[发明专利]一种焊缝跟踪系统的实时姿态估计方法

权利要求书

1.一种焊缝跟踪系统的实时姿态估计方法，该方法基于的焊缝跟踪系统包括焊接机器人、焊枪、激光视觉传感器、激光视觉传感器外连接件、工作台、支撑垫块、配套焊接设备、嵌入式工控机、控制柜、工件，其特征在于：该方法包括步骤：

S1、焊接开始前，将工件放置于支撑垫块上，在执行每次焊接前，调节支撑垫块的角度，使得工件具有不同的初始姿态，并采用G型夹具装夹固定，保证焊接机器人能在不同的焊接工况下进行焊接；激光视觉传感器中的工业相机先采集焊缝图像并发送到嵌入式工控机，所述嵌入式工控机对采集的图像进行初始化处理得到初始焊缝特征点的像素坐标值，采用形态学交叉法得到焊缝两侧交叉点的像素坐标值，将两像素坐标值转换为焊接机器人基坐标系下的三维坐标值；

S2、焊接开始后，所述激光视觉传感器的工业相机将连续采集的每一帧图像发送至所述嵌入式工控机，采集图像中焊缝特征点和焊缝两侧交叉点的像素坐标值，将两像素坐标值转换成焊接机器人基坐标系下的三维坐标值并保存为点云数据，利用保存的点云数据计算得到焊接机器人的位置和姿态；具体包括以下步骤：

S21、焊接开始后激光视觉传感器的相机以60fps的采样频率连续采集图像，并发送至嵌入式工控机进行处理；

S22、将采集图像中焊缝特征点和焊缝两侧交叉点的像素坐标值为对当前帧图像采用高效卷积操作滤波器跟踪算法处理，进行目标跟踪定位确定图像中焊缝特征点的像素坐标值，同时进行形态学交叉确定图像中焊缝两侧交叉点的像素坐标值；

S23、通过标定算法，将得到的初始焊缝特征点和焊缝两侧交叉点的像素坐标值转换成焊接机器人基坐标系下的三维坐标值；

S24、将采集的数据保存为点云，通过构建点云数据、实时构建工件坐标系、获取旋转角度，得到焊接机器人的位置和姿态；所述构建工件坐标系包括以下步骤：

S2421、建立单位向量Z_T，为了使Z_T能够较好地反映在当前焊接工件平面倾斜情况，确保姿态的实时性，在每次建立单位向量Z_T时，选取焊缝两侧交叉点点云数据的最新M帧作为数据源，拟合数据源得到点云平面，得到点云平面法向量Z，单位化求得单位向量Z_T；使用鲁棒性最小二乘法拟合点云平面，得到点云平面方程，其方程公式如下：

A_px+B_py+C_pz+D_p＝0

其中，A_p、B_p、C_p、D_p代表点云平面方程的系数、x、y、z表示点的三维坐标；

S2422、该点云平面的法向量为Z{A_p，B_p，C_p}，为了方便获取机器人基坐标系与工件坐标系之间的转换矩阵，此处将法向量Z单位化，得到单位向量Z_T{A_pc，B_pc，C_pc}，随着跟踪焊缝长度的增加，实时建立一系列的单位向量Z_T；

S2421、建立单位向量Z_T，为了使Z_T能够较好地反映在当前焊接工件平面倾斜情况，确保姿态的实时性，在每次建立单位向量Z_T时，选取焊缝两侧交叉点点云数据的最新M帧作为数据源，拟合数据源得到点云平面，得到点云平面法向量Z，单位化求得单位向量Z_T；使用鲁棒性最小二乘法拟合点云平面，得到点云平面方程，其方程公式如下：

A_px+B_py+C_pz+D_p＝0

其中，A_p、B_p、C_p、D_p代表点云平面方程的系数、x、y、z表示点的三维坐标；

S2422、该点云平面的法向量为Z{A_p，B_p，C_p}，为了方便获取机器人基坐标系与工件坐标系之间的转换矩阵，此处将法向量Z单位化，得到单位向量Z_T{A_pc，B_pc，C_pc}，随着跟踪焊缝长度的增加，实时建立一系列的单位向量Z_T；

S2423、建立单位向量X_T，在每次建立单位向量X_T时，选取特征点点云数据的最新M帧作为数据源，将数据源投影到A_px+B_py+C_pz+D_p＝0平面上，得到投影数据源；对投影数据源进行曲线拟合，因工件为圆弧型，故此处采用圆函数对数据进行拟合，得到圆函数方程：

(x-a)²+(y-b)²＝R²

其中，a，b分别为圆心的坐标，R为圆的半径；x，y为特征点的坐标；

S2424、选取投影数据源的第末15帧，获取该点坐标处的切向量X，令A_px+B_py+C_pz+D_p＝0、(x-a)²+(y-b)²＝R²的数据移至一侧，这两个数据分别设为F(x，y，z)、G(x，y，z)，采用隐函数，得切向量X{D_p，E_p，F_p}，并进行单位化得到单位向量X_T{D_pc，E_pc，F_pc}：

式中，

x₀、y₀表示为跟踪的特征点在机器人基坐标系下横坐标和纵坐标；

S2425、随着跟踪焊缝长度的增加，实时建立一系列的单位向量X_T；

S2426、通过正交单位向量Z_T和单位向量X_T，得到向量Y_T，实时构建出工件坐标系；

S3、将步骤S2得到的焊接机器人的位置和姿态与当前焊接机器人的位置和姿态作差，将得到的偏差实时发送给机器人控制柜，控制柜输出控制信号传输给焊接机器人，使焊枪末端的焊丝沿着工件的焊缝运动，完成焊缝跟踪系统的实时姿态估计。