一种激光视觉引导的焊接机器人角接焊缝特征的提取方法
【专利摘要】本发明提供了一种适用于激光视觉引导的焊接机器人角接焊缝的特征提取方法，该方法可获得角接焊缝的角接角度和焊缝点坐标。在角接角度的确定部分，通过采集焊接机器人在两个位姿下的带特征光条的角接图像，进而拟合两个角接面方程确定角接角度；在焊缝点的提取部分，首先截取ROI区域，而后进行中值滤波、二值化、细化，进而通过Hough变换提取光条直线并识别焊缝点。角接角度的确定有益于在在焊接开始之初，有效协调焊接机器人确定位姿，焊缝点的有效的识别方法，保证了焊缝点提取的实时精确；该角接焊缝特征提取全面，对实际焊接还接过程具有重要意义，具有良好的实用性。
【专利说明】一种激光视觉引导的焊接机器人角接焊缝特征的提取方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种激光视觉传感器引导的焊接机器人及其对角接焊缝特征的提取 方法，具体是指基于线激光结构光视觉传感器引导的焊接机器人在对角接焊缝焊接过程中 焊接角度确定和焊缝特征点的识别方法。 技术背景
[0002] 近年来，随着国民经济的飞速发展，国家对金属材料的需求不断扩大、质量要求不 断提高，焊接作为金属材料使用的重要工艺环节，焊接质量的好坏直接关系到金属材料的 使用。现有的焊接方法劳动强度大、工作环境差、工艺复杂、对人体损伤大，并且焊接质量主 要靠焊工的个人技术、经验等人的因素保证，所以实现焊接自动化、智能化可以有效解放劳 动力、改善焊接质量，对我国现代化、工业化的发展具有重要意义。
[0003] 实现焊接自动化的关键问题是焊缝的自动跟踪，激光视觉引导的焊接机器人（示 意图如图2所示）将焊缝图像识别与机器人技术结合，能够有效解决焊缝自动跟踪难题。采 用激光结构光作为主动光视觉传感器引导焊接机器人已经成为当前智能焊接机器人系统 的主流。
[0004] 在焊接工艺中，角接焊缝是一种重要的焊接类型。角接焊缝特征主要包括角接焊 缝的角接角度的确定和焊缝点精确识别。角接焊缝特征识别是实现角接焊缝焊接的关键环 节，其识别提取的精度，直接影响到工业生产过程中跟踪与焊接的精度。
[0005] 角接焊缝特征中，国内外学者偏重于研究焊缝特征点的识别方法，认为识别焊缝 特征点即可实现焊接，但是只有焊缝点三维信息，无法自动确定机器人初始焊接位姿，难以 真正的实现焊接自动化。本文结合实际应用需求，借鉴前人在焊缝点识别方面的研究成果， 给出全面的角接焊缝特征提取方法，包括角接焊缝的角接角度确定和焊缝点精确识别，使 焊接机器人高效地完成焊接任务。
【发明内容】
[0006] 为确定角接焊缝的角接角度，并实现角接焊缝的实时识别提取，本发明提供基于 激光结构光视觉引导的焊接机器人平台的角接焊缝特征检测方法。
[0007] 本发明专利所采用的关键技术方案是：在标定完成的焊接机器人系统上，通过两 个位姿下的角接图像确定角接角度，并采用图像处理算法识别角接焊缝特征点。
[0008] 按照本发明提供的技术方案所述，激光结构光视觉传感器引导焊接机器人角接焊 缝特征识别方法如下：
[0009] 第一步，确定角接焊缝的角接角度；给定焊接机器人两位姿1\、T2，在1\位姿处采 集角接焊缝图像，提取光条直线和焊缝点Pi(识别焊缝点方法如第二步），并在分别属于角 接的两个平面的两段光条直线上任意选取点P1(l、Pn，在T2位姿处采集角接焊缝图像，提取 光条直线和焊缝点P2，并在分别属于角接的两个平面的两段光条直线上任意选取点P2(I、P21， 由于Pi、P1(l、P2、P2(l和Pi、Pn、P2、P21分别属于角接焊缝的两个角接面，可由四个点拟合两个 角接面的方程，进而得到两个角接面的夹角。
[0010] 第二步，精确识别焊缝点；由激光视觉引导的焊接机器人系统采集角接焊缝图像， 对采集的图像进行网格加窗处理截取出R0I区域，对截取出的R0I区域进行中值滤波、二值 化、细化，在细化后的图像上采用Hough变换提取光条直线，进而得到焊缝点坐标。
[0011] 本发明有益效果：提供了一种适用于激光视觉引导的焊接机器人角接焊缝的特征 提取方法，该方法可获得角接焊缝的角接角度和焊缝点坐标。角接角度的确定有益于在在 焊接开始之初，有效协调焊接机器人确定位姿，更高效地完成焊接任务，在焊缝点的提取部 分，采取在截取R0I区域的基础上，采用被验证鲁棒性、实时性均有保障的二值化、细化算 法，保证了焊缝点提取的实时精确。该角接焊缝特征提取全面，对实际焊接还接过程具有重 要意义，具有良好的实用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1本发明总体流程图。
[0013] 图2激光视觉引导焊接机器人示意图。
[0014] 图3角接角度确定示意图。
【具体实施方式】
[0015] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面是具体实施过程，并参照 附图，对本发明作进一步详细说明。
[0016] 本发明的基本思路是：根据激光视觉引导的焊接机器人的实际应用背景，结合角 接焊缝的实际焊接特点，提取角接焊缝特征。角接焊缝特征主要包括两个信息量，角接角度 和焊缝点。在角接角度确定部分，采集两个位姿下的带特征光条的角接图像，求解两个平面 的方程进而确定两个平面的夹角，示意图如图3所示；在焊缝点的提取部分，在截取R0I区 域的基础上，采用被验证鲁棒性、实时性均有保障的二值化、细化算法，实时精确识别焊缝 点。该角接焊缝特征提取全面，对实际焊接还接过程具有重要意义，具有良好的实用性。
[0017] 图1为本发明整体标定流程图。图（a)为确定角接角度；由于两个平面确定其夹 角随即确定，通过分别求解两个平面的方程进而确定两个平面的夹角。两个平面方程通过 平面上的四个点拟合；图（b)为焊缝点的识别部分；在截取R0I区域的基础上进行中值滤 波，而后进行二值化、细化，进而进行Hough变换识别焊缝点。
[0018] 所述第一步具体方法如下：
[0019] 1. 1、视觉引导焊接机器人参数及变换关系
[0020] 如图2所示，激光结构光视觉引导的焊接机器人数学模型示意图，其主要参数包 括摄像机内参数K，手眼关系矩阵T，光平面方程G。其数学模型为：
[0021] (1)系统工作时，视觉传感器获得结构光上特征点n= (u，v，l)T，在摄像机坐标系 的三维坐标Xc:
【权利要求】
1. 本发明提供了一种适用于激光视觉引导的焊接机器人角接焊缝的特征提取方法，该 方法可获得角接焊缝的角接角度和焊缝点坐标。角接角度的确定有益于在在焊接开始之 初，有效协调焊接机器人确定位姿，更高效地完成焊接任务，在焊缝点的提取部分，采取在 截取ROI区域的基础上，采用被验证鲁棒性、实时性均有保障的二值化、细化算法，保证了 焊缝点提取的实时精确。该角接焊缝特征提取全面，对实际焊接还接过程具有重要意义，具 有良好的实用性。整个算法包括以下几个模块： 确定角接焊缝的角接角度；给定焊接机器人两位姿I\、T2，在位姿处采集角接焊缝图 像，提取光条直线和焊缝点Pi(识别焊缝点方法如第二步），并在分别属于角接的两个平面 的两段光条直线上任意选取点P1(l、卩^在T2位姿处采集角接焊缝图像，提取光条直线和焊 缝点P2，并在分别属于角接的两个平面的两段光条直线上任意选取点P2〇、P21，由于Pi、P1(l、 P2、P2(l和Pi、Pn、P2、P21分别属于角接焊缝的两个角接面，可由四个点拟合两个角接面的方 程，进而得到两个角接面的夹角。 精确识别提取焊缝点；由激光视觉引导的焊接机器人系统采集角接焊缝图像，对采集 的图像进行网格加窗处理截取出ROI区域，对截取出的ROI区域进行中值滤波、二值化、细 化，在细化后的图像上采用Hough变换提取光条直线，进而得到焊缝点坐标。
2. 如权利要求1所述确定焊缝的角接角度具有如下特征： 2. 1、图像上的点Pi、P2、P1Q、Pn、P2Q和P21各点变换到焊接机器人基坐标系 设激光器在位姿时投射到物体的两个平面上的激光条纹如图3所示，激光条纹呈一 条折线，设Pi为在两个平面的交线上的折线拐点（焊接时即为焊缝特征点），在Pi的两侧 激光条纹上分别取一点，设为P1(l和Pn，则PmPn也分别为两个平面上的点。经激光视觉传 感器检测得到Pi点在摄像机坐标系下三维坐标为Xa(xa，ya，za)，可求得其在机器人基坐 标系下的坐标XW1 (xwl,ywl,zwl): [xffl,yffl,zffl, 1]T =TJ[xcl,ycl,zcl, 1]T 改变机器人位姿达到T2，同理可求解P2、P2(l、P21。 2. 2、平面夹角求解 由非共线的共面4点？1、？2、？1(|、？ 2(|，拟合得到平面1的方程：a^+b^+c^+1 = 0
由非共线的共面4点PpP2、Pn、P21拟合得到平面2的方程：a2x+b2y+c2z+l= 0 即两个平面的法向量分别为
根据COS0值可求解相应的角接角度0。
3. 如权利要求1焊缝特征点识别提取具有如下特征：对采集的图像进行网格加窗处理 截取出R0I区域，对截取出的R0I区域进行中值滤波，对滤波后的图像使用大津法进行二值 化，而后基于基于中轴变换原理进行对光条细化，在细化后的图像上采用Hough变换提取 光条直线，取相邻直线的交点作为三个特征角点，而后以三个特征点的重心作为焊缝特征 点。
【文档编号】B23K37/00GK104400265SQ201410529039
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年10月8日 优先权日:2014年10月8日
【发明者】吴长兴 申请人:吴长兴