[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

本發明公開了一種焊縫跟蹤系統的實時姿態估計方法，包括以下步驟：S1、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，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、工業相機將連續采集的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，利用點云數據計算得到焊接機器人的位置和姿態；S3、將位置和姿態與當前焊接機器人的位置和姿態作差，并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。本發明能使得焊接機器人較好地適應于各種焊接工況，在強烈弧光、飛濺等強噪聲的干擾下依然能實現精確的焊縫姿態估計，進而提高了焊縫質量。

技術領域

本發明屬于焊接機器人焊縫跟蹤領域，特別涉及一種焊縫跟蹤系統的實時姿態估計方法。

背景技術

現在的焊接機器人基本上都是在焊接之前先進行示教，讓機器人每次都走一個固定的軌跡，這種方式有一個好處就是重復精度高，運動軌跡不需要修正，但是，該方法有一個致命的缺陷就是不夠隨機應變，不夠靈活，當需要焊接的工件加工精度比較差。

實時的焊縫跟蹤系統以及從圖像處理得到的坐標轉換成機器人相應的運動是當前焊接機器人焊接過程中亟待解決的問題，國內外的很多學者圍繞目標跟蹤算法、相應的圖像處理、標定算法和機器人實時通訊系統進行了深入細致的研究。經過學者們細致地研究，目前在一定程度上能夠實現自動焊接焊縫。但是，在如上研究中，很多學者僅僅考慮到將焊接工件平放裝夾這一單一的焊接工況，在焊接過程中機器人姿態并無改變。然而在實際焊接中，焊接工件存在著各種復雜的焊接工況，機器人的姿態也應實時做出調整，故對焊接工件進行實時姿態估計至關重要。

N點透視(PNP)問題是姿態估計領域的經典問題。為解決此問題，Lepetit提出了一種N點透視問題的精確解(EPNP),世界坐標系下的三維點由4個控制點線性組合，聯立三維點求解3D姿態。Dementhon提出了比例正交投影迭代變換算法(POSIT)，通過輸入非共面四點的三維坐標和對應圖像的二維坐標，進行透視投影變換并進行迭代求得旋轉矩陣和平移向量，進而估算出物體的3D姿態。如上姿態估計算法雖然實現了對物體的實時姿態估計，但是均是在無噪聲環境下實現的。在焊接過程中，存在著強弧光飛濺等強噪聲的干擾，導致了焊接工件的實時姿態估計難度大大提升。在如上算法的啟發下，提出了一種焊縫跟蹤系統的實時姿態估計方法，通過實時獲取焊接工件的點云數據進而實現焊縫的實時姿態估計。為了在強噪聲的焊接環境下實時準確地獲取點云數據，采用高效卷積操作濾波器跟蹤算法(ECO)和形態學交叉法。

Martin Danelljan等人提出了連續型卷積操作濾波器算法(CCOT)跟蹤算法，使用深度神經網絡VGG-net提取特征，通過立方插值，將不同分辨率的特征圖插值到連續空間域，再應用黑塞(Hessian)矩陣可以求得亞像素精度的目標位置。考慮到更新參數眾多影響實時性，且大多濾波器貢獻都不大，原作者提出了高效卷積操作濾波器跟蹤算法，并作了改進：通過引入因式分解的卷積算子減少模型的訓練參數，只保留貢獻較大的濾波器參數。此外，通過每隔N_s幀更新一次模型，節約時間且避免了模型的漂移。高效卷積操作濾波器跟蹤算法能在維持原有精度的情況下，準確定位焊縫特征點，大大提高跟蹤速度，滿足焊縫跟蹤系統實時焊接的需求。

形態學交叉法通過閾值分割、形態學處理、區域選擇、骨架提取、提取交叉點等一系列操作提取交叉點。該方法穩定且速度較快，滿足焊縫跟蹤系統實時焊接的需求。

因此，為了解決在強噪聲干擾的焊接環境下對焊接工件進行實時姿態估計的問題，研究了點云姿態估計算法并結合了高效卷積操作濾波器跟蹤算法、形態學交叉法，并設計了焊接機器人進行焊縫姿態估計實驗，本發明依此提出。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種焊縫跟蹤系統的實時姿態估計方法，解決了現有的焊接機器人不能適應于各種焊接工況以及焊接質量、精度不高的問題。

本發明至少通過如下技術方案之一實現。