[发明专利]机器人激光扫描式焊缝跟踪系统标定方法

权利要求书

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A_i、B_i，i＝1,2…n，其在摄像机中的投影为a_i、b_i；交点A_i、B_i在激光平面上形成两条平行线，其在无穷远处交于一点；将a_i与b_i分别拟合成直线，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_c，y_c，z_c)在图像平面的像点为p(x，y)；根据三角法测量原理，得：

xc=b·xf cotθ-xyc=b·yf·cotθ-xzc=b·ff·cotθ-x---(1)]]>

其中，θ为坐标轴X_c与激光平面的夹角，f为摄像机焦距；设点P为激光平面上无穷远处一点，即(x_c，y_c，z_c)→∞，z_c→∞，得知f·cotθ-x_∞→0即得：

cotθ＝x_∞/f (2)

其中，x_∞为激光平面上无穷远处一点在摄像机中投影的图像坐标；若将写成全微分形式，即得到：

Δyc=∂yc∂y+∂yc∂x=bf cotθ-x·Δy+∂yc∂x .Δx---(3)]]>

若令Δx＝0即得到：

Δyc=bf cotθ-x·Δy---(4)]]>

由式(4)得到：

b=f cotθ-xΔy·Δyc---(5)]]>

其中，x为当前目标点的图像坐标；若控制Δy_c，并通过图像处理获得相应的Δy，则结构光的基长b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M在摄像机坐标系下的坐标为M_i^C，机器人基坐标系下的坐标为M^R，存在如下转换关系：

MR=TERiTCEMiC---(6)]]>

MR1=RERitERi01RCEtCE01Mic1---(7)]]>

其中，T_ERi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R_ERi与平移向量t_ERi；T_CE为摄像机坐标系相对于机械手末端坐标系的转换矩阵；

式(7)展开得：

MR=RERiRCEMic+RERitCE+tERi---(8)]]>

控制机械手对目标点M就行对多次测量，得到：

MR=RER1RCEM1c+RER1tCE+tER1MR=RER2RCEM2c+RER2tCE+tER2...MR=RERnRCEMnc+RERntCE+tERn---(9)]]>

1)旋转矩阵R_CE求解

如果运动过程中机器人的姿态保持不变即R_ER1＝R_ER2＝…＝R_ERn＝R₀；

由于R₀是正交矩阵，即有通过多次测量得：

RCE[M2c-M1cM3c-M1c...Mnc-M1c]=R0T[tER1-tER2tER1-tER3...tER1-tERn]---(10)]]>

令

b1=R0T[tER1-tER2tER1-tER3...tER1-tERn]]]>

则式(10)写为R_CEA₁＝b₁的矩阵方程，按奇异矩阵分解法Q求解，即

R_CE＝VU^T (11)

其中V和U分别为矩阵的右奇异矩阵和左奇异矩阵；

2)平移向量t_CE

根据式(8)得：

(RER2-RER1)tCE=RER1RCEM1c-RER2RCEM2c+tER1-tER2---(12)]]>

控制机械手臂多个姿态对目标点进行检测得到：

A₂t_CE＝b₂

tCE=(A2TA2)-1A2Tb2---(13)]]>

其中A₂＝[R_ER2-R_ER1 R_ER3-R_ER1…R_ERn-R_ER1],

b₂＝[R_ER1R_CEM₁^C-R_ER2R_CEM₂^C+t_ER1-t_ER2 R_ER1R_CEM₁^C-R_ER3R_CEM₃^C+t_ER1-t_ER3…R_ER1R_CEM₁^C-R_ERnR_CEM_n^C+t_ER1-t_ERn]。