CN1586833A - 焊接机器人单目视觉传感器及其手－眼关系快速标定方法 - Google Patents

Abstract

一种用于焊接切割领域的焊接机器人单目视觉传感器及其手－眼关系快速标定方法，传感器的微型CCD摄像机、减光及滤光系统及电机驱动系统设置在安装支架上，减光及滤光系统中，减光镜片及滤光镜片重叠设置在镜片支架上，通过活动连杆与驱动臂相连接；电机驱动系统的驱动电机与减速装置连接，减光及滤光系统的驱动臂直接与减速装置输出轴相连。本发明通过在对摄像机内外参数标定同时，将世界坐标系与机器人本体坐标系重合的方法，在标定摄像机内外参数的同时，根据同一坐标在两个以上的坐标系下的坐标变换关系，将摄像机外参数在世界坐标系下的表示，转换为在焊接机器人末端控制点坐标系下来表示，完成焊接机器人的手眼关系标定。

Description

焊接机器人单目视觉传感器及其手-眼关系快速标定方法

技术领域

本发明涉及一种焊接机器人视觉传感器及其标定方法，具体是一种焊接机器人单目视觉传感器及其手-眼关系快速标定方法。用于焊接切割领域。

背景技术

目前，应用于焊接机器人上的传感方式多种多样，在这些传感方法之中，由于视觉传感方式具有信息量大、非接触、快速、高精度及自动化程度高等优点，受到广大焊接工作者的喜爱，目前已成为机器人焊接传感器方面的研究热点。视觉传感技术在焊接机器人上应用较多的是进行焊缝视觉跟踪及熔透控制等焊接过程智能控制方面的研究。目前国内外研究比较成熟的是采用激光或者结构光的视觉传感方式，这种传感方式需要外加特定的光源，存在着信息量不够丰富、功能单一、体积较大等不足之处。而对于焊接机器人进行路径导引控制时，常常采用手-眼视觉配置方式，这时对于焊接机器人的手-眼关系标定是关键环节。

经对现有技术文献检索分析，发现孙振国等人在《光学技术》(2001，Vol27，No.3：252-254，259)上发表的“新型智能球罐焊接机器人视觉传感器的研究”，该文献为实现智能球罐焊接机器人的自主运动与焊缝自动跟踪，研制了一种新型视觉传感器。该传感器以高分辨率线阵CCD芯片为核心，由光源、滤光片、透镜等光学系统及CCD驱动电路、光电信号处理电路等组成，其中光电处理电路全部由硬件实现。整个视觉传感系统可以避免焊接时弧光的干扰，实时、准确地检测出焊缝轨迹线偏差信号，但是需要外加特定光源，结构复杂，并且滤光片固定在摄像机前端不能移动，无法满足在自然光条件下使用。

检索中还发现，王敏等人在《华中科技大学学报》2001，Vol29，NO.3：45-47)上发表的“空间物体定位的机器人手眼视觉标定方法”，该文献提出了一种用于空间物体定位的机器人手-眼视觉标定新方法，采用一恒定变换矩阵描述末端执行器坐标系与机器人坐标系的对应关系，并假定在标定过程中，物体至摄像机的距离保持不变，将三维定位的问题简化为二维问题处理，极大地减少了计算量。该方法具有定位准确、可靠性高等优点，但是也存在着在标定过程中需要移动机器人末端执行器，进行多次取像及多次标定的不足之处。在实际生产应用中不能满足简便快速标定的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述不足和缺陷，提供一种焊接机器人单目视觉传感器及其手-眼关系快速标定方法，使其实现了焊接机器人视觉传感器的多用途、外形小巧、大大简化了标定的计算量和复杂程度，具有较高的精度，完全满足焊接机器人的生产实际工作需要。

本发明是通过以下技术方案实现的，焊接机器人单目视觉传感器包括：微型CCD摄像机、减光及滤光系统、电机驱动系统及安装支架。其连接关系为：微型CCD摄像机、减光及滤光系统以及电机驱动系统都设置在安装支架上，其中微型CCD摄像机主要负责对焊接场景及被焊工件以及焊接熔池图像的采集；电机驱动系统包括驱动电机和减速装置，其中驱动电机与减速装置固定连接，由减速装置输出轴输出。通过电机控制接口电路，可以采用机器人控制器内的通用I/O对电机进行控制，实现由焊接机器人控制器直接驱动电机的功能。从而既可以在对焊接机器人进行示教作业时，由示教编程器对驱动电机进行控制，也可以通过主控计算机实现对驱动电机网络编程控制，从而满足在不同工作阶段驱动减光及滤光系统的工作要求；减光及滤光系统包括减光镜片、滤光镜片以及镜片支架、活动连杆、驱动臂，减光镜片及滤光镜片重叠设置在镜片支架上，通过活动连杆与驱动臂相连接，并且驱动臂直接与电机驱动系统的减速装置输出轴相连，可被输出轴驱动正/反向旋转；本发明整个传感器通过安装支架与焊接机器人末端的焊枪固定连接。

本发明传感器使用时，在开始焊接前阶段，由于电弧没有引燃，系统是采用自然光照明成像，这时控制驱动电机反转，带动减光及滤光系统中的驱动臂反转，通过活动连杆，将减光片及滤光片安装支架从摄像机前端移开，使摄像机可以直接拍摄被焊工件图像，实现对焊缝及焊接起始位置的识别确认，进行焊接机器人对初始焊接位置的识别及导引；在进行焊接过程阶段，由于电弧已经引燃，光照十分强烈，为了使摄像机能够清晰对焊接熔池成像，可控制驱动电机正转，带动减光及滤光系统中的驱动臂正转，通过活动连杆，将减光片及滤光片安装支架移到摄像机前端，从而使摄像机通过滤光片及减光片对焊接熔池成像，通过对熔池图像的处理可以进行焊接过程的焊缝跟踪及焊接熔透控制。从而实现了只采用单独一个摄像机来进行多种传感需求，简化了传感器的结构，满足实用性要求。

摄像机的安装位置固定以后，需要对摄像机的内外参数及焊接机器人的手眼关系参数进行标定，并且在摄像机与机器人手臂(焊枪)相对位置发生变化的时候，需要重新对机器人的手眼关系参数进行标定，可见，简便快速的焊接机器人手眼标定算法对于实际应用是十分必要的。

本发明焊接机器人单目视觉传感器的手-眼关系快速标定方法，通过在对摄像机内外参数标定同时，将世界坐标系与机器人本体坐标系重合的方法，在标定摄像机内外参数的同时，根据同一坐标在两个以上的坐标系下的坐标变换关系，将摄像机外参数在世界坐标系下的表示，转换为在焊接机器人末端控制点(手)坐标系下来表示，从而完成焊接机器人的手眼关系标定。

以下通过步骤对本发明作进一步的具体限定：

(1)根据“五点标定法”对焊接机器人控制点(焊枪尖端点)进行精确标定；

(2)对摄像机内外参数进行标定，并且在标定取像时刻记录机器人控制点的位置和姿态数据。其中，标定所获取的摄像机内参数是摄像机自身的成像几何模型固有参数，它对于某一摄像机来说，一经标定就不会再变。而外参数表征在标定取像时刻，摄像机坐标系与世界坐标系的相对位置关系。在对标定点的三维坐标获取过程中，采用机器人的控制点来间接获取的方式，通过这种方式可将世界坐标系与机器人本体坐标系重合，则标定摄像机时所获得的摄像机外参数，即为摄像机在标定时刻相对于机器人本体坐标系的相对位置关系，结合标定摄像机时刻的机器人控制点姿态数据，通过适当的坐标系变换，可快速标定机器人的手眼关系。

本发明传感器具有显著特点，传感器体积小巧，满足了焊接机器人在工作过程中的灵活性及机器人本体的持重限制要求。并且在焊接机器人的不同工作阶段，根据不同的工作需要，传感器可实现不同的功能，可以满足多种工作需要。所设计的机器人手-眼关系快速标定方法与传统的机器人手-眼关系标定方法相比较，省略了复杂的空间三维坐标测量仪等测量仪器，而且不必移动焊接机器人，降低了由于焊接机器人运动产生的标定误差。并且取像次数与对摄像机外参数的标定次数只是传统方法的一半，大大简化了标定的计算量和复杂程度，具有较高的精度和较大的使用价值，完全满足焊接机器人的生产实际工作需要。

附图说明

图1本发明传感器结构示意图

具体实施方式

如图1所示，本发明焊接机器人单目视觉传感器包括：微型CCD摄像机1、减光及滤光系统2、电机驱动系统3及安装支架4。其连接关系为：微型CCD摄像机1、减光及滤光系统2以及电机驱动系统3都设置在安装支架4上，减光及滤光系统2包括减光镜片5、滤光镜片6以及镜片支架7、活动连杆8、驱动臂9，减光镜片5及滤光镜片6重叠设置在镜片支架7上，通过活动连杆8与驱动臂9相连接，并且驱动臂9直接与电机驱动系统中的减速装置11输出轴相连，可被输出轴驱动正/反向旋转；电机驱动系统3包括驱动电机10和减速装置11，其中驱动电机10与减速装置11固定连接，由减速装置11输出轴输出。

本发明整个传感器通过安装支架4与焊接机器人末端的焊枪12固定连接。

以下对本发明方法的内容作进一步的理解：

对于焊接机器人手-眼关系的快速标定方法，其具体实现主要是根据空间不同坐标系之间的坐标变换关系。假设给定坐标系{A}，{B}和{C}，若已知{B}相对于{A}的描述为，{C}相对于{B}的描述为，则可获得如下公式(1)：

$T_C^A=T_B^{A}T_C^B=\left[\begin{array}{cccc}R_B^A& & p_{B_0}^A& \\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}R_C^B& & p_B_{C_0}& \\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}R_B^{A}R_C^B& & R_B^{A}p_{C_0}^B+p_{B_0}^A& \\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

根据摄像机标定时所求得的旋转矩阵R和平移矢量T，可以求得机器人本体坐标系C_rob与摄像机坐标系C_c之间的描述，即相当于式(1)中的_B ^AT已知；在摄像机标定取像时刻可以实时读取机器人手臂末关节坐标系C_h相对于机器人本体坐标系C_rob的位置矢量和旋转角度，从而可以求得机器人手臂末关节坐标系C_h相对于机器人本体坐标系C_rob的描述，即相当于式(1)中的_C ^BT已知。即由摄像机坐标系、焊接机器人本体坐标系(世界坐标系)与机器人手臂末端(焊枪)坐标系这三个坐标系组成了一个闭合链环，从而可以求得机器人手臂末关节坐标系C_h相对于摄像机坐标系C_c的描述。则仅通过在一个位置进行一次取像标定，就可以实现在标定摄像机外参数的同时标定焊接机器人的“手-眼”关系。

Claims (6)

1、一种焊接机器人单目视觉传感器，包括：微型CCD摄像机(1)、减光及滤光系统(2)、电机驱动系统(3)及安装支架(4)，其特征在于，微型CCD摄像机(1)、减光及滤光系统(2)以及电机驱动系统(3)都设置在安装支架(4)上，减光及滤光系统(2)包括：减光镜片(5)、滤光镜片(6)以及镜片支架(7)、活动连杆(8)、驱动臂(9)，减光镜片(5)及滤光镜片(6)重叠设置在镜片支架(7)上，通过活动连杆(8)与驱动臂(9)相连接，电机驱动系统(3)包括：驱动电机(10)和减速装置(11)，其中驱动电机(10)与减速装置(11)固定连接，由减速装置(11)输出轴输出，并且减光及滤光系统(2)的驱动臂(9)直接与减速装置(11)输出轴相连。

2、根据权利要求1所述的焊接机器人单目视觉传感器，其特征是，驱动臂(9)被减速装置(11)输出轴驱动正/反向旋转。

3、根据权利要求1所述的焊接机器人单目视觉传感器，其特征是，整个传感器通过安装支架(4)与焊接机器人末端的焊枪(12)固定连接。

4、一种焊接机器人单目视觉传感器的手-眼关系快速标定方法，其特征在于，通过在对摄像机内外参数标定同时，将世界坐标系与机器人本体坐标系重合的方法，在标定摄像机内外参数的同时，根据同一坐标在两个以上的坐标系下的坐标变换关系，将摄像机外参数在世界坐标系下的表示，转换为在焊接机器人末端控制点坐标系下来表示，从而完成焊接机器人的手眼关系标定。

5、根据权利要求4所述的焊接机器人单目视觉传感器的手-眼关系快速标定方法，其特征是，以下通过步骤对本发明作进一步的具体限定：

(1)根据“五点标定法”对焊接机器人控制点即焊枪尖端点进行精确标定；

(2)对摄像机内外参数进行标定，并且在标定取像时刻记录机器人控制点的位置和姿态数据，其中，标定所获取的摄像机内参数是摄像机自身的成像几何模型固有参数。

6、根据权利要求5所述的焊接机器人单目视觉传感器的手-眼关系快速标定方法，其特征是，所述的对摄像机内外参数进行标定，在对标定点的三维坐标获取过程中，采用机器人的控制点来间接获取的方式，通过这种方式将世界坐标系与机器人本体坐标系重合，则标定摄像机时所获得的摄像机外参数，即为摄像机在标定时刻相对于机器人本体坐标系的相对位置关系，结合标定摄像机时刻的机器人控制点姿态数据，通过坐标系变换，能快速标定机器人的手眼关系。

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