基于曲线三维重建的机器人喷涂轨迹提取方法及提取装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及基于曲线三维重建的机器人喷涂轨迹提取方法及提取装置。目的是提供的方法和装置应能准确提取喷涂轨迹、具有工作效率高以及适应性强的特。技术方案是：基于曲线三维重建的机器人喷涂轨迹提取方法；包括如下步骤：步骤S1：标定相机的内参数矩阵K和畸变系数；步骤S2：采集工件的图像；步骤S3：处理图像；步骤S4：找到一组符合要求的同名曲线作为目标曲线；步骤S5：应用立体视觉算法三维重建目标曲线。基于曲线三维重建的机器人喷涂轨迹提取装置，该装置包括传送带、接近开关以及计算机；所述计算机分别与连通步进电机和接近开关的运动控制卡、连通图像采集卡的相机以及工业机器人交互电信号。
【专利说明】基于曲线三维重建的机器人喷涂轨迹提取方法及提取装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种机器人喷涂轨迹的提取方法和装置，尤其涉及一种基于曲线三维 重建的机器人喷涂轨迹提取方法和装置。
【背景技术】
[0002] 目前，喷涂作业广泛地应用于工业生产中的各行各业，比如鞋底的喷胶、汽车灯罩 的喷涂以及各种复杂零件表面的喷涂等。传统的喷涂作业大多由人工完成，由于胶水和涂 料均会挥发出有毒的气体，这严重影响了操作人员的身体健康。另外人工操作也很难保证 喷涂的准确性。随着工业机器人技术的不断发生，工业机器人广泛地应用于各种喷涂领域， 它不仅能快速、自动地实现喷涂作业，更重要的是避免工人暴露在有毒的气体中。大多数喷 涂作业中的轨迹往往是三维的，而获得机器人喷涂轨迹的最常用方法是示教。该方法简单 有效，但当加工对象的形状、位置或姿态发生改变时，加工质量不能满足要求，因此不能适 应条件变化的情况。解决这个问题的方法是采用离线编程技术，这就需要实时获取每个待 喷涂工件的工作轨迹。
[0003] -种有效地获取喷涂轨迹的方法是应用线结构光扫描工件，获得工件表面的三维 点云数据，进而根据先验算法提取喷涂轨迹。该方法的优点在于获得的喷涂轨迹的精度比 较高，可行性高，可以广泛地应用于简单表面的喷涂作业。但当工件的表面形状很复杂时， 比如存在栅格状结构时，线结构光不能准确地提取工件的表面信息，因此也很难找准喷涂 轨迹。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于曲线三维重建的 机器人喷涂轨迹提取方法和装置。所述方法和装置应能准确提取喷涂轨迹、具有工作效率 高以及适应性强的特点。
[0005] 本发明采用的技术方案是：
[0006] 基于曲线三维重建的机器人喷涂轨迹提取方法；包括如下步骤：
[0007] 步骤Sl :标定相机的内参数矩阵K和畸变系数，传送带在相机坐标系下的运动方 向，相机坐标系和机器人基座坐标系之间的变换矩阵；
[0008] 步骤S2 :采集工件的图像；
[0009] 步骤S3 :处理图像，提取工件表面连续的边缘作为候选曲线；
[0010] 步骤S4:从所有图像中的候选曲线中找到一组符合要求的同名曲线作为目标曲 线.
[0011] 步骤S5 :应用立体视觉算法三维重建目标曲线，并转换到机器人的基座坐标系 下，用于机器人的离线编程。
[0012] 所述步骤S2采集工件图像的方法是：让工件经过左接近开关和右接近开关，在 左、右接近开关均感知信号时，开始采集工件的图像，并记录相对应的位移，直到至少一个 接近开关无信号时停止采集。
[0013] 所述步骤S3的图像处理方法是：对采集的图像首先进行图像滤波和图像增强预 处理，然后应用自适应的Canny算法提取边缘，接着计算边缘曲线的曲率，最终保留连续的 边缘曲线段作为候选曲线。
[0014] 所述步骤S4的处理过程是：利用极线约束算法以及形状匹配算法建立采集的所 有图像中的同名曲线，并根据目标边缘特征，采用先验算法确定其中一组符合要求的同名 曲线为目标曲线。
[0015] 所述步骤S5的处理过程是：根据一组同名曲线及其对应的运动参数，应用立体视 觉算法三维重建空间曲线，并把重建的空间曲线转换到机器人的基座坐标系下，以利于机 器人的离线编程。
[0016] 所述候选曲线的确定包括以下步骤：
[0017] 步骤11 :应用自适应的边缘检测Canny算法提取所有图像中的边缘，并连接成离 散曲线；
[0018] 步骤12 :对曲线上的离散点用高斯核算法进行卷积计算，目的是获得平滑曲线；
[0019] 步骤13 :计算平滑后离散曲线的曲率；
[0020] 曲线上点Pi曲率的计算公式为：K i = 11 (Pi-P^1)Zli-(Pw-Pi)Zl wI I，其中Ii = IPi - PhI I ;
[0021] 步骤14 :在曲线上搜索满足条件K K th&K K i+1&K K H的点并设置为断点， 分离断点两侧的曲线，其中Kth为不连续点曲率阈值。
[0022] 所述三维重建目标曲线包括以下步骤：
[0023] 步骤21 :对于两条待匹配的曲线C1和C2，利用极线约束算法确定它们的对应点对 p1;i 和 p2，i，i = 1，2,…，m ;
[0024] 步骤22 :分别计算每个点所在曲线上的生长方向；计算公式为：
[0025] tk，！ = (pk，i+1_pk，H) / I I pk，i+1_pk，H I I，k = 1，2
[0026] 步骤23 :由对应点对的生长方向计算两条曲线的相似度；计算公式为：
【权利要求】
1. 基于曲线三维重建的机器人喷涂轨迹提取方法；包括如下步骤： 步骤S1 :标定相机的内参数矩阵K和畸变系数，传送带在相机坐标系下的运动方向，相 机坐标系和机器人基座坐标系之间的变换矩阵； 步骤S2 :采集工件的图像； 步骤S3 :处理图像，提取工件表面连续的边缘作为候选曲线； 步骤S4 :从所有图像中的候选曲线中找到一组符合要求的同名曲线作为目标曲线； 步骤S5 :应用立体视觉算法三维重建目标曲线，并转换到机器人的基座坐标系下，用 于机器人的离线编程。
2. 根据权利要求1所述的基于曲线三维重建的机器人喷涂轨迹提取方法，其特征在于 所述步骤S2采集工件图像的方法是：让工件经过左接近开关和右接近开关，在左、右接近 开关均感知信号时，开始采集工件的图像，并记录相对应的位移，直到至少一个接近开关无 f目号时停止米集。
3. 根据权利要求2所述的基于曲线三维重建的机器人喷涂轨迹提取方法，其特征在于 所述步骤S3的图像处理方法是：对采集的图像首先进行图像滤波和图像增强预处理，然后 应用自适应的Canny算法提取边缘，接着计算边缘曲线的曲率，最终保留连续的边缘曲线 段作为候选曲线。
4. 根据权利要求3所述的基于曲线三维重建的机器人喷涂轨迹提取方法，其特征在于 所述步骤S4的处理过程是：利用极线约束算法以及形状匹配算法建立采集的所有图像中 的同名曲线，并根据目标边缘特征，采用先验算法确定其中一组符合要求的同名曲线为目 标曲线。
5. 根据权利要求4所述的基于曲线三维重建的机器人喷涂轨迹提取方法，其特征在于 所述步骤S5的处理过程是：根据一组同名曲线及其对应的运动参数，应用立体视觉算法三 维重建空间曲线，并把重建的空间曲线转换到机器人的基座坐标系下，以利于机器人的离 线编程。
6. 根据权利要求5所述的基于曲线三维重建的机器人喷涂轨迹提取方法，其特征在于 所述候选曲线的确定包括以下步骤： 步骤11 :应用自适应的边缘检测Canny算法提取所有图像中的边缘，并连接成离散曲 线. 步骤12 :对曲线坐标点用高斯核算法进行卷积计算，目的是获得平滑曲线； 步骤13 :计算平滑后离散曲线的曲率； 曲线上点Pi曲率的计算公式为：Ki= | | (Pi-PiJ/UPi+fPi)/]^ | |，其中]^ = |Ip; _ Pi-1II； 步骤14 :在曲线上搜索满足条件Ki>Kth的点并设置为断点，分离断点两端的曲线，其 中Kth为不连续点曲率阈值。
7. 根据权利要求6所述的基于曲线三维重建的机器人喷涂轨迹提取方法，其特征在于 所述三维重建目标曲线包括以下步骤： 步骤21 :对于两条待匹配的曲线Cl和c2，利用极线约束算法确定它们的对应点对Pl，i和p2'i,i= 1，2,…，m; 步骤22 :分别计算每个点所在曲线上的生长方向；计算公式为：： tk，i - (Pk，i+l_Pk，i-1) / N Pk，i+l_Pk，i-1 N，k-1,2 步骤23 :由对应点对的生长方向计算两条曲线的相似度；计算公式为：
s1>2的数值越大，表示曲线Ci和c2的相似度越高。
8. 根据权利要求7所述的基于曲线三维重建的机器人喷涂轨迹提取方法，其特征在于 所述三维重建目标曲线以最小化曲线的反投影误差为目标，并在优化过程中添加了曲率无 穷范数的不等式约束算法；即将三维重建目标曲线转换为以下优化计算公式：
其中：Pu表示图像k中同名曲线上的第i个对应点； 九,表示空间曲线的离散点Pi在图像k上的投影点； m为同名曲线上对应点的个数；n为采集的图像个数； Ki=II(Pi-Pd/lfUiVUlI表示空间曲线上的曲率； 1^?表示曲线上的最大曲率阈值； II.II=〇表示向量的无穷范数。
9. 一种实现权利要求1所述方法的基于曲线三维重建的机器人喷涂轨迹提取装置，其 特征在于：该装置包括载有目标工件（5)且由步进电机（4)驱动的传送带（1)、位于传送带 侧边的2个分开一定距离的接近开关（2, 3)以及计算机（9);所述计算机分别与连通步进 电机和接近开关的运动控制卡（6)、连通图像采集卡（8)的相机（7)以及工业机器人（10) 交互电信号。
10. 根据权利要求9所述的基于曲线三维重建的机器人喷涂轨迹提取装置，其特征在 于所述步进电机的控制信号和接近开关的信号均通过运动控制卡接入计算机，相机通过图 像采集卡采集图片输至计算机，计算机和工业机器人采用标准通讯协议通信。
【文档编号】B05B13/04GK104408408SQ201410628449
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月10日 优先权日:2014年11月10日
【发明者】贺磊盈, 武传宇, 李秦川, 崔东苏, 付建义 申请人:杭州保迪自动化设备有限公司