[发明专利]基于3D点云的焊缝提取与拟合方法

说明书

本发明的目的在于提供一种基于3D点云的焊缝提取与拟合方法，基于线结构光相机获取点云；对点云数据进行包含点云拼接、统计滤波、直通截取、均匀采样在内的预处理操作，提取焊接工件的点云数据；对上述工件点云使用移动最小二乘法拟合三阶曲面计算每点的主曲率；通过设定阈值，识别出曲率值满足要求的潜在焊缝点云；通过与CAD模型导出的标准点云进行ICP配准，剔除其他轮廓线的点，提取出所需的焊缝点云；将焊缝点云坐标转换到机器人的基坐标系下，并进行B样条拟合，得到焊缝轨迹。应用本发明方法不需要手动示教即可获取复杂焊缝的空间轨迹，且具有提取速度快，轨迹准确等优点，适合于角接、搭接等焊缝类型。

技术领域

本发明属于自动化焊接技术领域，具体涉及一种基于3D点云的焊缝提取与拟合方法。

背景技术

焊接是工业生产制造过程中极重要的步骤之一。由于焊接是一项工作强度大、工作环境恶劣、对工人技术要求较高的工作，焊接自动化技术对提高生产效率和保护工人身体健康都具有重大意义。

如今，生产线上使用的焊接机器人工作方式大部分都是示教编程焊接。示教编程，即操作人员通过示教器，手动控制机器人的关节运动，以使机器人运动到预定的位置，同时将该位置进行记录，并传递到机器人控制器中，之后的机器人可根据指令自动重复该任务。但示教在线编程过程繁琐、效率低。精度完全是靠示教者的目测决定。目前也有少部分焊接机器人采用离线编程。离线编程，通过在计算机上模拟仿真编程，但精度得不到保证，还是需要在示教编程上进行一定的修正。

实际生产中，工件上的焊缝多是复杂的。而对于示教编程焊接，若焊缝形状比较复杂，则需要进行多次示教操作，增大了工作量，严重降低了工厂的生产效率。为了提高焊接的自动化程度，提高生产效率，缩短生产时间，焊缝自动提取技术随之发展，通过自动提取空间焊缝，为自动化编程提供支撑，避免了繁琐耗时的示教过程。当三维空间曲线焊缝形状较为复杂、不规则，若使用人工示教编程则需要示教的路径点较多、示教精度较大程度上取决于操作员的经验和水平、效率低下，焊接质量无法得到保证。这时自动对焊缝进行提取与拟合的优势尤为突出。

目前传统的焊缝提取技术都得益于二维机器视觉技术的发展。但传统的基于二维视觉的技术受背景环境的影响比较大，且工件表面的氧化程度、光照强度及角度都会对焊缝提取效果造成一定的影响。而且二维视觉的定位精度受相机的标定精度影响比较大。采用结构光相机获取点云数据，能够获取高精度的三维空间坐标数据，能够很好的表征工件的表面与形状，是获取高精度焊缝的有力基础。研究结构光相机获取点云数据并与机器人结合应用到焊接领域，是焊接机器人技术的一个重要且有前景的研究方向。

发明内容

针对现有技术所存在的问题和待改进之处，本发明提供一种基于3D点云的焊缝提取与拟合方法，涉及针对角接焊缝和搭接焊缝的焊缝提取，能够实现高精度且快速的提取焊缝轨迹，并基于二维视觉方法所难以完成的对焊缝起始点和末尾点的准确定位，本发明提取角接焊缝和搭接焊缝时精度高且快速，只需提供焊接工件的三维模型就可以快速地获取焊缝轨迹，可以提高工业生产制造的效率，具有识别准确、自动化程度高、计算快速等优点。

其基本方案包括：基于线结构光相机获取点云；对点云数据进行包含点云拼接、统计滤波、直通截取、均匀采样在内的预处理操作，提取焊接工件的点云数据；对上述工件点云使用移动最小二乘法拟合三阶曲面计算每点的主曲率；通过设定阈值，识别出曲率值满足要求的潜在焊缝点云；通过与CAD模型导出的标准点云进行ICP配准，剔除其他轮廓线的点，提取出所需的焊缝点云；将焊缝点云坐标转换到机器人的基坐标系下，并进行B样条拟合，得到焊缝轨迹。应用本发明方法不需要手动示教即可获取复杂焊缝的空间轨迹，且具有提取速度快，轨迹准确等优点，适合于角接、搭接等焊缝类型。

本发明解决其技术问题具体采用的技术方案是：

一种基于3D点云的焊缝提取与拟合方法，包括以下步骤：

步骤S1：获取相机坐标系到机器人基座标系的转换矩阵T_ctob；