机器人激光扫描式焊缝跟踪系统标定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机器人激光扫描式焊缝跟踪系统的标定，包括激光扫描式焊缝跟踪传 感器的标定与机器人手眼的标定。
【背景技术】
[0002] 激光扫描式焊缝跟踪系统对焊缝的准确跟踪取决于激光扫描式焊缝跟踪传感器 的标定与机器人手眼标定。传感器的标定包括摄像机标定和结构光标定，摄像机标定的技 术比较成熟。针对激光结构光的标定，最早使用的方法有齿形标定法和拉丝标定法，这些方 法利用特定标定耙在结构光平面上产生标定点，并利用辅助测量仪获取其标定点在结构光 平面上的坐标。这两种方法需要精密的辅助设备。机器人手眼标定的传统方法有利用高精 度三坐标测量仪对传感器夹持的工具进行测量，此方法都不适应于末端安装视觉传感器的 机器人的手眼标定。
【发明内容】
[0003] 针对现有标定方法的不足，本发明提供了一种机器人激光扫描式焊缝跟踪系统标 定方法。
[0004] 本发明采用的技术方案的步骤如下：
[0005] 步骤1.采用基于平面模板对传感器里的摄像机进行标定，通过自由移动传感器， 使得摄像机采集到至少三个不同位置（相对于摄像机）的模板图像。根据最小二乘原理求 解摄像机的内部参数。
[0006] 步骤2.求取激光平面上无穷远处一点在摄像机中投影的图像坐标，对结构光进 行标定。
[0007] 步骤3.将标定好的传感器通过法兰盘固定于机械手末端，通过改变机器人的姿 态使用传感器检测空间中同一目标点，求解摄像机坐标系与机械手末端坐标系的转换矩 阵。
[0008] 本发明的有益效果：本发明以机器人激光扫描式焊缝跟踪系统为研究对象，采用 基于平面模板的摄像机标定方法和激光平面上无穷远处一点在摄像机中投影的图像坐标， 对结构光参数进行标定。并通改变机器人的姿态对实验现场中同一目标点进行测量，快速 计算该系统的手眼矩阵。
【附图说明】
[0009] 图1是机器人激光焊缝跟踪系统；
[0010] 图2是激光扫描式焊缝跟踪传感器结构；
[0011] 图3是传感器测量模型；
[0012] 图4是标定靶；
[0013] 图5是定点变位姿测量。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步的描述。
[0015] (1)机器人激光焊缝跟踪系统如图1所示，
[0016] 机器人激光扫描焊缝跟踪系统主要由六自由度机器人和激光扫描式焊缝跟踪传 感器组成，包括机器人1、激光焊缝跟踪传感器2、一字结构光3和焊缝表面4。该系统涉及 的坐标系有如下：
[0017] 图中，{R}为与机器人底座固连的基础坐标系；{E}为机械手末端坐标系；{C}为摄 像机坐标系。
[0018] (2)传感器的硬件结构及其工作原理
[0019] 如图2所示，激光扫描式焊缝跟踪传感器由激光器6、滤波片8、工业摄像机5、连 接器7和防溅挡板9等组成。传感器机壳顶部开孔，供摄像机、激光器的电源线和信号线引 出。传感器探头通过信号线与计算机连接。传感器机壳底部由有机玻璃制成的防溅挡板盖 住，可以阻挡焊接时产生的飞溅，保护摄像机。半导体激光器倾斜固定在传感器探头机壳 内。一字激光器发出的激光束，倾斜照射到焊接工件表面的焊缝处，形成激光条纹。摄像机 采集到的包含焊缝信息的激光条纹图像，通过信号线传送到计算机。
[0020] 如图3所示，该传感器采用的测量模型。图中，π为激光器投射的激光平面； 为以光轴与透镜交点为原点建立的摄像机坐标系；O-XY为摄像机中图像坐标系。 激光平面存在一点P (X。，y。，zJ，在图像平面的投影为P (X，y)。根据三角法测量原理得到如 下关系：
[0022] 其中，f为摄像机焦距；b为激光平面与X。轴交点到光轴的距离，称为基长；Θ为 X。与激光平面的夹角，称为投射角。目标点的摄像机坐标与图像坐标的转换关系为：
[0024] 如果式中摄像机焦距f、投射角Θ、基长b均为已知，则由式⑵可知，三维空间中任 意一点均可以与二维图像中的点一一对应。求解f、9、b即激光传感器系统的系统内部参 数标定。其中焦距f可通过摄像机标定求出。
[0025] (1)传感器的标定
[0026] 当登高远眺时，无穷远处的地平面是一条直线，同样，两条平行直线在无穷远处交 于一点。如图4所示，将标定靶水平放置，调节传感器的位置，使摄像机的光轴垂直于标定 靶，激光平面与两条平行线交于A、B两点，控制摄像机沿光轴方向移动，得到一系列的交点 ApBiQ = 1，2··· η)，其在摄像机中的投景多为a; AQ = 1，2··· η)。A;、Bi在激光平面上开多成 两条平行线，其在无穷远处交于一点。将％与b 别拟合成直线，两条直线的交点即激光 平面上无穷远处一点在摄像机中投影。
[0027] 激光平面存在一点P (x。，y。，z。）在图像平面的像点为p (x，y)。根据三角法测量原 理，可得：
[0029] 设点P为激光平面上无穷远处一点，即（X。，y。，z。）一 °°，z。一 可以得知 f · cot Θ -Xoo - 〇 即得：
[0030] cot Θ = X00 /f (4)
[0031] 其中，1"为激光平面上无穷远处一点在摄像机中投影的图像坐标。
[0032] 若将
写成全微分形式，即可得到：
[0034] 若令Δ X = 〇即可以得到：
[0036] 由式(6)可以得到：
[0038] 其中，X为当前目标点的图像坐标；若可以控制Ay。，并通过图像处理获得相应的 Ay，则结构光的基长b可确定。
[0039] (2)机器人手眼标定
[0040] 如图1所示，Ter是机器人手末端{E}相对于基座标{R}的转换矩阵，可从机器人 的控制器上的欧拉角求出，包括旋转矩阵Rer与平移向量tER，TCES摄像机坐标系{C}相对 于机械手末端坐标系{E}的转换矩阵包括旋转矩阵R ce与平移向量tCE。由于传感器是固接 于机械手末端的，因此Ira不随机械手的运动而改变。
[0041] 如图5所示，通过改变机器人的姿态多次检测同一目标点M，机器人在第i个位姿 下，目标点M在摄像机坐标系下的坐标为ΜΛ机器人基坐标系下的坐标为Mr，存在如下转换 关系：
[0044] 其中，Teri为机器人第i位姿，机械手末端相对于基坐标系的转换矩阵，包括旋转 矩阵Rew与平移向量t ERi〇
[0045] 式⑶展开可得：
[0047] 控制机械手对目标点M就行对多次测量，可以得到：
[0049] 1)旋转矩阵Rce求解
[0050] 如果运动过程中机器人的姿态保持不变即Reri= Rer2 =…=R ERn= R0O
[0051] 由于R。是正交矩阵，即有Rf = Ri。通过多次测量可得：
tEEZ: tERl - fER3…tERl - tp肋]则式(1?可以写为RceA1 = b !的矩阵方程，按奇异矩阵分 解法（SVD) Q求解，即
[0054] Rce= VUt (13)
[0055] 其中V和U分别为矩阵的右奇异矩阵和左奇异矩阵。
[0056] 2)平移向量tCE
[0057] 根据式（10)可得：
[0059] 控制机械手臂多个姿态对目标点进行检测可得到型如A2tffi= b 2
【主权项】
1.机器人激光扫描式焊缝跟踪系统标定方法，其特征在于该方法包括以下步骤： 步骤1.采用基于平面模板对传感器里的摄像机进行标定，通过自由移动传感器，使得 摄像机采集到至少三个不同位置的模板图像，根据最小二乘原理求解摄像机的内部参数； 步骤2.求取激光平面上无穷远处一点在摄像机中投影的图像坐标，对结构光进行标 定，具体是： 将标定靶水平放置，调节传感器的位置，使摄像机的光轴垂直于标定靶，激光平面与 两条平行线交于A、B两点，控制摄像机沿光轴方向移动，得到一系列的交点~為，1 = 1，2··· n，其在摄像机中的投影为&1、b1;交点Aρ81在激光平面上形成两条平行线，其在无穷远处 交于一点；将％与b 别拟合成直线，两条直线的交点即激光平面上无穷远处一点在摄像 机中投影； 激光平面存在一点P(x。，y。，z。）在图像平面的像点为p(x，y);根据三角法测量原理， 得：设点P为激光平面上无穷远处一点，即（X。，y。，z。）一 ％z。一 ％可以得知f· cotΘ-Xm -〇 即得： cot θ = χ〇ο /f (4) 其中，^为激光平面上无穷远处一点在摄像机中投影的图像坐标；若将其中，X为当前目标点的图像坐标；若可以控制Ay。，并通过图像处理获得相应的Ay， 则结构光的基长b可确定； 步骤3.将标定好的传感器通过法兰盘固定于机械手末端，通过改变机器人的姿态使 用传感器检测空间中同一目标点，求解摄像机坐标系与机械手末端坐标系的转换矩阵，具 体是： 通过改变机器人的姿态多次检测同一目标点M，机器人在第i个位姿下，目标点Μ在摄 像机坐标系下的坐标为ΜΛ机器人基坐标系下的坐标为MR，存在如下转换关系：其中，TERl为机器人第i位姿，机械手末端相对于基坐标系的转换矩阵，包括旋转矩阵ReW与干移向里tΕ??; 式⑶展开可得：控制机械手对目标点Μ就行对多次测量，可以得到：1) 旋转矩阵Rra求解 如果运动过程中机器人的姿态保持不变即Rer1=RER2 =…=RERn=R。； 由于私是正交矩阵，即有Rf=Ri;通过多次测量可得：则式(12)可以写为RffiA1=bi的矩阵方程，按奇异矩阵分解法Q求解，即Rce=VUt (13) 其中V和U分别为矩阵Aibj的右奇异矩阵和左奇异矩阵； 2) 平移向量tC[i 根据式（10)可得：控制机械手臂多个姿态对目标点进行检测可得到型如A2teE=b2
【专利摘要】本发明公开了一种机器人激光扫描式焊缝跟踪系统标定方法。本发明首先采用基于平面模板对传感器里的摄像机进行标定，通过自由移动传感器，使得摄像机采集到至少三个不同位置，根据最小二乘原理求解摄像机的内部参数。然后求取激光平面上无穷远处一点在摄像机中投影的图像坐标，对结构光进行标定。最后将标定好的传感器通过法兰盘固定于机械手末端，通过改变机器人的姿态使用传感器检测空间中同一目标点，求解摄像机坐标系与机械手末端坐标系的转换矩阵。本发明以机器人激光扫描式焊缝跟踪系统为研究对象，采用基于平面模板的摄像机标定方法和激光平面上无穷远处一点在摄像机中投影的图像坐标，对结构光参数进行标定。
【IPC分类】G06T7/00
【公开号】CN105303560
【申请号】CN201510607458
【发明人】宋亚勤, 张斌
【申请人】中国计量学院
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年9月22日