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

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。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。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。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。
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术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。按照本专利技术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：第一步，确定角接焊缝的角接角度；给定焊接机器人两位姿T1、T2，在T1位姿处采集角接焊缝图像，提取光条直线和焊缝点P1(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P10、P11，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P20、P21，由于P1、P10、P2、P20和P1、P11、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。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。本专利技术有益效果：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。附图说明图1本专利技术总体流程图。图2激光视觉引导焊接机器人示意图。图3角接角度确定示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、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，对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术的基本思路是：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，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。图1为本专利技术整体标定流程图。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ROI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。所述第一步具体方法如下：1.1、视觉引导焊接机器人参数及变换关系如图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，光平面方程其数学模型为：(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：XC=zcK-1nw→1XC1=0]]>其中XC＝(xc，yc，zc)T是焊缝特征点在摄像机坐标系三维坐标；K=kxsu00kyv0001]]>是摄像机内参矩阵，其中kx、ky反映图像u轴、v轴的比例系数，s反映两个轴的夹角情况，u0、v0为光轴直线和CCD平面的交点；n＝(u，v，l)T是焊缝特征点对应的图像齐次坐标；是结构光平面在摄像机坐标系下的光平面方程参数。(2)特征点在摄像机坐标系的坐标变换到机器人基坐标系如下式：XW＝RHWRXC+RHWt+tHW其中XW是焊缝特征点在机器人基坐标系的坐标，RHW、tHW是机器人基坐标系与末端坐标系的旋转与平移关系，R、t是机器人末端坐标系与摄像机坐标系的关系，即手眼矩阵T=Rt01.]]>1.2、图像上的点P1、P2、P10、P11、P20和P21各点变换到焊接机器人基坐标系设激光器在位姿T1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P1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P1的两侧激光条纹上分别取一点，设为P10和P11，则P10、P11也分别为两个平面上的点。经激光视觉传感器检测得到P1点在摄像机坐标系下三维坐标为XC1(xC1，yC1，zC1)，可求得其在机器人基坐标系下的坐标XW1(xW1，yW1，zW1)：[xW1，yW1，zW1，本文档来自技高网...

【技术保护点】
本专利技术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T1、T2，在T1位姿处采集角接焊缝图像，提取光条直线和焊缝点P1(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P10、P11，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P20、P21，由于P1、P10、P2、P20和P1、P11、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。...

【技术特征摘要】
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T1、T2，在T1位姿处采集
角接焊缝图像，提取光条直线和焊缝点P1(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P10、P11，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P20、P21，由于P1、P10、P2、P20和P1、P11、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P1、P2、P10、P11、P20和P21各点变换到焊接机器人基坐标系
设激光器在位姿T1时投射到物体的两个平面上的激光条纹如图3所示，激...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴长兴，
申请(专利权)人：吴长兴，
类型：发明
国别省市：江苏;32