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申请/专利权人：清华大学

摘要：本发明公开了一种焊接坡口尺寸和焊枪相对位姿高精度检测方法和装置，其中，该方法包括：利用视觉传感器采集单幅变形激光线图像；对变形激光线图像进行处理，获得二维激光线数据点；进行变形激光线图像二维数据分段；通过视觉传感器检测模型，获得变形激光线的三维分段点云数据；对分段三维点云数据分别进行平面拟合，重建获得平面工件焊接坡口面及焊接坡口面邻域工件表面的平面方程；根据重建获得的平面方程，求解焊接坡口尺寸和焊枪相对于焊接坡口的位姿参数。本发明实现了视觉传感器相对焊接坡口任意位姿下的焊接坡口尺寸参数和焊枪相对位姿参数的集成检测，具有高检测精度和适应性，同时提高了视觉传感器的检测鲁棒性和集成性。

主权项：1.一种焊接坡口尺寸和焊枪相对位姿高精度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，利用视觉传感器采集获得投射到平面工件焊接坡口面及所述焊接坡口面邻域工件表面的变形激光线图像；S2，对所述变形激光线图像进行图像处理，得到变形激光线单像素中心线及变形激光线弯折特征点；其中，所述图像处理包括图像预处理和图像特征提取；S3，将所述变形激光线弯折特征点作为分段间隔点，对所述变形激光线单像素中心线进行二维数据分段，获得分段的二维激光线数据；S4，通过所述视觉传感器的检测模型，将所述分段的二维激光线数据映射到相机坐标系中，得到变形激光线的三维分段点云数据；S5，对所述变形激光线的三维分段点云数据分别进行平面拟合，重建获得平面工件焊接坡口面及所述焊接坡口面邻域工件表面的平面方程；S6，根据所述平面方程以及焊枪在所述相机坐标系中的位姿，计算得到焊接坡口尺寸参数和所述焊枪相对于焊接坡口的位姿参数；其中，在步骤S4中，所述视觉传感器的检测模型为： X C=-DjxiAjxi+Bjyi-Cjf,YC=-DjyiAjxi+Bjyi-Cjf,ZC=DjfAjxi+Bjyi-Cjf其中，（XC,YC,ZC）为变形激光线图像中的二维激光线分段数据点p对应的相机坐标系下的激光线三维数据点P的坐标；Aj,Bj,Cj,Dj，分别代表激光线三维数据点P所在第一或第二激光发射器投射的激光结构光平面的平面方程参数；xi,yi是变形激光线图像中的二维激光线分段数据点p的图像坐标；步骤S5，包括：按照所拟合分段三维激光线点云数据序号，将拟合平面分别记为Sii=1,2,3,4，平面方程为： 式中，四个平面的法向量分别为：m1A1,B1,C1,m2A2,B2,C2,m3A3,B3,C3,m4A4,B4,C4；步骤S6，包括：平面工件V型焊接坡口的尺寸参数包括坡口宽度b1和b2以及坡口深度h，根据重建获得的平面工件焊接坡口面及焊接坡口面邻域工件表面的平面方程，焊接坡口尺寸参数的具体求解过程如下：坡口深度h：焊接坡口的左坡口面S2和右坡口面S3在坡口底部的交线l1至焊接坡口的左工件表面S1或右工件表面S4的距离为坡口深度； S 2和S3在坡口底部交线l1的直线方程为： 将交线l1上的点到左工件表面S1和右工件表面S4的距离均值分别记为坡口深度h1和坡口深度h2，取h1和h2的平均值作为V型焊接坡口的坡口深度h；坡口宽度b1和b2：由拟合的左工件表面S1和左坡口面S2，求得两平面的交线l2，直线方程为： 其中，直线l2的方向向量n2为：n2=m1×m2=B1C2-B2C1,A2C1-A1C2,A1B2-A2B1；基于直线l2的方向向量n2和拟合的左工件表面S1的法向量m1，求得与左工件表面S1垂直且过直线l2的虚拟垂直面S5的法向量m5，表示为： m 5=n2×m1=B1A1B2-B12A2-C12A2+C1A1C2,C1B1C2-C12B2-A12B2+A1A2B1,A1A2C1-A12C2-B12C2+B1B2C1取直线l2上任一点，获得S5的平面方程： 式中，A5,B5,C5为平面S5的法向量m5；D5=-A5XCq+B5YCq+C5ZCq，其中，XCq,YCq,ZCq为直线l2上任一点的坐标；根据拟合的右工件表面S4和右坡口面S3得到虚拟垂直面S6的平面方程；坡口面底部交线l1上的点至虚拟垂直面S5和S6的距离均值，分别为坡口宽度b1和b2；b1和b2之和为坡口总宽度B；焊枪相对位姿参数的求解过程如下：焊枪的相对位姿参数包括横向偏差e、角度偏差γ及焊枪高度H；构建坡口底部平面S7，为过坡口面底部交线l1且与焊接工件上表面平行的平面；点Pj0、点Pj1分别为焊枪中轴线和相机光轴与底部平面S7的交点；定义焊枪的横向偏差e为点Pj0到坡口面底部交线l1的距离，角度偏差γ为直线Pj0Pj1与坡口面底部交线l1的夹角；焊枪高度H、相机高度H1分别为焊枪导电嘴末端、相机焦点沿各自轴线到焊接工件上表面的距离，传感器安装高度H0为相机焦点沿焊枪轴线方向到焊枪导电嘴末端的距离；当焊枪的中心轴垂直于平面焊接工件的上表面时，关系为：H=H1-H0；焊枪的相对姿态参数包括前后倾角α和左右摆角β；前后倾角α为焊枪沿焊接方向与工件上表面法向量ZW间的夹角；左右摆角β为焊枪在坡口横截面所处平面内与工件上表面法向量ZW间的夹角；焊枪相对位置参数求解：横向偏差e：①求底部平面S7的平面方程：取拟合获得的工件上表面S1、S4的法向量参数的平均值作为底部平面S7的法向量m7A7,B7,C7的参数值，即A7=A1+A42,B7=B1+B42,C7=C1+C42；取焊接坡口面的底部交线l1上任一点，求得坡口底部平面S7的平面方程： 式中，D7=-A7XCp+B7YCp+C7ZCp，其中，XCp,YCp,ZCp为交线l1上任一点P的坐标；②求焊枪中轴线与平面S7的交点：焊枪中轴线的直线方程为：YC=0，XC=D0，D0为焊枪中轴线与相机光轴两平行直线间的距离，直线与平面S7的交点Pj0的坐标为D0,0,-A7D0+D7C7；③求横向偏差e：坡口面底部交线l1的方向向量n1的值为：n1=m3×m4=B3C4-B4C3,A4C3-A3C4,A3B4-A4B3；点Pj0到交线l1的距离即为横向偏差e，为： 角度偏差γ：①求相机光轴与平面S7的交点Pj1：相机光轴的直线方程为：YC=0，XC=0；该直线与平面S7的交点Pj1的坐标为0,0,-D7C7；②求角度偏差γ：直线Pj0Pj1与底部交线l1在平面S7内，它们之间的夹角是待求的角度偏差γ，为： 焊枪高度H：通过联立焊枪中心轴和拟合平面S1的方程，得到对应交点Pj的坐标为D0,0,-A1D0+D1C1；在相机坐标系中，焊枪导电嘴末端PE的坐标为D0,0,-H0；对于平面工件的拟合上表面S1，焊枪高度H为点Pj和PE之间的距离： 焊枪相对姿态参数求解：焊枪的前后倾角α：底部平面S7平行于工件上表面，面内直线Pj0Pj1的方向向量与焊枪方向向量tor之间的关系表征焊枪相对于焊接坡口的前后倾角α；直线Pj0Pj1的方向向量为：q1=D0,0,-A7D7C7；焊枪中轴线的方向向量为：tor=0,0,1；于是，焊枪的前后倾角α为： 焊枪的左右摆角β：用同时垂直于底部平面S7法向量m7和向量q1的向量q2表征焊枪相对于焊接坡口的左右摆角β；向量q2为： q 2 =m 7×q1=-A7D7B7C7,A72D7C7+C7D0,-B7D0焊枪的左右摆角为： 。

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