[发明专利]机器人激光扫描式焊缝跟踪系统标定方法

摘要

本发明公开了一种机器人激光扫描式焊缝跟踪系统标定方法。本发明首先采用基于平面模板对传感器里的摄像机进行标定，通过自由移动传感器，使得摄像机采集到至少三个不同位置，根据最小二乘原理求解摄像机的内部参数。然后求取激光平面上无穷远处一点在摄像机中投影的图像坐标，对结构光进行标定。最后将标定好的传感器通过法兰盘固定于机械手末端，通过改变机器人的姿态使用传感器检测空间中同一目标点，求解摄像机坐标系与机械手末端坐标系的转换矩阵。本发明以机器人激光扫描式焊缝跟踪系统为研究对象，采用基于平面模板的摄像机标定方法和激光平面上无穷远处一点在摄像机中投影的图像坐标，对结构光参数进行标定。

主权项

机器人激光扫描式焊缝跟踪系统标定方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤1.采用基于平面模板对传感器里的摄像机进行标定，通过自由移动传感器，使得摄像机采集到至少三个不同位置的模板图像，根据最小二乘原理求解摄像机的内部参数；步骤2.求取激光平面上无穷远处一点在摄像机中投影的图像坐标，对结构光进行标定，具体是：将标定靶水平放置,调节传感器的位置，使摄像机的光轴垂直于标定靶，激光平面与两条平行线交于A、B两点，控制摄像机沿光轴方向移动，得到一系列的交点Ai、Bi，i＝1,2…n，其在摄像机中的投影为ai、bi；交点Ai、Bi在激光平面上形成两条平行线，其在无穷远处交于一点；将ai与bi分别拟合成直线，两条直线的交点即激光平面上无穷远处一点在摄像机中投影；激光平面存在一点P(xc，yc，zc)在图像平面的像点为p(x，y)；根据三角法测量原理，得：xc=b·xfcotθ-xyc=b·yf·cotθ-xzc=b·ff·cotθ-x---(1)]]>其中，θ为坐标轴Xc与激光平面的夹角，f为摄像机焦距；设点P为激光平面上无穷远处一点，即(xc，yc，zc)→∞，zc→∞，得知f·cotθ‑x∞→0即得：cotθ＝x∞/f           (2)其中，x∞为激光平面上无穷远处一点在摄像机中投影的图像坐标；若将写成全微分形式，即得到：Δyc=∂yc∂y+∂yc∂x=bfcotθ-x·Δy+∂yc∂x.Δx---(3)]]>若令Δx＝0即得到：Δyc=bfcotθ-x·Δy---(4)]]>由式(4)得到：b=fcotθ-xΔy·Δyc---(5)]]>其中，x为当前目标点的图像坐标；若控制Δyc，并通过图像处理获得相应的Δy，则结构光的基长b确定；步骤3.将标定好的传感器通过法兰盘固定于机械手末端，通过改变机器人的姿态使用传感器检测空间中同一目标点，求解摄像机坐标系与机械手末端坐标系的转换矩阵，具体是：通过改变机器人的姿态多次检测同一目标点M，机器人在第i个位姿下，目标点M在摄像机坐标系下的坐标为MiC，机器人基坐标系下的坐标为MR，存在如下转换关系：MR=TERiTCEMiC---(6)]]>MR1=RERitERi01RCEtCE01Mic1---(7)]]>其中，TERi为机器人第i位姿，机械手末端相对于基坐标系的转换矩阵，包括旋转矩阵RERi与平移向量tERi；TCE为摄像机坐标系相对于机械手末端坐标系的转换矩阵；式(7)展开得：MR=RERiRCEMic+RERitCE+tERi---(8)]]>控制机械手对目标点M就行对多次测量，得到：MR=RER1RCEM1c+RER1tCE+tER1MR=RER2RCEM2c+RER2tCE+tER2...MR=RERnRCEMnc+RERntCE+tERn---(9)]]>1)旋转矩阵RCE求解如果运动过程中机器人的姿态保持不变即RER1＝RER2＝…＝RERn＝R0；由于R0是正交矩阵，即有通过多次测量得：RCE[M2c-M1cM3c-M1c...Mnc-M1c]=R0T[tER1-tER2tER1-tER3...tER1-tERn]---(10)]]>令b1=R0T[tER1-tER2tER1-tER3...tER1-tERn]]]>则式(10)写为RCEA1＝b1的矩阵方程，按奇异矩阵分解法Q求解，即RCE＝VUT           (11)其中V和U分别为矩阵的右奇异矩阵和左奇异矩阵；2)平移向量tCE根据式(8)得：(RER2-RER1)tCE=RER1RCEM1c-RER2RCEM2c+tER1-tER2---(12)]]>控制机械手臂多个姿态对目标点进行检测得到：A2tCE＝b2tCE=(A2TA2)-1A2Tb2---(13)]]>其中A2＝[RER2‑RER1 RER3‑RER1…RERn‑RER1],b2＝[RER1RCEM1C‑RER2RCEM2C+tER1‑tER2 RER1RCEM1C‑RER3RCEM3C+tER1‑tER3…RER1RCEM1C‑RERnRCEMnC+tER1‑tERn]。