一种基于机器视觉的机器人焊接过程中的坐标系传递方法与流程

1.本发明涉及机器人激光焊接技术领域，尤其涉及一种基于机器视觉的机器人焊接过程中的坐标系传递方法。


背景技术：

2.目前，在机器人激光焊接领域中，引入机器视觉技术可以有效提升焊接精度。相比于传统的依靠机械定位进行焊接，机器视觉技术可以动态减少焊接过程中产生的非线性误差，进而提升焊接精度。
3.但在焊接过程由于工艺问题使得整个过程分为两个工站进行，即寻址工站和焊接工站，两工站坐标系不同，那么如何进行坐标系传递。针对此类问题，亟需解决如何高效准确的提高视觉引导激光焊接效率的问题。


技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种基于机器视觉的机器人焊接过程中的坐标系传递方法，以克服现有技术中存在的不足。
5.为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于机器视觉的机器人焊接过程中的坐标系传递方法，包括以下步骤，
6.步骤1，寻址工站通过伺服机构带动相机对目标物体进行拍照，利用目标物体上的标志点对其进行姿态建模得到目标物相对于主标志点坐标系的坐标，其中，标志点包括主标志点和辅标志点；
7.步骤2，计算出目标物坐标系和伺服坐标系的偏移角度，消除该角度使目标物体坐标系与伺服坐标系对齐；
8.步骤3，计算坐标系统一后的目标物体以主标志点为原点的实际坐标并存至数据库以供焊接工站请求数据；
9.步骤4，焊接工站通过机器人带动相机对标志点进行拍照，对目标物体在机器人坐标系下进行定位；
10.步骤5，计算出目标物坐标系和机器人坐标系的偏移角度，消除该角度使目标物体坐标系与机器人坐标系对齐；
11.步骤6，请求寻址工站目标点坐标数据；
12.步骤7，获取振镜、相机、机器人联合标定；
13.步骤8，获得寻址工站目标点与焊接工站目标点转换关系，将寻址工站目标点坐标转换到焊接工站目标点坐标；
14.步骤9，将焊接工站目标点坐标转换到振镜坐标系下，进行目标点定位焊接。
15.作为本发明的一种基于机器视觉的机器人焊接过程中的坐标系传递方法的改进，在步骤2中，计算目标物坐标系与伺服坐标系偏移角度包括以下步骤，
16.步骤201，通过伺服机构将相机移动到主标志点正上方，记录此时伺服机构坐标，
并拍照取图，计算在获取的图片中主标志点的图像坐标；
17.步骤202，通过伺服机构将相机移动到辅标志点正上方，记录此时伺服机构坐标，并拍照取图，计算获取的图片中辅标志点的图像坐标；
18.步骤203，通过步骤201至步骤202获得的主、辅标志点图像坐标及伺服拍照位置坐标，根据主、辅标志点连线与主标志点和伺服坐标系同水平方向的两条射线的夹角，计算出偏移角度。
19.作为本发明的一种基于机器视觉的机器人焊接过程中的坐标系传递方法的改进，在步骤3中，计算寻址工站坐标系统一后的目标物体的实际坐标包括以下步骤，
20.步骤301，记录相机在主标志点上的伺服坐标和图像坐标；
21.步骤302，记录相机在焊接目标点上的伺服坐标和图像坐标；
22.步骤303，计算焊接目标点和主标志点的距离，并利用步骤203算出的角度修正该距离。
23.作为本发明的一种基于机器视觉的机器人焊接过程中的坐标系传递方法的改进，在步骤5中，计算出目标物坐标系和机器人坐标系的偏移角度包括以下步骤，
24.步骤501，通过机器人将相机移动到主标志点正上方，记录此时相机在机器人坐标系下坐标，并计算主标志点的图像坐标；
25.步骤502，通过机器人将相机移动到辅标志点正上方，记录此时相机在机器人坐标系下坐标，并计算辅标志点的图像坐标；
26.步骤503，通过步骤501和步骤502获得的主、辅标志点图像坐标及机器人拍照位置坐标，根据主、辅标志点连线与主标志点和机器人坐标系同水平方向的两条射线的夹角，计算出偏移角度。
27.作为本发明的一种基于机器视觉的机器人焊接过程中的坐标系传递方法的改进，在步骤6至步骤9中，计算焊接目标点在激光器振镜坐标系下的坐标包括以下步骤，
28.步骤s1，求寻址工站数据，得到以主标志点为坐标系原点的坐标；
29.步骤s2，通过机器人和相机之间的变换矩阵计算主标志点在机器人坐标系下的坐标，计算公式如下：
30.(x
c0
,y
c0
)[m1] (x0,y0)＝(x
r0
,y
r0
)
[0031]
其中(x
c0
,y
c0
)为主标志点在相机图像坐标系下的坐标值，m1为主标志点所在相机的变换矩阵，(x0,y0)为该次拍照相机拍照点所在机器人坐标系下的坐标值，(x
r0
,y
r0
)为主标志点在机器人坐标系下的绝对坐标值；
[0032]
其中，变换矩阵m1计算步骤如下，
[0033]
步骤s21，在确定的拍照高度打开相机，在相机视野中心做标记，记下此时机器人坐标(x1,y1)，图像序号标记为1；
[0034]
步骤s22，令机器人沿其x、y轴正负方向各移动一定距离，每到一个位置相机取一次像，同时记下机器人的坐标以及对应图像序号，总计8组坐标和图像，记为(x2,y2)
……
(x9,y9)，图像序号标记为2-9；
[0035]
步骤s23，计算每幅图中的标记点图像坐标，得到总计9组图像坐标，记为(r1,c1)
……
(r9,c9)；
[0036]
步骤s24，用得到的9组图像坐标(r1,c1)至(r9,c9)和9组机器人坐标(x1,y1)至(x9,
y9)计算变换矩阵m1，注意坐标关系，按照序号一一对应，根据计算公式：
[0037]
m1(r1,c1)＝(x1,y1)
[0038]
即可得m1；
[0039]
步骤s3，在步骤s1和步骤s2的基础上计算出焊接目标点在机器人坐标系下的坐标；
[0040]
步骤s4，用振镜坐标系与机器人坐标系9点标定计算出振镜在机器人坐标系下的外参矩阵；
[0041]
步骤s5，利用机器人和相机、振镜之间外参矩阵，计算出目标物体与振镜坐标系转换矩阵；
[0042]
步骤s6，利用步骤s5获得的转换矩阵将寻址工站坐标系统一到焊接工站振镜坐标系下；
[0043]
步骤s7，计算焊接工站振镜坐标系下的目标物体坐标。
[0044]
计算公式如下：
[0045]
m2(xr,yr)＝(xz,yz)
[0046]
其中(xr,yr)为目标物在机器人坐标系下的坐标，(xz,yz)为目标物在振镜坐标系下的坐标。
[0047]
作为本发明的一种基于机器视觉的机器人焊接过程中的坐标系传递方法的改进，在步骤s4中，用振镜坐标系与机器人坐标系9点标定计算出振镜在机器人坐标系下的变换矩阵，步骤如下，
[0048]
步骤s41，在标准焊接高度上，保持机器人不动，使用振镜出光并偏移坐标烧灼出九个标记点，其中中心点为振镜0位出光，其它8个点按照振镜的x、y轴分别正负向平移一定距离行程，记下9点的振镜坐标和顺序，坐标(x
z1
,y
z1
)......(x
z9
,y
z9
)，最好在对应焊点旁边标注序号，同时记下当前机器人的实际坐标(xr,yr)；
[0049]
步骤s42，保持焊接标准板不动，通过机器人平移，将相机移动到其中心正上方，其中相机视野中心十字标对准焊接中心点拍照，拍照高度与相机标定时一致，记下此时机器人拍照坐标(xc,yc)，识别得到图像中的9个焊接点图像坐标，通过相机和机器人的标定关系得到其对应的机器人坐标(x1,y1)到坐标(x9,y9)；
[0050]
步骤s43，以振镜九点坐标和对应识别出的机器人坐标作为输入，生成变换矩阵m2，注意坐标对应关系，用坐标差去做变换，也即用(x
1-xc,y
1-yc)......(x
9-xc,y
9-yc)作为机器人坐标计算，计算方式如下：
[0051]
m2(x
1-xc,y
1-yc)＝(x
z1
,y
z1
)
[0052]
即可得m2。
[0053]
作为本发明的一种基于机器视觉的机器人焊接过程中的坐标系传递方法的改进，在步骤s41中，标记点正负向平移的距离超过相机视野的1/3。
[0054]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0055]
1、本发明解决了寻址工站和焊接工站坐标系不统一的问题，以模组坐标系作为传递，将寻址工站目标物坐标传递至焊接工站坐标系下，再进行坐标转换以完成定位焊接。
[0056]
2、相比于传统方法选取多个点利用最小二乘法拟合直线，求取坐标系夹角方法。本发明采用物体上四个标志点构成的两条直线，可以更加高效的计算出坐标系之间的夹
角，且相关精度也达到实际要求。
附图说明
[0057]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0058]
图1为本发明的寻址工站流程图；
[0059]
图2为本发明的焊接工站流程图；
[0060]
图3为原始伺服坐标系和目标物坐标系的角度偏差示意图；
[0061]
图4为伺服坐标系和目标物坐标系消除角度偏差示意图。
[0062]
图5为原始机器人坐标系和目标物坐标系的角度偏差示意图；
[0063]
图6为机器人坐标系和目标物坐标系消除角度偏差示意图；
[0064]
图7为主、辅标志点连线与主标志点和伺服坐标系同向的两条射线的夹角的示意图；
[0065]
图8为计算辅助标志点与主标志点在同一图像坐标系下的坐标示意图；
[0066]
图9为主、辅标志点连线与主标志点和机器人坐标系同向的两条射线的夹角示意图；
[0067]
图10为计算辅助标志点与主标志点在同一图像坐标系下的坐标示意图。
具体实施方式
[0068]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0069]
如图1至图6所示，一种基于机器视觉的机器人焊接过程中的坐标系传递方法，包括以下步骤，步骤1，寻址工站通过伺服机构带动相机对目标物体进行拍照，利用目标物体上的标志点对其进行姿态建模得到目标物相对于主标志点坐标系的坐标，其中，标志点包括主标志点和辅标志点；
[0070]
步骤2，计算出目标物坐标系和伺服坐标系的偏移角度，消除该角度使目标物体坐标系与伺服坐标系对齐；
[0071]
其中，在步骤2中，计算目标物坐标系与伺服坐标系偏移角度包括以下步骤，
[0072]
步骤201，通过伺服机构将相机移动到主标志点正上方，记录此时伺服机构坐标，并拍照取图，计算在获取的图片中主标志点的图像坐标。
[0073]
步骤202，通过伺服机构将相机移动到辅标志点正上方，记录此时伺服机构坐标，并拍照取图，计算获取的图片中辅标志点的图像坐标。
[0074]
参考图7和图8，步骤203，通过步骤201至步骤202获得的主、辅标志点图像坐标及伺服拍照位置坐标，根据主、辅标志点连线与主标志点和伺服坐标系同水平方向的两条射线的夹角，计算出偏移角度公式如下：
[0075]
设mark(主)图像坐标：(r1,c1)，伺服拍照位置(x1,y1)，
[0076]
mark(辅)图像坐标：(r2,c2)，伺服拍照位置(x2,y2)，
[0077]
像素当量：acc，相机差异：δcam；
[0078]
目标：计算同一个图像坐标系下的主、辅标志点的坐标：(r1',c1')和(r2′
,c2′
)；
[0079]
把辅助标志点转至主标志点所在图像坐标系，即r1'＝r1,c1'＝c1只需计算(r2',c2')，计算(r2',c2')步骤如下：
[0080]
实际距离差：(c
2-c1)acc；
[0081]
伺服拍照位置差：δx＝x
2-x1；
[0082]
辅助mark点图像坐标：c2'＝c2 (δx δcam)/acc；
[0083]
同理r2'＝r2 (δy δcam)/acc。
[0084]
步骤3，计算坐标系统一后的目标物体以主标志点为原点的实际坐标并存至数据库以供焊接工站请求数据；
[0085]
其中，在步骤3中，计算寻址工站坐标系统一后的目标物体的实际坐标包括以下步骤，
[0086]
步骤301，记录相机在主标志点上的伺服坐标和图像坐标；
[0087]
步骤302，记录相机在焊接目标点上的伺服坐标和图像坐标；
[0088]
步骤303，计算焊接目标点和主标志点的距离，并利用步骤1算出的角度修正该距离。
[0089]
步骤4，焊接工站通过机器人带动相机对标志点进行拍照，对目标物体在机器人坐标系下进行定位；
[0090]
步骤5，计算出目标物坐标系和机器人坐标系的偏移角度，消除该角度使目标物体坐标系与机器人坐标系对齐；
[0091]
其中，在步骤5中，计算出目标物坐标系和机器人坐标系的偏移角度包括以下步骤，
[0092]
步骤501，通过机器人将相机移动到主标志点正上方，记录此时相机在机器人坐标系下坐标，并计算主标志点的图像坐标；
[0093]
步骤502，通过机器人将相机移动到辅标志点正上方，记录此时相机在机器人坐标系下坐标，并计算辅标志点的图像坐标；
[0094]
参考图9和图10，步骤503，通过步骤501和步骤502获得的主、辅标志点图像坐标及机器人拍照位置坐标，根据主、辅标志点连线与主标志点和机器人坐标系同水平方向的两条射线的夹角，计算出偏移角度：
[0095]
设mark(主)图像坐标：(r1,c1)，机器人拍照位置(x1,y1)，
[0096]
mark(辅)图像坐标：(r2,c2)，机器人拍照位置(x2,y2)，
[0097]
像素当量：acc，相机差异：δcam；
[0098]
目标：计算同一个图像坐标系下的主、辅标志点的坐标：(r1',c1')和(r2',c2')；
[0099]
把辅助标志点转至主标志点所在图像坐标系，即r1'＝r1,c1'＝c1只需计算(r2',c2')，计算(r2',c2')步骤如下：
[0100]
实际距离差：(c
2-c1)acc；
[0101]
机器人拍照位置差：δx＝x
2-x1；
[0102]
辅助mark点图像坐标：c2'＝c2 (δx δcam)/acc；
[0103]
同理r2'＝r2 (δy δcam)/acc。
[0104]
步骤6，请求寻址工站目标点坐标数据；
[0105]
步骤7，获取振镜、相机、机器人联合标定；
[0106]
步骤8，获得寻址工站目标点与焊接工站目标点转换关系，将寻址工站目标点坐标转换到焊接工站目标点坐标；
[0107]
步骤9，将焊接工站目标点坐标转换到振镜坐标系下，进行目标点定位焊接。
[0108]
在步骤6至步骤9中，计算焊接目标点在激光器振镜坐标系下的坐标包括以下步骤，
[0109]
步骤s1，求寻址工站数据，得到以主标志点为坐标系原点的坐标；
[0110]
步骤s2，通过机器人和相机之间的变换矩阵计算主标志点在机器人坐标系下的坐标，计算公式如下：
[0111]
(x
c0
,y
c0
)[m1] (x0,y0)＝(x
r0
,y
r0
)
[0112]
其中(x
c0
,y
c0
)为主标志点在相机图像坐标系下的坐标值，m1为主标志点所在相机的变换矩阵，(x0,y0)为该次拍照相机拍照点所在机器人坐标系下的坐标值，(x
r0
,y
r0
)为主标志点在机器人坐标系下的绝对坐标值；
[0113]
其中，变换矩阵m1计算步骤如下，
[0114]
步骤s21，在确定的拍照高度打开相机，在相机视野中心做标记，记下此时机器人坐标(x1,y1)，图像序号标记为1；
[0115]
步骤s22，令机器人沿其x、y轴正负方向各移动一定距离，每到一个位置相机取一次像，同时记下机器人的坐标以及对应图像序号，总计8组坐标和图像，记为(x2,y2)
……
(x9,y9)，图像序号标记为2-9；
[0116]
步骤s23，计算每幅图中的标记点图像坐标，得到总计9组图像坐标，记为(r1,c1)
……
(r9,c9)；
[0117]
步骤s24，用得到的9组图像坐标(r1,c1)至(r9,c9)和9组机器人坐标(x1,y1)至(x9,y9)计算公式：
[0118]
m1(r1,c1)＝(x1,y1)
[0119]
即可得m1。
[0120]
步骤s3，在步骤s1和步骤s2的基础上计算出焊接目标点在机器人坐标系下的坐标；
[0121]
步骤s4，用振镜坐标系与机器人坐标系9点标定计算出振镜在机器人坐标系下的外参矩阵；
[0122]
在步骤s4中，用振镜坐标系与机器人坐标系9点标定计算出振镜在机器人坐标系下的变换矩阵，步骤如下，
[0123]
步骤s41，在标准焊接高度上，保持机器人不动，使用振镜出光并偏移坐标烧灼出九个标记点，其中中心点为振镜0位出光，其它8个点按照振镜的x、y轴分别正负向平移一定距离行程，记下9点的振镜坐标和顺序，坐标(x
z1
,y
z1
)......(x
z9
,y
z9
)，最好在对应焊点旁边标注序号，同时记下当前机器人的实际坐标(xr,yr)；
[0124]
步骤s42，保持焊接标准板不动，通过机器人平移，将相机移动到其中心正上方，其
中相机视野中心十字标对准焊接中心点拍照，拍照高度与相机标定时一致，记下此时机器人拍照坐标(xc,yc)，识别得到图像中的9个焊接点图像坐标，通过相机和机器人的标定关系得到其对应的机器人坐标(x1,y1)到坐标(x9,y9)；
[0125]
步骤s43，以振镜九点坐标和对应识别出的机器人坐标作为输入，生成变换矩阵m2，注意坐标对应关系，用坐标差去做变换，也即用(x
1-xc,y
1-yc)......(x
9-xc,y
9-yc)作为机器人坐标计算，计算方式如下：
[0126]
m2(x
1-xc,y
1-yc)＝(x
z1
,y
z1
)
[0127]
即可得m2。
[0128]
其中，在步骤s41中，标记点正负向平移的距离超过相机视野的1/3。
[0129]
步骤s5，利用机器人和相机、振镜之间外参矩阵，计算出目标物体与振镜坐标系转换矩阵；
[0130]
步骤s6，利用步骤s5获得的转换矩阵将寻址工站坐标系统一到焊接工站振镜坐标系下；
[0131]
步骤s7，计算焊接工站振镜坐标系下的目标物体坐标。
[0132]
计算公式如下：
[0133]
m2(xr,yr)＝(xz,yz)
[0134]
其中(xr,yr)为目标物在机器人坐标系下的坐标，(xz,yz)为目标物在振镜坐标系下的坐标。
[0135]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0136]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。