[發明專利]一種基于線結構光視覺檢測的曲線焊縫三維重建方法

有效

• 申請號: 201610280356.4
• 申請日: 2016-04-29
• 公開（公告）號: CN105783726B
• 公開（公告）日: 2018-06-19
• 發明（設計）人: 王秀平;白瑞林;呂佳;陳晶
• 申請（專利權）人: 無錫科技職業學院
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00
• 代理公司: 無錫盛陽專利商標事務所(普通合伙) 32227
• 代理人: 顧吉云

1.一種基于線結構光視覺檢測的曲線焊縫三維重建方法，其包括機械臂、線結構光視覺系統，控制器控制連接所述機械臂，所述線結構光視覺系統包括攝像機、線結構光投射器，所述攝像機固定于所述機械臂末端，所述線結構光投射器固定于所述攝像機一側，且投射于待焊工件表面，其特征在于：所述曲線焊縫三維重建方法的步驟如下：

(1)、系統標定：先采用基于靶標的方法標定所述攝像機內外參數，以及采用改進的Steger方法提取光條中心線，然后采用交比不變性原理或Plucker矩陣的方法標定線結構光平面方程，再采用求解CX＝XD的方法實現手眼矩陣標定，即機械臂末端與攝像機間的矩陣標定；

(2)、焊縫檢測：對所述攝像機采集的焊縫圖像進行預處理，隨后采用所述改進的Steger方法提取光條中心線，再結合所述待焊工件表面幾何特征提取焊縫中心點，獲得所述焊縫中心點在圖像中的坐標；

(3)、焊縫重建：采用所述控制器操縱所述機械臂末端運動，系統實時讀取所述機械臂末端的位姿信息，所述線結構光視覺系統在所述機械臂的帶動下沿焊縫進行掃描，獲得一組焊縫圖像，根據所述步驟(2)中提取這組掃描圖像的焊縫中心點，根據所述步驟(1)中標定的結果計算出這組焊縫中心點在所述機械臂基坐標系中的三維坐標，通過這組焊縫中心點的三維坐標，采用最小二乘法進行三維曲線擬合，從而重建出完整的三維曲線焊縫；

所述步驟(1)中的標定方法步驟是：

(1.1)、打開所述線結構光投射器，用所述控制器操縱并調整所述機械臂的位姿，將線結構光投射到標定靶標上，拍攝一幅帶結構光的標定靶標圖像；

(1.2)、關閉所述線結構光發射器，保持所述機械臂位姿不變，拍攝一幅不帶結構光的標定靶標圖像；

(1.3)、重復所述步驟(1.1)和(1.2)，在至少3個不同位姿上，獲得至少三組標定靶標圖像，并從所述控制器上讀取所述機械臂末端位姿；

(1.4)、對不帶結構光的標定靶標圖像，提取亞像素級靶標特征點，由至少3幅圖像標定所述攝像機內部參數矩陣并獲得每幅圖像所對應的所述攝像機外部參數矩陣Rt，其中f_u、f_v分別為u軸和v軸的尺度因子，f_s是u軸和v軸的不垂直因子，(u₀,v₀)為主點坐標，旋轉矩陣R與平移向量t構成所述攝像機外部參數矩陣；

(1.5)、由同組的兩幅圖像相減，利用所述改進的Steger方法提取光條中心線，并獲得光條方程，再求解光條在所述攝像機坐標系下的Plücker矩陣，由多條光條空間直線的Plücker矩陣，求解光平面在所述攝像機坐標系的平面方程，并通過非線性優化方法得到光平面方程在最大似然準則下的最優解；

(1.6)、在所述步驟(1.4)的基礎上，結合手眼關系即所述攝像機與機械臂末端之間的位姿關系以及在所述攝像機坐標系中的結構光平面方程ax+by+cz＝0，其中，R_m為旋轉矩陣，p_m為平移矩陣，a、b、c為結構光平面方程的參數，隨后采用求解CX＝XD的方法實現手眼矩陣標定,其中X即為T_m，C為所述攝像機在兩個不同位姿處的外參數相對矩陣，D為所述機械臂末端在兩個不同位姿處的位姿變換矩陣。

2.根據權利要求1所述的一種基于線結構光視覺檢測的曲線焊縫三維重建方法，其特征在于：所述步驟(2)中焊縫檢測的步驟是：

(2.1)、對線結構光投射到所述待焊工件表面形成的結構光條紋，采用所述改進的Steger方法提取光條中心線，并獲得光條方程；

(2.2)、所述待焊工件包括兩塊金屬板，所述金屬板之間的位置關系為對接焊或者搭接焊或者T型焊，在光條中心線提取之后，結合所述金屬板之間焊縫類型，從而確定焊縫中心點。

3.根據權利要求1所述的一種基于線結構光視覺檢測的曲線焊縫三維重建方法，其特征在于：所述步驟(3)的焊縫重建步驟是：

(3.1)、設所述焊縫中心點的圖像坐標為m＝[u，v]^T，在所述攝像機坐標系中的坐標為M_c＝[x_c，y_c，z_c]^T,則該點在所述攝像機歸一化成像平面上的坐標為M_c1＝[x_c1，y_c1，1]^T，有所述攝像機光軸中心與M_c1點的連線為由于所述焊縫中心點既在結構光平面上，又在所述攝像機光軸中心與成像平面上的成像點的連線上，聯立直線方程和結構光平面方程ax+by+cz+1＝0，即可求得所述焊縫特征點在所述攝像機坐標系中的三維坐標,即

(3.2)、由所述控制器讀取所述機械臂末端的位姿，計算得機器人基坐標系與末端坐標系之間變換關系T₆，從而計算得所述焊縫特征點在所述機器人基坐標系下的三維坐標M_b＝[x_b，y_b，z_b]^T，即由得出機器人基坐標系下的一組焊縫特征點，通過采用最小二乘法進行三維曲線擬合，即可重建出完整的三維曲線焊縫。