[发明专利]激光焊缝跟踪传感器标定方法

说明书

技术领域

本发明涉及智能机器人激光焊缝跟踪系统中传感器标定方法，传感器标定包括摄像机标定和结构光标定。

背景技术

激光传感器焊接技术因具有高精度、高速度、强适应性等优点被广泛应用于工业焊接领域。激光传感器焊接过程中,由于预装材料的误差以及焊接过程中的热应力而产生的焊缝变形等不确定因素会造成接头位置和尺寸的变化。传统的通过工业机器人采用示教焊接工作方式已无法满足工业焊接所需精度要求,因此需要引入焊缝跟踪系统。结构光视觉传感器具有测量精度高、获得信息量大、灵敏度高等特点,成为焊缝跟踪领域研究的热点。结构光视觉传感器能否精准完成焊接过程，标定是一项关键技术,也是现国内外学者研究的重点。其中如何在三维空间中获取足够数量的高精度标定点是整个标定系统的难点,这主要是因为靶标上已知的三维世界点恰好位于结构光光平面上具有难度性,从而使得三维标点的获取变得困难。

发明内容

针对现有标定技术的不足，本发明以机器人激光扫描式焊缝跟踪系统为研究对象，基于摄像机的外部参数即是摄像机坐标系相对于靶标坐标系的转换矩阵进行标定。

本发明的技术方案的步骤如下：

(1)放置12×12的5mm×5mm大小的黑白相间的棋盘格于白背景上。通过调节摄像机空间位姿使得激光平面与棋盘对角线角点相交。取三组符合上述要求的空间位姿所获取的角点坐标。

(2)根据角点相对标靶(棋盘格)坐标系的矩阵转换关系计算标靶坐标系下的角点坐标。通过一组角点坐标求得一条激光平面上的直线方程。

(3)3组数据可以得到三条激光平面上的直线，根据其中任意两条直线方程从而求得摄像机坐标系中的激光平面。完成整个标定过程。

本发明的有益效果：本发明使用的传感器标定技术具有实验简单，精度高，速度快等特点，可以广泛适用于各种已知物体三维结构重建和平面表面轮廓信息测量，并且不需要特定的标定靶，降低标定实验过程中的人为误差几率。

附图说明

图1机器人激光焊缝跟踪系统；

图2摄像机成像等效光路图；

图3图像坐标系示意图；

图4激光平面小孔成像原理图；

图5摄像机相对于激光平面坐标转换关系；

图6标定靶(棋盘格)。

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)激光式焊缝扫描跟踪传感器系统

如图1所示，激光扫描式焊缝跟踪传感器系统主要由激光焊缝跟踪传感器2和六自由度机器人1组成。激光焊缝跟踪传感器固定在机器人末端，由机械臂控制其对焊缝表面4进行检测，采用一字结构光3。该系统涉及的坐标系有如下，图中，{R}为与机器人底座固定相连的基础坐标系；{E}为机械臂末端自由度坐标系；{C}为激光平面坐标系。等效光路图如图2所示。

摄像机坐标系：摄像机焦距中心点O_c为原点所建立的坐标系O_c-X_cY_cZ_c,其中X_c、Y_c轴分别对应图像坐标系的x、y轴。Z_c轴方向根据右手定责确定，摄像机坐标系原点O_c和像平面坐标原点O之间距离为摄像机焦距f。

机器人基坐标系：在焊接过程中，摄像机坐标系随着焊缝传感器的空间位姿变动发生变化，不具有一般性。需要建立一个坐标系对摄像机以及周围物体进行描述，因此引入机器人基坐标系即世界坐标系O_w-X_wY_wZ_w,从而对其他坐标系进行描述。

机械手末端坐标系：机械手末端相对于机器人基坐标系的位姿可通过控制器屏幕直接读出。

(2)传感器的标定

机器视觉系统中激光器发射出来的线性结构光形成了激光平面，在摄像机坐标系中一个特征点P_c，其对应图像坐标系中一个特征点P_f。如果已知点P_f则可以得到摄像机坐标系中直线OPc的方程。由图2可知，焊缝特征点还位于结构光平面Π上。若结构光平面方程已知，则可以确定特征点图像坐标值P_f与特征点摄像机坐标值的一一对应关系。