH_IMAGE059
和
Figure 204684DEST_PATH_IMAGE060
① 现在已经求出了
Figure 275409DEST_PATH_IMAGE061
、
Figure 859974DEST_PATH_IMAGE062
和
Figure 965333DEST_PATH_IMAGE063
。那么，由
Figure 711572DEST_PATH_IMAGE064
可以得到：
Figure 535172DEST_PATH_IMAGE065
上述等式的右侧都是已知量。
② 找到一个点
Figure 657848DEST_PATH_IMAGE066
，使得
Figure 883293DEST_PATH_IMAGE066
在第6关节的旋转轴上，但不在第5关节的旋转轴上。在上式的等式两边同时乘以
Figure 301899DEST_PATH_IMAGE066
，可以得到：
Figure 612794DEST_PATH_IMAGE067
③ 由于
Figure 273583DEST_PATH_IMAGE066
在第6关节的旋转轴上，所以第6关节的运动不会对
Figure 353534DEST_PATH_IMAGE068
的数值产生影响。那么，可以得到：
Figure 441576DEST_PATH_IMAGE069
④ 定义
Figure 239768DEST_PATH_IMAGE070
，则可以将上式重写为：
Figure 704247DEST_PATH_IMAGE071
⑤ 定义
Figure 638705DEST_PATH_IMAGE072
为第4和第5关节的旋转轴的交点，并且用
Figure 163227DEST_PATH_IMAGE073
和
Figure 183136DEST_PATH_IMAGE074
表示第4和第5关节的旋转轴正方向，则
Figure 451306DEST_PATH_IMAGE075
和
Figure 240271DEST_PATH_IMAGE076
的值可以由以下公式求出：
Figure 437159DEST_PATH_IMAGE077
a. 当
Figure 944364DEST_PATH_IMAGE078
时，无解。
b. 当
Figure 750646DEST_PATH_IMAGE079
时，有一组
Figure 394117DEST_PATH_IMAGE075
和
Figure 526021DEST_PATH_IMAGE076
的解。
a）首先定义
Figure 254942DEST_PATH_IMAGE080
b）定义
Figure 864915DEST_PATH_IMAGE081
为第4关节的旋转轴上的一点，则
Figure 362893DEST_PATH_IMAGE075
的值可以由
Figure 665698DEST_PATH_IMAGE082
求出：
Figure 881916DEST_PATH_IMAGE083
c. 当
Figure 30000DEST_PATH_IMAGE084
时，有两组
Figure 913643DEST_PATH_IMAGE075
和
Figure 121770DEST_PATH_IMAGE076
的解。
a）定义
Figure 326749DEST_PATH_IMAGE085
和
Figure 278524DEST_PATH_IMAGE086
Figure 16673DEST_PATH_IMAGE087
b）第一组
Figure 395702DEST_PATH_IMAGE075
和
Figure 586512DEST_PATH_IMAGE076
的解可以分别由
Figure 76399DEST_PATH_IMAGE088
和
Figure 934633DEST_PATH_IMAGE089
来解出：
c）第二组
Figure 218984DEST_PATH_IMAGE075
和
Figure 897090DEST_PATH_IMAGE076
的解可以分别由
Figure 190668DEST_PATH_IMAGE090
和
Figure 903409DEST_PATH_IMAGE091
来解出：
Figure 624241DEST_PATH_IMAGE092
（8）求解
Figure 524064DEST_PATH_IMAGE093
① 由
Figure 116938DEST_PATH_IMAGE094
可以得到：
Figure 684186DEST_PATH_IMAGE095
上述的等式的右边都是已知量。
② 定义
Figure 575918DEST_PATH_IMAGE096
为在第6关节的旋转轴上的一点，
Figure 963037DEST_PATH_IMAGE097
为不在第6关节的旋转轴上的一个点，并且定义
Figure 863997DEST_PATH_IMAGE098
。那么，
Figure 285751DEST_PATH_IMAGE093
的值可以从
Figure 348385DEST_PATH_IMAGE099
解出：
Figure 488380DEST_PATH_IMAGE100
基于同一个发明构思，本发明实施例的第四方面提供了一种工件坡口切割装置，其包括切割枪以及所述的工件坡口切割轨迹获取装置，所述切割枪基于所述工件切口切割轨迹获取模块获取的最终的工件切口切割轨迹对待切割工件进行坡口切割。
上述第一图像采集模块、预处理模块、获取模块、粗定位信息计算模块、第二图像采集模块、第一转换矩阵计算模块、精定位信息计算模块、抓取位姿计算模块用于实现上述无边框钢板工件分拣抓取位姿计算方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、算法高度集成化：视觉定位，工件切割轨迹规划，机器人关节姿态反解集成一起一次完成。
2、适配任何机器人：对于机器人没有要求，机器人上不存任何程序，机器人切割的每一个姿态，都在工控机计算完成，机器人只做执行机构。
3、泛用性广，适用所有种类的工件：切割路径规划无视切割线的类型，任意曲线切割路径都可以做切割规划。
4、省去人工示教，及对新工件快速部署生产，方便生产，提升节拍。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述系统的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，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发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的方法和系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种工件坡口切割轨迹获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，获取待切割工件在切割台上的摆放位置及姿态信息；
步骤2，获取待切割工件的坡口切割线；
步骤3，连接所述坡口切割线的首尾两端点获得一线段AB；计算所述坡口切割线上距离所述线段AB最远的点C距AB的距离d；若d小于或等于预设阈值，则将该线段AB作为坡口切割线的近似线；否则，利用点C作为分割点将所述坡口切割线分隔成两段新的坡口切割线；
步骤4，对新获得的坡口切割线执行步骤3，直至坡口切割线上的点距离连接坡口切割线两端点的线段的距离均小于或等于预设阈值；
步骤5，依次连接坡口切割线的一端点、各个分割点、坡口切割线的另一端点，将获得的折线作为坡口切割线的近似线；
步骤6，基于步骤1中的摆放位置及姿态信息，步骤5中的坡口切割线的近似线信息，获取切割枪的走点轨迹作为工件坡口切割轨迹。
2.根据权利要求1所述的工件坡口切割轨迹获取方法，其特征在于，所述步骤2包括：
步骤201，计算待切割工件的每条切割边的切割偏移T；
步骤202，基于切割偏移T，获取待切割工件的每条切割边对应的切割线；
步骤203，合并各切割线后获得待切割工件的坡口切割线。
3.根据权利要求2所述的工件坡口切割轨迹获取方法，其特征在于，所述步骤202中，针对不同的切割边，按照以下规则获取对应的切割线：
若切割边为线段，则将切割边所在的线段往其法向量方向平移T后，获得切割边对应的切割线；
若切割边为圆，则将切割边所在的圆的半径增加T后，获得切割边对应的切割线；
若切割边为圆弧且切割边上的点在工件内部，则将圆弧对应的半径增加T后，获得切割边对应的切割线；
若切割边为圆弧且切割边上的点不在工件内部，则将圆弧对应的半径减小T后，获得切割边对应的切割线。
4.根据权利要求2所述的工件坡口切割轨迹获取方法，其特征在于，所述步骤203中，针对相交的两切割线的不同情况，按照以下规则合并相交的两切割线：
若相交的两切割线均为圆弧，或者相交的两切割线中一条为圆弧，另一条为线段，则直接连接两切割线；
若相交的两切割线均为线段，则执行下述过程：
获得从以两切割线的交点为起始点以工件质心为终点的第一向量；
针对每一条切割线，获得以两切割线的交点为起始点以切割线的一端点为终点的第二向量，以两切割线的交点为起始点以切割线的另一端点为终点的第三向量；求取第一向量与第二向量的第一夹角、第一向量与第三向量的第二夹角；若第一夹角为钝角则剔除切割线上第一向量对应的线段且保留第二向量对应的线段，若第二夹角为钝角则剔除切割线上第二向量对应的线段且保留第一向量对应的线段；
连接两切割线上保留的线段。
5.根据权利要求1所述的工件坡口切割轨迹获取方法，其特征在于，所述步骤6包括：
步骤601，基于待切割工件模板文件信息，待切割工件在切割台上的摆放位置及姿态信息，获取待切割工件从模板文件到切割台的旋转角度及中心平移量；
步骤602，利用所述旋转角度对步骤5中的坡口切割线的近似线进行旋转，并利用所述中心平移量对步骤5中的坡口切割线的近似线进行平移，获得近似线在切割机器人坐标系中的位置；
步骤603，基于近似线在切割机器人坐标系中的位置信息，获取切割枪的走点轨迹。
6.根据权利要求5所述的工件坡口切割轨迹获取方法，其特征在于，所述步骤603中，针对近似线中的每一折线段，切割枪的切割姿态垂直于切割边且与工件平面间的夹角为坡口切割的切割角度。
7.一种工件坡口切割轨迹获取装置，其特征在于，包括：
摆放位置及姿态信息获取模块：用于获取待切割工件在切割台上的摆放位置及姿态信息；
坡口切割线获取模块：用于获取待切割工件的坡口切割线；
坡口切割线近似线获取模块：用于基于下述规则获取坡口切割线近似线：连接所述坡口切割线的首尾两端点获得一线段AB；计算所述坡口切割线上距离所述线段AB最远的点C距AB的距离d；若d小于或等于预设阈值，则将该线段AB作为坡口切割线的近似线；否则，利用点C作为分割点将所述坡口切割线分隔成两段新的坡口切割线；重复上述过程，直至坡口切割线上的点距离连接坡口切割线两端点的线段的距离均小于或等于预设阈值；依次连接坡口切割线的一端点、各个分割点、坡口切割线的另一端点，将获得的折线作为坡口切割线的近似线；
工件坡口切割轨迹获取模块：用于基于切割工件在切割台上的摆放位置及姿态信息，坡口切割线的近似线信息，获取切割枪的走点轨迹作为工件坡口切割轨迹。
8.一种工件坡口切割方法，其特征在于，基于权利要求1至6任一项所述的工件坡口切割轨迹获取方法获取的工件坡口切割轨迹，对待切割工件进行坡口切割。
9.根据权利要求8所述的工件坡口切割方法，其特征在于，利用切割机器人对待切割工件进行坡口切割，其中切割机器人的关节姿态通过下述方法确定：
定义切割机器人的切割枪头所在的坐标系；
在机器人关节位置在切割机器人坐标系中均为0时，标定切割枪头所在的坐标系相对于切割机器人坐标系的其次转换矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
切割枪头运动到工件坡口切割轨迹上某点P时，机器人的关节姿态通过以下公式确定：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表示点P处切割枪头所在的坐标系相对于切割机器人坐标系的目标其次转换矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表示机器人的各关节的6维旋量轴，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示机器人的各关节的以弧度为单位的位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表示
Figure DEST_PATH_IMAGE007
对应的满足李代数se3的4×4矩阵；
通过公式
Figure DEST_PATH_IMAGE008
求解
Figure 727912DEST_PATH_IMAGE009
，获得切割枪头运动到工件坡口切割轨迹上某点P时切割机器人的关节姿态。
10.一种工件坡口切割装置，其特征在于，包括切割枪以及如权利要求7所述的工件坡口切割轨迹获取装置，所述切割枪基于所述工件切口切割轨迹获取模块获取的最终的工件切口切割轨迹对待切割工件进行坡口切割。
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