專利名稱：焊接機(jī)器人單目視覺傳感器的手－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(jī)器人視覺傳感器及其標(biāo)定方法，具體是一種焊接機(jī)器人單目視覺傳感器的手-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(jī)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(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，受到廣大焊接工作者的喜愛，目前已成為機(jī)器人焊接傳感器方面的研究熱點(diǎn)。視覺傳感技術(shù)在焊接機(jī)器人上應(yīng)用較多的是進(jìn)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(duì)于焊接機(jī)器人進(jìn)行路徑導(dǎo)引控制時(shí)，常常采用手-眼視覺配置方式，這時(shí)對(duì)于焊接機(jī)器人的手-眼關(guān)系標(biāo)定是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)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(jī)器人視覺傳感器的研究”，該文獻(xiàn)為實(shí)現(xiàn)智能球罐焊接機(jī)器人的自主運(yùn)動(dòng)與焊縫自動(dòng)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(dòng)電路、光電信號(hào)處理電路等組成，其中光電處理電路全部由硬件實(shí)現(xiàn)。整個(gè)視覺傳感系統(tǒng)可以避免焊接時(shí)弧光的干擾，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測出焊縫軌跡線偏差信號(hào)，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(jī)前端不能移動(dòng)，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(bào)》2001，Vol29，NO.345-47)上發(fā)表的“空間物體定位的機(jī)器人手眼視覺標(biāo)定方法”，該文獻(xiàn)提出了一種用于空間物體定位的機(jī)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(jī)器人坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并假定在標(biāo)定過程中，物體至攝像機(jī)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(jì)算量。該方法具有定位準(zhǔn)確、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在著在標(biāo)定過程中需要移動(dòng)機(jī)器人末端執(zhí)行器，進(jìn)行多次取像及多次標(biāo)定的不足之處。在實(shí)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(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足和缺陷，提供一種焊接機(jī)器人單目視覺傳感器的手-眼關(guān)系快速標(biāo)定方法，使其實(shí)現(xiàn)了焊接機(jī)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(jì)算量和復(fù)雜程度，具有較高的精度，完全滿足焊接機(jī)器人的生產(chǎn)實(shí)際工作需要。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，焊接機(jī)器人單目視覺傳感器包括微型CCD攝像機(jī)、減光及濾光系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及安裝支架。其連接關(guān)系為微型CCD攝像機(jī)、減光及濾光系統(tǒng)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都設(shè)置在安裝支架上，其中微型CCD攝像機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)焊接場景及被焊工件以及焊接熔池圖像的采集；電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速裝置，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速裝置固定連接，由減速裝置輸出軸輸出。通過電機(jī)控制接口電路，可以采用機(jī)器人控制器內(nèi)的通用I/O對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)由焊接機(jī)器人控制器直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功能。從而既可以在對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行示教作業(yè)時(shí)，由示教編程器對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制，也可以通過主控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)編程控制，從而滿足在不同工作階段驅(qū)動(dòng)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(dòng)連桿、驅(qū)動(dòng)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(dòng)連桿與驅(qū)動(dòng)臂相連接，并且驅(qū)動(dòng)臂直接與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的減速裝置輸出軸相連，可被輸出軸驅(qū)動(dòng)正/反向旋轉(zhuǎn)；本發(fā)明整個(gè)傳感器通過安裝支架與焊接機(jī)器人末端的焊槍固定連接。
本發(fā)明傳感器使用時(shí)，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(shí)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)減光及濾光系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)臂反轉(zhuǎn)，通過活動(dòng)連桿，將減光片及濾光片安裝支架從攝像機(jī)前端移開，使攝像機(jī)可以直接拍攝被焊工件圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫及焊接起始位置的識(shí)別確認(rèn)，進(jìn)行焊接機(jī)器人對(duì)初始焊接位置的識(shí)別及導(dǎo)引；在進(jìn)行焊接過程階段，由于電弧已經(jīng)引燃，光照十分強(qiáng)烈，為了使攝像機(jī)能夠清晰對(duì)焊接熔池成像，可控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)減光及濾光系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)臂正轉(zhuǎn)，通過活動(dòng)連桿，將減光片及濾光片安裝支架移到攝像機(jī)前端，從而使攝像機(jī)通過濾光片及減光片對(duì)焊接熔池成像，通過對(duì)熔池圖像的處理可以進(jìn)行焊接過程的焊縫跟蹤及焊接熔透控制。從而實(shí)現(xiàn)了只采用單獨(dú)一個(gè)攝像機(jī)來進(jìn)行多種傳感需求，簡化了傳感器的結(jié)構(gòu)，滿足實(shí)用性要求。
攝像機(jī)的安裝位置固定以后，需要對(duì)攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)及焊接機(jī)器人的手眼關(guān)系參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，并且在攝像機(jī)與機(jī)器人手臂(焊槍)相對(duì)位置發(fā)生變化的時(shí)候，需要重新對(duì)機(jī)器人的手眼關(guān)系參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，可見，簡便快速的焊接機(jī)器人手眼標(biāo)定算法對(duì)于實(shí)際應(yīng)用是十分必要的。
本發(fā)明焊接機(jī)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(duì)攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定同時(shí)，將世界坐標(biāo)系與機(jī)器人本體坐標(biāo)系重合的方法，在標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的同時(shí)，根據(jù)同一坐標(biāo)在兩個(gè)以上的坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變換關(guān)系，將攝像機(jī)外參數(shù)在世界坐標(biāo)系下的表示，轉(zhuǎn)換為在焊接機(jī)器人末端控制點(diǎn)(手)坐標(biāo)系下來表示，從而完成焊接機(jī)器人的手眼關(guān)系標(biāo)定。
本發(fā)明包括如下步驟(1)根據(jù)“五點(diǎn)標(biāo)定法”對(duì)焊接機(jī)器人控制點(diǎn)(焊槍尖端點(diǎn))進(jìn)行精確標(biāo)定；(2)對(duì)攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，并且在標(biāo)定取像時(shí)刻記錄機(jī)器人控制點(diǎn)的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。其中，標(biāo)定所獲取的攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)是攝像機(jī)自身的成像幾何模型固有參數(shù)，它對(duì)于某一攝像機(jī)來說，一經(jīng)標(biāo)定就不會(huì)再變。而外參數(shù)表征在標(biāo)定取像時(shí)刻，攝像機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的相對(duì)位置關(guān)系。在對(duì)標(biāo)定點(diǎn)的三維坐標(biāo)獲取過程中，采用機(jī)器人的控制點(diǎn)來間接獲取的方式，通過這種方式可將世界坐標(biāo)系與機(jī)器人本體坐標(biāo)系重合，則標(biāo)定攝像機(jī)時(shí)所獲得的攝像機(jī)外參數(shù)，即為攝像機(jī)在標(biāo)定時(shí)刻相對(duì)于機(jī)器人本體坐標(biāo)系的相對(duì)位置關(guān)系，結(jié)合標(biāo)定攝像機(jī)時(shí)刻的機(jī)器人控制點(diǎn)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(jī)器人的手眼關(guān)系。
本發(fā)明在焊接機(jī)器人的不同工作階段，根據(jù)不同的工作需要，傳感器可實(shí)現(xiàn)不同的功能，可以滿足多種工作需要。所設(shè)計(jì)的機(jī)器人手-眼關(guān)系快速標(biāo)定方法與傳統(tǒng)的機(jī)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(dòng)焊接機(jī)器人，降低了由于焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的標(biāo)定誤差。并且取像次數(shù)與對(duì)攝像機(jī)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(jì)算量和復(fù)雜程度，具有較高的精度和較大的使用價(jià)值，完全滿足焊接機(jī)器人的生產(chǎn)實(shí)際工作需要。


圖1本發(fā)明涉及的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明焊接機(jī)器人單目視覺傳感器包括微型CCD攝像機(jī)1、減光及濾光系統(tǒng)2、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3及安裝支架4。其連接關(guān)系為微型CCD攝像機(jī)1、減光及濾光系統(tǒng)2以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)連桿8、驅(qū)動(dòng)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(dòng)連桿8與驅(qū)動(dòng)臂9相連接，并且驅(qū)動(dòng)臂9直接與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的減速裝置11輸出軸相連，可被輸出軸驅(qū)動(dòng)正/反向旋轉(zhuǎn)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)10和減速裝置11，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(gè)傳感器通過安裝支架4與焊接機(jī)器人末端的焊槍12固定連接。
以下對(duì)本發(fā)明方法的內(nèi)容作進(jìn)一步的理解對(duì)于焊接機(jī)器人手-眼關(guān)系的快速標(biāo)定方法，其具體實(shí)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(duì)于{A}的描述為，{C}相對(duì)于{B}的描述為，則可獲得如下公式(1)TCA=TCBBAT=RBApB0A0001RCBpC0B0001=RBARCBRBApC0B+pB0A0001---(1)]]>根據(jù)攝像機(jī)標(biāo)定時(shí)所求得的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矢量T，可以求得機(jī)器人本體坐標(biāo)系Crob與攝像機(jī)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(jī)標(biāo)定取像時(shí)刻可以實(shí)時(shí)讀取機(jī)器人手臂末關(guān)節(jié)坐標(biāo)系Ch相對(duì)于機(jī)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(jī)器人手臂末關(guān)節(jié)坐標(biāo)系Ch相對(duì)于機(jī)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(jī)坐標(biāo)系、焊接機(jī)器人本體坐標(biāo)系(世界坐標(biāo)系)與機(jī)器人手臂末端(焊槍)坐標(biāo)系這三個(gè)坐標(biāo)系組成了一個(gè)閉合鏈環(huán)，從而可以求得機(jī)器人手臂末關(guān)節(jié)坐標(biāo)系Ch相對(duì)于攝像機(jī)坐標(biāo)系Cc的描述。則僅通過在一個(gè)位置進(jìn)行一次取像標(biāo)定，就可以實(shí)現(xiàn)在標(biāo)定攝像機(jī)外參數(shù)的同時(shí)標(biāo)定焊接機(jī)器人的“手-眼”關(guān)系。
權(quán)利要求
1.一種焊接機(jī)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(duì)攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定同時(shí)，將世界坐標(biāo)系與機(jī)器人本體坐標(biāo)系重合的方法，在標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的同時(shí)，根據(jù)同一坐標(biāo)在兩個(gè)以上的坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變換關(guān)系，將攝像機(jī)外參數(shù)在世界坐標(biāo)系下的表示，轉(zhuǎn)換為在焊接機(jī)器人末端控制點(diǎn)坐標(biāo)系下來表示，從而完成焊接機(jī)器人的手眼關(guān)系標(biāo)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接機(jī)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(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的具體限定(1)根據(jù)“五點(diǎn)標(biāo)定法”對(duì)焊接機(jī)器人控制點(diǎn)即焊槍尖端點(diǎn)進(jìn)行精確標(biāo)定；(2)對(duì)攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，并且在標(biāo)定取像時(shí)刻記錄機(jī)器人控制點(diǎn)的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，其中，標(biāo)定所獲取的攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)是攝像機(jī)自身的成像幾何模型固有參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的焊接機(jī)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(duì)攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，在對(duì)標(biāo)定點(diǎn)的三維坐標(biāo)獲取過程中，采用機(jī)器人的控制點(diǎn)來間接獲取的方式，通過這種方式將世界坐標(biāo)系與機(jī)器人本體坐標(biāo)系重合，則標(biāo)定攝像機(jī)時(shí)所獲得的攝像機(jī)外參數(shù)，即為攝像機(jī)在標(biāo)定時(shí)刻相對(duì)于機(jī)器人本體坐標(biāo)系的相對(duì)位置關(guān)系，結(jié)合標(biāo)定攝像機(jī)時(shí)刻的機(jī)器人控制點(diǎn)姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過坐標(biāo)系變換，能快速標(biāo)定機(jī)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(jī)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(jī)、減光及濾光系統(tǒng)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)連桿與驅(qū)動(dòng)臂相連接；電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速裝置連接，減光及濾光系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)臂直接與減速裝置輸出軸相連。本發(fā)明通過在對(duì)攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定同時(shí)，將世界坐標(biāo)系與機(jī)器人本體坐標(biāo)系重合的方法，在標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的同時(shí)，根據(jù)同一坐標(biāo)在兩個(gè)以上的坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變換關(guān)系，將攝像機(jī)外參數(shù)在世界坐標(biāo)系下的表示，轉(zhuǎn)換為在焊接機(jī)器人末端控制點(diǎn)坐標(biāo)系下來表示，完成焊接機(jī)器人的手眼關(guān)系標(biāo)定。
文檔編號(hào)B25J19/00GK101053953SQ20071000764
公開日2007年10月17日 申請(qǐng)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(qǐng)人:上海交通大學(xué)