專利名稱：焊接機器人單目視覺傳感器及其手－眼關(guān)系快速標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊接機器人視覺傳感器及其標(biāo)定方法，具體是一種焊接機器人單目視覺傳感器及其手-眼關(guān)系快速標(biāo)定方法。用于焊接切割領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，應(yīng)用于焊接機器人上的傳感方式多種多樣，在這些傳感方法之中，由于視覺傳感方式具有信息量大、非接觸、快速、高精度及自動化程度高等優(yōu)點，受到廣大焊接工作者的喜愛，目前已成為機器人焊接傳感器方面的研究熱點。視覺傳感技術(shù)在焊接機器人上應(yīng)用較多的是進行焊縫視覺跟蹤及熔透控制等焊接過程智能控制方面的研究。目前國內(nèi)外研究比較成熟的是采用激光或者結(jié)構(gòu)光的視覺傳感方式，這種傳感方式需要外加特定的光源，存在著信息量不夠豐富、功能單一、體積較大等不足之處。而對于焊接機器人進行路徑導(dǎo)引控制時，常常采用手-眼視覺配置方式，這時對于焊接機器人的手-眼關(guān)系標(biāo)定是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻檢索分析，發(fā)現(xiàn)孫振國等人在《光學(xué)技術(shù)》(2001，Vol27，No.3252-254，259)上發(fā)表的“新型智能球罐焊接機器人視覺傳感器的研究”，該文獻為實現(xiàn)智能球罐焊接機器人的自主運動與焊縫自動跟蹤，研制了一種新型視覺傳感器。該傳感器以高分辨率線陣CCD芯片為核心，由光源、濾光片、透鏡等光學(xué)系統(tǒng)及CCD驅(qū)動電路、光電信號處理電路等組成，其中光電處理電路全部由硬件實現(xiàn)。整個視覺傳感系統(tǒng)可以避免焊接時弧光的干擾，實時、準(zhǔn)確地檢測出焊縫軌跡線偏差信號，但是需要外加特定光源，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且濾光片固定在攝像機前端不能移動，無法滿足在自然光條件下使用。
檢索中還發(fā)現(xiàn)，王敏等人在《華中科技大學(xué)學(xué)報》2001，Vol29，NO.345-47)上發(fā)表的“空間物體定位的機器人手眼視覺標(biāo)定方法”，該文獻提出了一種用于空間物體定位的機器人手-眼視覺標(biāo)定新方法，采用一恒定變換矩陣描述末端執(zhí)行器坐標(biāo)系與機器人坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系，并假定在標(biāo)定過程中，物體至攝像機的距離保持不變，將三維定位的問題簡化為二維問題處理，極大地減少了計算量。該方法具有定位準(zhǔn)確、可靠性高等優(yōu)點，但是也存在著在標(biāo)定過程中需要移動機器人末端執(zhí)行器，進行多次取像及多次標(biāo)定的不足之處。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中不能滿足簡便快速標(biāo)定的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足和缺陷，提供一種焊接機器人單目視覺傳感器及其手-眼關(guān)系快速標(biāo)定方法，使其實現(xiàn)了焊接機器人視覺傳感器的多用途、外形小巧、大大簡化了標(biāo)定的計算量和復(fù)雜程度，具有較高的精度，完全滿足焊接機器人的生產(chǎn)實際工作需要。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，焊接機器人單目視覺傳感器包括微型CCD攝像機、減光及濾光系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)及安裝支架。其連接關(guān)系為微型CCD攝像機、減光及濾光系統(tǒng)以及電機驅(qū)動系統(tǒng)都設(shè)置在安裝支架上，其中微型CCD攝像機主要負(fù)責(zé)對焊接場景及被焊工件以及焊接熔池圖像的采集；電機驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動電機和減速裝置，其中驅(qū)動電機與減速裝置固定連接，由減速裝置輸出軸輸出。通過電機控制接口電路，可以采用機器人控制器內(nèi)的通用I/O對電機進行控制，實現(xiàn)由焊接機器人控制器直接驅(qū)動電機的功能。從而既可以在對焊接機器人進行示教作業(yè)時，由示教編程器對驅(qū)動電機進行控制，也可以通過主控計算機實現(xiàn)對驅(qū)動電機網(wǎng)絡(luò)編程控制，從而滿足在不同工作階段驅(qū)動減光及濾光系統(tǒng)的工作要求；減光及濾光系統(tǒng)包括減光鏡片、濾光鏡片以及鏡片支架、活動連桿、驅(qū)動臂，減光鏡片及濾光鏡片重疊設(shè)置在鏡片支架上，通過活動連桿與驅(qū)動臂相連接，并且驅(qū)動臂直接與電機驅(qū)動系統(tǒng)的減速裝置輸出軸相連，可被輸出軸驅(qū)動正/反向旋轉(zhuǎn)；本發(fā)明整個傳感器通過安裝支架與焊接機器人末端的焊槍固定連接。
本發(fā)明傳感器使用時，在開始焊接前階段，由于電弧沒有引燃，系統(tǒng)是采用自然光照明成像，這時控制驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)，帶動減光及濾光系統(tǒng)中的驅(qū)動臂反轉(zhuǎn)，通過活動連桿，將減光片及濾光片安裝支架從攝像機前端移開，使攝像機可以直接拍攝被焊工件圖像，實現(xiàn)對焊縫及焊接起始位置的識別確認(rèn)，進行焊接機器人對初始焊接位置的識別及導(dǎo)引；在進行焊接過程階段，由于電弧已經(jīng)引燃，光照十分強烈，為了使攝像機能夠清晰對焊接熔池成像，可控制驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)，帶動減光及濾光系統(tǒng)中的驅(qū)動臂正轉(zhuǎn)，通過活動連桿，將減光片及濾光片安裝支架移到攝像機前端，從而使攝像機通過濾光片及減光片對焊接熔池成像，通過對熔池圖像的處理可以進行焊接過程的焊縫跟蹤及焊接熔透控制。從而實現(xiàn)了只采用單獨一個攝像機來進行多種傳感需求，簡化了傳感器的結(jié)構(gòu)，滿足實用性要求。
攝像機的安裝位置固定以后，需要對攝像機的內(nèi)外參數(shù)及焊接機器人的手眼關(guān)系參數(shù)進行標(biāo)定，并且在攝像機與機器人手臂(焊槍)相對位置發(fā)生變化的時候，需要重新對機器人的手眼關(guān)系參數(shù)進行標(biāo)定，可見，簡便快速的焊接機器人手眼標(biāo)定算法對于實際應(yīng)用是十分必要的。
本發(fā)明焊接機器人單目視覺傳感器的手-眼關(guān)系快速標(biāo)定方法，通過在對攝像機內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定同時，將世界坐標(biāo)系與機器人本體坐標(biāo)系重合的方法，在標(biāo)定攝像機內(nèi)外參數(shù)的同時，根據(jù)同一坐標(biāo)在兩個以上的坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變換關(guān)系，將攝像機外參數(shù)在世界坐標(biāo)系下的表示，轉(zhuǎn)換為在焊接機器人末端控制點(手)坐標(biāo)系下來表示，從而完成焊接機器人的手眼關(guān)系標(biāo)定。
以下通過步驟對本發(fā)明作進一步的具體限定(1)根據(jù)“五點標(biāo)定法”對焊接機器人控制點(焊槍尖端點)進行精確標(biāo)定；(2)對攝像機內(nèi)外參數(shù)進行標(biāo)定，并且在標(biāo)定取像時刻記錄機器人控制點的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。其中，標(biāo)定所獲取的攝像機內(nèi)參數(shù)是攝像機自身的成像幾何模型固有參數(shù)，它對于某一攝像機來說，一經(jīng)標(biāo)定就不會再變。而外參數(shù)表征在標(biāo)定取像時刻，攝像機坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的相對位置關(guān)系。在對標(biāo)定點的三維坐標(biāo)獲取過程中，采用機器人的控制點來間接獲取的方式，通過這種方式可將世界坐標(biāo)系與機器人本體坐標(biāo)系重合，則標(biāo)定攝像機時所獲得的攝像機外參數(shù)，即為攝像機在標(biāo)定時刻相對于機器人本體坐標(biāo)系的相對位置關(guān)系，結(jié)合標(biāo)定攝像機時刻的機器人控制點姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系變換，可快速標(biāo)定機器人的手眼關(guān)系。
本發(fā)明傳感器具有顯著特點，傳感器體積小巧，滿足了焊接機器人在工作過程中的靈活性及機器人本體的持重限制要求。并且在焊接機器人的不同工作階段，根據(jù)不同的工作需要，傳感器可實現(xiàn)不同的功能，可以滿足多種工作需要。所設(shè)計的機器人手-眼關(guān)系快速標(biāo)定方法與傳統(tǒng)的機器人手-眼關(guān)系標(biāo)定方法相比較，省略了復(fù)雜的空間三維坐標(biāo)測量儀等測量儀器，而且不必移動焊接機器人，降低了由于焊接機器人運動產(chǎn)生的標(biāo)定誤差。并且取像次數(shù)與對攝像機外參數(shù)的標(biāo)定次數(shù)只是傳統(tǒng)方法的一半，大大簡化了標(biāo)定的計算量和復(fù)雜程度，具有較高的精度和較大的使用價值，完全滿足焊接機器人的生產(chǎn)實際工作需要。


圖1本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)示意圖具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明焊接機器人單目視覺傳感器包括微型CCD攝像機1、減光及濾光系統(tǒng)2、電機驅(qū)動系統(tǒng)3及安裝支架4。其連接關(guān)系為微型CCD攝像機1、減光及濾光系統(tǒng)2以及電機驅(qū)動系統(tǒng)3都設(shè)置在安裝支架4上，減光及濾光系統(tǒng)2包括減光鏡片5、濾光鏡片6以及鏡片支架7、活動連桿8、驅(qū)動臂9，減光鏡片5及濾光鏡片6重疊設(shè)置在鏡片支架7上，通過活動連桿8與驅(qū)動臂9相連接，并且驅(qū)動臂9直接與電機驅(qū)動系統(tǒng)中的減速裝置11輸出軸相連，可被輸出軸驅(qū)動正/反向旋轉(zhuǎn)；電機驅(qū)動系統(tǒng)3包括驅(qū)動電機10和減速裝置11，其中驅(qū)動電機10與減速裝置11固定連接，由減速裝置11輸出軸輸出。
本發(fā)明整個傳感器通過安裝支架4與焊接機器人末端的焊槍12固定連接。
以下對本發(fā)明方法的內(nèi)容作進一步的理解對于焊接機器人手-眼關(guān)系的快速標(biāo)定方法，其具體實現(xiàn)主要是根據(jù)空間不同坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換關(guān)系。假設(shè)給定坐標(biāo)系{A}，{B}和{C}，若已知{B}相對于{A}的描述為，{C}相對于{B}的描述為，則可獲得如下公式(1)TCA=TBATCB=RBApB0A0001RCBpBC00001=RBARCBRBApC0B+pB0A0001---(1)]]>根據(jù)攝像機標(biāo)定時所求得的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矢量T，可以求得機器人本體坐標(biāo)系Crob與攝像機坐標(biāo)系Cc之間的描述，即相當(dāng)于式(1)中的BAT已知；在攝像機標(biāo)定取像時刻可以實時讀取機器人手臂末關(guān)節(jié)坐標(biāo)系Ch相對于機器人本體坐標(biāo)系Crob的位置矢量和旋轉(zhuǎn)角度，從而可以求得機器人手臂末關(guān)節(jié)坐標(biāo)系Ch相對于機器人本體坐標(biāo)系Crob的描述，即相當(dāng)于式(1)中的CBT已知。即由攝像機坐標(biāo)系、焊接機器人本體坐標(biāo)系(世界坐標(biāo)系)與機器人手臂末端(焊槍)坐標(biāo)系這三個坐標(biāo)系組成了一個閉合鏈環(huán)，從而可以求得機器人手臂末關(guān)節(jié)坐標(biāo)系Ch相對于攝像機坐標(biāo)系Cc的描述。則僅通過在一個位置進行一次取像標(biāo)定，就可以實現(xiàn)在標(biāo)定攝像機外參數(shù)的同時標(biāo)定焊接機器人的“手-眼”關(guān)系。
權(quán)利要求
1.一種焊接機器人單目視覺傳感器，包括微型CCD攝像機(1)、減光及濾光系統(tǒng)(2)、電機驅(qū)動系統(tǒng)(3)及安裝支架(4)，其特征在于，微型CCD攝像機(1)、減光及濾光系統(tǒng)(2)以及電機驅(qū)動系統(tǒng)(3)都設(shè)置在安裝支架(4)上，減光及濾光系統(tǒng)(2)包括減光鏡片(5)、濾光鏡片(6)以及鏡片支架(7)、活動連桿(8)、驅(qū)動臂(9)，減光鏡片(5)及濾光鏡片(6)重疊設(shè)置在鏡片支架(7)上，通過活動連桿(8)與驅(qū)動臂(9)相連接，電機驅(qū)動系統(tǒng)(3)包括驅(qū)動電機(10)和減速裝置(11)，其中驅(qū)動電機(10)與減速裝置(11)固定連接，由減速裝置(11)輸出軸輸出，并且減光及濾光系統(tǒng)(2)的驅(qū)動臂(9)直接與減速裝置(11)輸出軸相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接機器人單目視覺傳感器，其特征是，驅(qū)動臂(9)被減速裝置(11)輸出軸驅(qū)動正/反向旋轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接機器人單目視覺傳感器，其特征是，整個傳感器通過安裝支架(4)與焊接機器人末端的焊槍(12)固定連接。
4.一種焊接機器人單目視覺傳感器的手-眼關(guān)系快速標(biāo)定方法，其特征在于，通過在對攝像機內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定同時，將世界坐標(biāo)系與機器人本體坐標(biāo)系重合的方法，在標(biāo)定攝像機內(nèi)外參數(shù)的同時，根據(jù)同一坐標(biāo)在兩個以上的坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變換關(guān)系，將攝像機外參數(shù)在世界坐標(biāo)系下的表示，轉(zhuǎn)換為在焊接機器人末端控制點坐標(biāo)系下來表示，從而完成焊接機器人的手眼關(guān)系標(biāo)定。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的焊接機器人單目視覺傳感器的手-眼關(guān)系快速標(biāo)定方法，其特征是，以下通過步驟對本發(fā)明作進一步的具體限定(1)根據(jù)“五點標(biāo)定法”對焊接機器人控制點即焊槍尖端點進行精確標(biāo)定；(2)對攝像機內(nèi)外參數(shù)進行標(biāo)定，并且在標(biāo)定取像時刻記錄機器人控制點的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，其中，標(biāo)定所獲取的攝像機內(nèi)參數(shù)是攝像機自身的成像幾何模型固有參數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的焊接機器人單目視覺傳感器的手-眼關(guān)系快速標(biāo)定方法，其特征是，所述的對攝像機內(nèi)外參數(shù)進行標(biāo)定，在對標(biāo)定點的三維坐標(biāo)獲取過程中，采用機器人的控制點來間接獲取的方式，通過這種方式將世界坐標(biāo)系與機器人本體坐標(biāo)系重合，則標(biāo)定攝像機時所獲得的攝像機外參數(shù)，即為攝像機在標(biāo)定時刻相對于機器人本體坐標(biāo)系的相對位置關(guān)系，結(jié)合標(biāo)定攝像機時刻的機器人控制點姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過坐標(biāo)系變換，能快速標(biāo)定機器人的手眼關(guān)系。
全文摘要
一種用于焊接切割領(lǐng)域的焊接機器人單目視覺傳感器及其手－眼關(guān)系快速標(biāo)定方法，傳感器的微型CCD攝像機、減光及濾光系統(tǒng)及電機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)置在安裝支架上，減光及濾光系統(tǒng)中，減光鏡片及濾光鏡片重疊設(shè)置在鏡片支架上，通過活動連桿與驅(qū)動臂相連接；電機驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動電機與減速裝置連接，減光及濾光系統(tǒng)的驅(qū)動臂直接與減速裝置輸出軸相連。本發(fā)明通過在對攝像機內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定同時，將世界坐標(biāo)系與機器人本體坐標(biāo)系重合的方法，在標(biāo)定攝像機內(nèi)外參數(shù)的同時，根據(jù)同一坐標(biāo)在兩個以上的坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變換關(guān)系，將攝像機外參數(shù)在世界坐標(biāo)系下的表示，轉(zhuǎn)換為在焊接機器人末端控制點坐標(biāo)系下來表示，完成焊接機器人的手眼關(guān)系標(biāo)定。
文檔編號B25J13/00GK1586833SQ20041005285
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月15日
發(fā)明者林濤, 朱振友, 陳善本, 陳文杰, 陳希章 申請人:上海交通大學(xué)