基于不变平面的传感器与机器人的外部参数标定方法与流程

本发明涉及焊接机器人的标定方法，特别涉及基于不变平面的传感器与机器人的外部参数标定方法。

背景技术：

用于工业焊接的焊接机器人，在焊接过程中，通常通过手动控制焊接机器人以多种不同的姿态进行焊接工作。但是，由于需要通过人眼来判断来指导焊接机器人运动，标定精度不高，工作非常费时，工作效率低。现有技术中出现了将焊缝传感器安装于工业焊接现场的焊接机器人上，三坐标焊接机器人通常是在相互正交的导轨进行移动，想要正确引导焊接机器人的运动，还需要标定传感器坐标系与焊接机器人导轨坐标系之间的转换关系（外部参数），即传感器的外部参数标定；而通常用的标定方法是通过平面靶标方法对相机进行标定，但是，焊缝跟踪传感器采用线结构光进行测量，一次只能实现一条直线的测量，无法实现面测量。

技术实现要素：

本发明的目的是利用现场中的一个固定平面，进行多次测量，最终实现传感器坐标系与焊接机器人导轨坐标系之间的转换关系（外部参数）的精确标定。

本发明的目的是这样实现的：基于不变平面的传感器与机器人的外部参数标定方法，包括焊缝跟踪传感器、焊接机器人、相机；该方法具体包括以下步骤：

步骤一、线结构光传感器测量：所述焊缝跟踪传感器采用线结构光和相机方式进行测量，由线结构光对外发出一个激光平面，由相机对其测量；

相机测量模型为：

（1）

求解激光线的在图像坐标系下的坐标，得

（2）

由于激光线在激光器平面上，设为，根据图2的几何关系，有

（3）

解得

（4）；

步骤二、坐标系系设定：表示焊缝跟踪传感器的相机坐标系，表示导轨坐标系，导轨运动方向为导轨坐标系坐标轴方向；所述焊接机器人沿着导轨做平移运动，所述相机坐标系原点与导轨坐标系原点之间的位置偏差即为导轨的平移矢量，令初始状态下的相机坐标系原点与导轨坐标系原点重合，初始状态下的相机坐标系为基础相机坐标系，经过导轨平移后的相机坐标系为当前相机坐标系；相机坐标系与导轨坐标系之间的转换矩阵化简为旋转矩阵，记为；传感器外部参数标定即为旋转矩阵的标定；

步骤三、基于不动平面的线结构光外参标定：通过给定一个固定不变的参考平面，通过让焊接机器人分别沿导轨三个方向运动，获取不同位置下的激光线图像。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过给定一个固定不变的参考平面，通过让焊接机器人分别沿导轨三个方向运动，获取不同位置下的激光线图像，最终求解出传感器外部参数，标定精度高，从而缩短工作时间，提高工作效率。

作为本发明的进一步改进，所述的步骤三具体如下：

设焊接机器人第次移动位移为时，传感器获取得到的激光线图像点为。通过公式（4）可获得相机坐标系的三维坐标；

此时，传感器在基础相机坐标系下的移动矢量为

（5）

则在基础相机坐标系下，激光线的空间坐标为点表示为

由于参考平面不变，因而在基础相机坐标系下获得的一系列激光线应在同一个平面上；

设参考平面在基础相机坐标系下的平面方程为

（6）

有

（7）

令

（8）

即

（9）

则式（9）可写为

（10）通过拟合，得到参考平面在基础相机坐标系下的法向矢量。同时利用式（10），并加入约束

（11）

即可求解出。

附图说明

图1为本发明的相机成像模型图。

图2为线结构光成像原理图。

图3为基于参考平面外参标定模型数据获取流程图。

具体实施方式

如图1-3所示，基于不变平面的传感器与机器人的外部参数标定方法，包括焊缝跟踪传感器、焊接机器人、相机；该方法具体包括以下步骤：

步骤一、线结构光传感器测量：所述焊缝跟踪传感器采用线结构光和相机方式进行测量，由线结构光对外发出一个激光平面，由相机对其测量；

相机测量模型为：

（1）

求解激光线的在图像坐标系下的坐标，得

（2）

由于激光线在激光器平面上，设为，根据图2的几何关系，有

（3）

解得

（4）；

步骤二、坐标系系设定：表示焊缝跟踪传感器的相机坐标系，表示导轨坐标系，导轨运动方向为导轨坐标系坐标轴方向；所述焊接机器人沿着导轨做平移运动，所述相机坐标系原点与导轨坐标系原点之间的位置偏差即为导轨的平移矢量，令初始状态下的相机坐标系原点与导轨坐标系原点重合，初始状态下的相机坐标系为基础相机坐标系，经过导轨平移后的相机坐标系为当前相机坐标系；相机坐标系与导轨坐标系之间的转换矩阵化简为旋转矩阵，记为；传感器外部参数标定即为旋转矩阵的标定；

步骤三、基于不动平面的线结构光外参标定：通过给定一个固定不变的参考平面，通过让焊接机器人分别沿导轨三个方向运动，获取不同位置下的激光线图像。

上述步骤三具体如下：

设焊接机器人第次移动位移为时，传感器获取得到的激光线图像点为。通过公式（4）可获得相机坐标系的三维坐标；

此时，传感器在基础相机坐标系下的移动矢量为

（5）

则在基础相机坐标系下，激光线的空间坐标为点表示为

由于参考平面不变，因而在基础相机坐标系下获得的一系列激光线应在同一个平面上；

设参考平面在基础相机坐标系下的平面方程为

（6）

有

（7）

令

（8）

即

（9）

则式（9）可写为

（10）

通过拟合，得到参考平面在基础相机坐标系下的法向矢量。同时利用式（10），并加入约束

（11）

即可求解出。

本发明的工作原理阐述如下，首先采用固定平面作为测量目标；然后利用现场机器人的多次移动，进行多次测量；最后利用固定参考平面的约束，将多次测量的结果得到非线性方程，最终获得相机坐标系和导轨坐标系的转换矩阵。

图3示出了基于参考平面外参标定模型数据获取流程图，是整个过程的测量流程。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。