[发明专利]机器人激光扫描式焊缝跟踪系统标定方法

说明书

技术领域

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

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

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。

本发明采用的技术方案的步骤如下：

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。

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。

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。

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

图1是机器人激光焊缝跟踪系统；

图2是激光扫描式焊缝跟踪传感器结构；

图3是传感器测量模型；

图4是标定靶；

图5是定点变位姿测量。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

(1)机器人激光焊缝跟踪系统如图1所示，

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：

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。

(2)传感器的硬件结构及其工作原理

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。

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；O_c-X_cY_cZ_c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_c，y_c，z_c)，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:

其中，f为摄像机焦距；b为激光平面与X_c轴交点到光轴的距离，称为基长；θ为X_c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：

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、θ、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。

(1)传感器的标定