[发明专利]用于大型船舶结构件龙门式机器人焊接的三维视觉系统及运行方法

权利要求书

1.用于大型船舶结构件龙门式机器人焊接的三维视觉方法，所述三维视觉方法基于三维视觉系统实现，所述三维视觉系统包括龙门式机器人焊接系统(1)、龙门式移动平台(2)、三维扫描系统(3)、电源及控制系统(4)；

所述三维扫描系统(3)，用于大型船舶结构件的表面信息采集；

所述龙门式移动平台(2)，用于搭载三维扫描系统(3)进行不同尺寸范围扫描；

所述龙门式机器人焊接系统(1)，用于进行大型船舶结构件焊缝焊接；

所述控制系统(4)，用于控制并获取三维扫描系统(3)采集点云并进行处理，识别焊缝并控制龙门式机器人焊接系统(1)进行焊接；

所述电源，用于设备供电；所述三维扫描系统(3)包括机械臂(5)、扫描仪(6)、云台(7)、跟踪仪(8)、摄影测量相机(9)、标尺(10)和装夹工装(11)；

所述装夹工装(11)，用于装夹固定大型船舶结构件，工装设置有固定的可被跟踪仪(8)检测到的标记点，且船舶结构件三维模型中包含上述标记点的位置信息，其特征在于，

所述三维视觉方法包括：

步骤1，在龙门架的一侧设置多个可被跟踪仪(8)探测到的标记点和一个标尺(10)；

步骤2，使用摄影测量相机(9)对龙门架一侧和装夹工装(11)上的标记点和标尺(10)进行测量，获得所有标记点在以标尺(10)为基坐标系下的位置信息，建立全局测量场；

步骤3，跟踪仪(8)获取扫描仪(6)相对于跟踪仪(8)的位姿和跟踪仪(8)相对标尺(10)的位姿，计算扫描仪(6)相对标尺(10)的位姿，同时控制系统(4)获得机械臂(5)末端相对机械臂(5)底座的位姿，重复采集多组数据，利用离线规划软件进行联合标定，获取扫描仪(6)相对机械臂(5)末端的相对位姿；

步骤4，将大型船舶结构件三维模型输入离线规划软件，并导入步骤2建立的全局测量场，利用大型船舶结构件三维模型所带有的装夹工装(11)标记点信息，使用配准算法使其与全局测量场中摄影测量相机(10)所测量到的装夹工装(11)标记点对齐，然后在扫描路线和待焊焊缝上设置路径点，生成路径点序列；

步骤5，控制系统(4)获取路径点序列和扫描仪(6)相对机械臂(5)末端的相对位姿，等待大型船舶结构件到达焊接工位后，开启扫描仪(6)和跟踪仪(8)获取标尺(10)为基坐标系下的点云，控制扫描仪(6)以一定速度通过各个路径点直到扫描过程结束；

步骤6，待扫描过程结束后，龙门式移动平台(2)运动到相对初始位置的另一侧，扫描点云输入控制系统(4)，经过点云处理识别出待焊接焊缝部分的点位置，并转换为龙门式机器人焊接系统(1)使用的坐标，控制龙门式机器人焊接系统(1)进行焊接，待全部焊缝焊接完成后龙门式机器人焊接系统(1)和龙门式移动平台(2)返回初始位置。

2.根据权利要求1所述的用于大型船舶结构件龙门式机器人焊接的三维视觉方法，其特征在于，所述云台(7)具有俯仰自由度，用于将跟踪仪(8)视野覆盖扫描仪(6)，所述标尺(10)设置于地面。

3.根据权利要求1所述的用于大型船舶结构件龙门式机器人焊接的三维视觉方法，其特征在于，所述步骤1中，保证龙门式移动平台(2)运动过程中跟踪仪(8)探测到的标记点数不小于10。

4.根据权利要求1所述的用于大型船舶结构件龙门式机器人焊接的三维视觉方法，其特征在于，步骤6所述经过点云处理识别出待焊接焊缝部分的点位置，具体包括：

步骤6.1，利用统计式滤波器过滤点云离群点，利用体素滤波器对点云进行降采样；

步骤6.2，计算点云中每个点处的曲率值，根据焊缝特性设置曲率阈值，将大于曲率阈值的点视为焊缝区域点；

步骤6.3，对焊缝两侧点云分别进行随机采样，获得两组采样点，遍历其中一组采样点，对遍历的每一个采样点,寻找另一组采样点中与其距离最近的采样点，形成一组采样点配对，直到所有采样点形成配对点；

步骤6.4，遍历所有采样点配对，对遍历到的每一组配对，对配对的两个采样点各取一定半径的邻域点云并对其使用最小二乘法拟合平面，计算两个平面的交线和两个采样点投影到交线上的投影点，取两投影点的中点作为候选焊缝点，直到所有采样点配对完成候选焊缝点配对；

步骤6.5，设置距离阈值，遍历所有候选焊缝点，对遍历的每一个候选焊缝点计算与步骤6.4中计算的焊缝区域点的距离，若满足距离小于距离阈值则保留为焊缝点，反之去除对应候选焊缝点，直到获得所有最终焊缝点。