欠驱动机构约束下的移动焊接机器人自动标定方法及系统

本发明涉及机器人自动化焊接领域，尤其涉及一种欠驱动机构约束下的移动焊接机器人自动标定方法及系统。

背景技术：

1、移动焊接小车在桥梁、大型钢结构等重型装备制造与维护中应用广泛，其能够在复杂工况下灵活移动，实现对长焊缝、大范围作业的高质量、高效率焊接。尤其在桥梁箱梁、舱体内部等狭窄空间区域，由于结构封闭、作业范围受限，传统多关节机械臂往往无法展开，此时基于十字滑台的焊接小车成为关键解决方案：通过两个正交方向的直线运动，可靠地改变焊枪末端位置，完成内部结构的焊缝跟踪与焊接。

2、然而，在这种仅能改变焊枪位置、无法自动调节姿态的十字滑台焊接系统中，要实现高精度的自动化焊接，其核心挑战在标定——即精确建立视觉传感器坐标系与十字滑台运动坐标系之间的变换关系。传统标定方法在此类场景下面临难题：

3、其一，物理空间与环境的严苛限制，使传统标定工具无法使用。在桥梁箱体、船舶舱室等内部，空间极其有限，且布满各种结构件、焊渣和灰尘。携带和放置一个标准、精密的标定板（如棋盘格或圆点阵列板）不仅操作极为不便，甚至完全无法找到合适的平整安装面。恶劣的光照条件（如昏暗、强反射）也会严重影响标定板的图像识别成功率，导致传统视觉标定方法在第一步就难以实施。

4、其二，运动约束导致标定信息获取不充分，精度难以保证。十字滑台本质上是一个二维平移机构，缺乏旋转自由度。传统手眼标定方法（如ax=xb）严重依赖传感器或末端执行器在三维空间中多姿态、多方向的运动来获取丰富的位姿对应数据，以求解方程。受限于滑台的运动能力，无法主动提供这些多样化的姿态，导致采集的标定数据矩阵病态，求解结果不稳定，标定精度和鲁棒性显著下降。

5、其三，传统的线激光视觉标定通常采用“分步走”策略，即先独立标定线激光的光平面方程，再以此为基础标定手眼矩阵。在这种串行流程中，第一步光平面的标定误差会直接传递并放大到第二步的手眼关系中，且两组参数之间存在的解算耦合被忽略，导致最终的焊缝跟踪精度难以达到高精度焊接的要求。

技术实现思路

1、为解决现有技术中传统标定工具和方法在恶劣环境下难以实现标定、标定信息获取不充分及标定误差大的问题，本发明主要提供了一种欠驱动机构约束下的移动焊接机器人自动标定方法及系统，以实现高精度和高鲁棒性、且应用环境广泛的焊接机器人自动标定。

2、为此，本发明所采用的技术方案是：

3、提供了一种欠驱动机构约束下的移动焊接机器人自动标定方法，其特征在于，所述方法包括：

4、搭建移动焊接机器人的焊接标定平台，并对平台的多轴并行情况进行判定；其中标定平台包括焊接小车、激光视觉传感器和方形块；

5、利用标定平台，基于三向正交平移的自标定策略进行标定数据采集，并根据平台的多轴并行情况判定结果对标定平台，结合初始光平面方程进行基于两正交向量的手眼变换矩阵求解，得到标定平台的手眼变换矩阵；

6、根据得到的手眼变换矩阵和初始光平面方程，结合标定数据构建标定残差项，并对手眼变换矩阵参数和光平面方程参数进行迭代更新，得到迭代后的手眼变换矩阵参数和光平面方程参数，完成焊接标定平台的标定。

7、按上述方案，对平台的多轴并行情况进行判定具体为：

8、令工具坐标系沿xt轴、yt轴、zt轴分别运动，判断方形块顶点在相机坐标系下的像素关系和激光条纹与方形块边长的交点；

9、当沿xt轴移动时，u不变、v变；且沿yt轴移动时，u和v都变；则相机xc轴与工具xt轴平行；

10、当沿xt轴移动时，u和v都变；且沿yt轴移动时，u变，v不变；则相机yc轴与yt轴平行；

11、当沿xt轴移动时，u不变，v变；且沿yt轴移动时，u变，v不变；则三轴同时平行；

12、当沿xt轴移动时，激光条纹与方形块边长的交点在相机坐标系的z轴变化的距离与工具坐标系变化的距离相同，则相机的zc轴与zt轴平行；其中zc轴表示相机坐标系的光轴；

13、其中，u表示交点的水平方向像素坐标，v表示交点的垂直方向像素坐标。

14、按上述方案，基于三向正交平移的自标定策略进行标定数据采集具体为：

15、移动激光视觉传感器，进行工具坐标系下的xt，yt和zt方向的移动，每次移动一个轴，且每移动一定距离时拍摄此时激光视觉传感器的激光照在方形块上的图像，得到标定数据。

16、按上述方案，基于两正交向量的手眼变换矩阵求解具体包括：根据不同位置下激光与方形块边长对应的两条正交直线的对应交点的相机坐标系三维坐标，计算交点位移向量；基于两条正交直线方向向量的正交性构建点积约束方程；结合工具坐标系各坐标轴的预设步长约束，求解工具坐标系各轴的单位平移在相机坐标系下的方向向量；由所述方向向量构建手眼变换矩阵，并根据方形块顶点在世界坐标系中位置不变的约束求解手眼平移向量，得到手眼变换矩阵。

17、按上述方案，标定残差项具体包括几何距离残差、正交约束残差和步长约束残差；其中几何距离残差具体计算激光视觉传感器的激光与方形块的交点到直线的垂直距离，正交约束残差具体根据转换至世界坐标系后的两条标定边线方向向量的点积构建，步长约束残差具体根据焊接小车的末端焊枪的实际移动位置和预设移动距离计算得到。

18、按上述方案，利用雅可比矩阵计算标定残差项的梯度下降方向，结合梯度下降方向、标定残差项的向量及更新参数计算残差的更新增量；若残差的更新增量为正数，则接受残差更新并减小更新参数，重新计算更新增量；若更新增量为负数，则拒绝此次残差更新并增大更新参数，重新计算更新增量；当满足终止条件时停止迭代更新。

19、按上述方案，终止条件具体为：残差梯度下降向量的大小或残差的更新增量大小小于预设阈值，其中残差梯度下降向量根据梯度下降方向和标定残差项的向量计算得到。

20、提供了一种欠驱动机构约束下的移动焊接机器人自动标定系统，所述系统包括：

21、多轴判定模块，用于搭建移动焊接机器人的焊接标定平台，并对平台的多轴并行情况进行判定；其中标定平台包括焊接小车、激光视觉传感器和方形块；

22、标定参数求解模块，用于利用标定平台，基于三向正交平移的自标定策略进行标定数据采集，并根据平台的多轴并行情况判定结果，结合初始光平面方程对标定平台进行基于两正交向量的手眼变换矩阵求解，得到标定平台的手眼变换矩阵；

23、标定参数优化模块，用于根据得到的手眼变换矩阵和初始光平面方程，结合标定数据构建标定残差项，并对手眼变换矩阵参数和光平面方程参数进行迭代更新，得到迭代后的手眼变换矩阵参数和光平面方程参数，完成焊接标定平台的标定。

24、按上述方案，所述标定参数优化模块具体用于：求1所述的欠驱动机构约束下的移动焊接机器人自动标定方法，其特征在于，利用雅可比矩阵计算标定残差项的梯度下降方向，结合梯度下降方向、标定残差项的向量及更新参数计算残差的更新增量；若残差的更新增量为正数，则接受残差更新并减小更新参数，重新计算更新增量；若更新增量为负数，则拒绝此次残差更新并增大更新参数，重新计算更新增量；当满足终止条件时停止迭代更新。

25、还提供了一种计算机存储介质，其内存储有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行上文所述的欠驱动机构约束下的移动焊接机器人自动标定方法。

26、本发明产生的有益效果是：本发明通过基于三向正交平移的自标定策略进行标定数据采集，使得焊接机器人能够在三维姿态调整困难、仅能进行平面位移运动的情况下进行标定，克服了欠驱动机构约束，并对平台的多轴并行情况进行判定、根据平台的多轴并行情况判定结果对标定平台进行基于两正交向量的手眼变换矩阵求解，实现在不同工况下的手眼变换矩阵求解，从而在欠驱动状态下依然能稳定求解出手眼旋转矩阵，避免了传统方法在受限运动下出现的矩阵病态与解算失效问题，提高了求解结果的准确性；且利用标定残差项对手眼变换矩阵参数和光平面方程参数进行联合迭代更新，避免了先标定激光平面、再标定手眼关系的“分步走”传统流程，确保了在全行程范围内焊缝跟踪的全局一致性与引导精度，使标定精度能满足高要求、大范围的自动化焊接需求。