[發明專利]一種焊縫跟蹤系統的實時姿態估計方法

有效

• 申請號: 202010131645.4
• 申請日: 2020-02-28
• 公開（公告）號: CN111299761B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 鄒焱飚;陳佳鑫
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B23K9/127
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;江裕強

1.一種焊縫跟蹤系統的實時姿態估計方法，該方法基于的焊縫跟蹤系統包括焊接機器人、焊槍、激光視覺傳感器、激光視覺傳感器外連接件、工作臺、支撐墊塊、配套焊接設備、嵌入式工控機、控制柜、工件，其特征在于：該方法包括步驟：

S1、焊接開始前，將工件放置于支撐墊塊上，在執行每次焊接前，調節支撐墊塊的角度，使得工件具有不同的初始姿態，并采用G型夾具裝夾固定，保證焊接機器人能在不同的焊接工況下進行焊接；激光視覺傳感器中的工業相機先采集焊縫圖像并發送到嵌入式工控機，所述嵌入式工控機對采集的圖像進行初始化處理得到初始焊縫特征點的像素坐標值，采用形態學交叉法得到焊縫兩側交叉點的像素坐標值，將兩像素坐標值轉換為焊接機器人基坐標系下的三維坐標值；

S2、焊接開始后，所述激光視覺傳感器的工業相機將連續采集的每一幀圖像發送至所述嵌入式工控機，采集圖像中焊縫特征點和焊縫兩側交叉點的像素坐標值，將兩像素坐標值轉換成焊接機器人基坐標系下的三維坐標值并保存為點云數據，利用保存的點云數據計算得到焊接機器人的位置和姿態；具體包括以下步驟：

S21、焊接開始后激光視覺傳感器的相機以60fps的采樣頻率連續采集圖像，并發送至嵌入式工控機進行處理；

S22、將采集圖像中焊縫特征點和焊縫兩側交叉點的像素坐標值為對當前幀圖像采用高效卷積操作濾波器跟蹤算法處理，進行目標跟蹤定位確定圖像中焊縫特征點的像素坐標值，同時進行形態學交叉確定圖像中焊縫兩側交叉點的像素坐標值；

S23、通過標定算法，將得到的初始焊縫特征點和焊縫兩側交叉點的像素坐標值轉換成焊接機器人基坐標系下的三維坐標值；

S24、將采集的數據保存為點云，通過構建點云數據、實時構建工件坐標系、獲取旋轉角度，得到焊接機器人的位置和姿態；所述構建工件坐標系包括以下步驟：

S2421、建立單位向量Z_T，為了使Z_T能夠較好地反映在當前焊接工件平面傾斜情況，確保姿態的實時性，在每次建立單位向量Z_T時，選取焊縫兩側交叉點點云數據的最新M幀作為數據源，擬合數據源得到點云平面，得到點云平面法向量Z，單位化求得單位向量Z_T；使用魯棒性最小二乘法擬合點云平面，得到點云平面方程，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代表點云平面方程的系數、x、y、z表示點的三維坐標；

S2422、該點云平面的法向量為Z{A_p，B_p，C_p}，為了方便獲取機器人基坐標系與工件坐標系之間的轉換矩陣，此處將法向量Z單位化，得到單位向量Z_T{A_pc，B_pc，C_pc}，隨著跟蹤焊縫長度的增加，實時建立一系列的單位向量Z_T；

S2421、建立單位向量Z_T，為了使Z_T能夠較好地反映在當前焊接工件平面傾斜情況，確保姿態的實時性，在每次建立單位向量Z_T時，選取焊縫兩側交叉點點云數據的最新M幀作為數據源，擬合數據源得到點云平面，得到點云平面法向量Z，單位化求得單位向量Z_T；使用魯棒性最小二乘法擬合點云平面，得到點云平面方程，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代表點云平面方程的系數、x、y、z表示點的三維坐標；

S2422、該點云平面的法向量為Z{A_p，B_p，C_p}，為了方便獲取機器人基坐標系與工件坐標系之間的轉換矩陣，此處將法向量Z單位化，得到單位向量Z_T{A_pc，B_pc，C_pc}，隨著跟蹤焊縫長度的增加，實時建立一系列的單位向量Z_T；

S2423、建立單位向量X_T，在每次建立單位向量X_T時，選取特征點點云數據的最新M幀作為數據源，將數據源投影到A_px+B_py+C_pz+D_p＝0平面上，得到投影數據源；對投影數據源進行曲線擬合，因工件為圓弧型，故此處采用圓函數對數據進行擬合，得到圓函數方程：

(x-a)²+(y-b)²＝R²

其中，a，b分別為圓心的坐標，R為圓的半徑；x，y為特征點的坐標；

S2424、選取投影數據源的第末15幀，獲取該點坐標處的切向量X，令A_px+B_py+C_pz+D_p＝0、(x-a)²+(y-b)²＝R²的數據移至一側，這兩個數據分別設為F(x，y，z)、G(x，y，z)，采用隱函數，得切向量X{D_p，E_p，F_p}，并進行單位化得到單位向量X_T{D_pc，E_pc，F_pc}：

式中，

x₀、y₀表示為跟蹤的特征點在機器人基坐標系下橫坐標和縱坐標；

S2425、隨著跟蹤焊縫長度的增加，實時建立一系列的單位向量X_T；

S2426、通過正交單位向量Z_T和單位向量X_T，得到向量Y_T，實時構建出工件坐標系；

S3、將步驟S2得到的焊接機器人的位置和姿態與當前焊接機器人的位置和姿態作差，將得到的偏差實時發送給機器人控制柜，控制柜輸出控制信號傳輸給焊接機器人，使焊槍末端的焊絲沿著工件的焊縫運動，完成焊縫跟蹤系統的實時姿態估計。