焊接机器人焊缝三维信息获取中焊缝空间坐标计算

焊接机器人焊缝待焊点空间坐标计算

当获取了各个焊缝的左右相机待焊点的图像像素坐标，结合第三章的标定部分，可以计算出空间焊缝待焊点的坐标。

设空间焊缝待焊点坐标为P(Xw,Yw,Zw)，空间待焊点在左右相机图像上的像素坐标分别为PL (ul,vl)和PR(ur,vr)，根据公式(3.4)可得:

其中Cl1和Cr1分别为左右两相机的内参，Cl2为左相机相对世界坐标系的外参，Cr2为右相机相对世界坐标系的外参，又通过双目标定的公式(3.8)，右相机相对左相机的空间变换矩阵为[R, t],则Cr2=Cl2[R,t]，同样Cl2可以通过手眼标定，将焊炬作为世界坐标系的目标原点，同样空间焊缝待焊点坐标的空间坐标系也是相对于焊炬而言，因为只有P(Xw, Yw,Zw)是相对于焊炬的坐标，机械手才可以通过该坐标操作焊炬到达指定位置进行焊接，则Cl2=[Rb,tb]。

 现Cl1Cl2Cr2内所有参数已知，令Cl1Cl2=M1，Cr1Cr2=M2。

联立式(5.12)(5.13)，可以消去Zl、Zr，得到如下四个线性方程。

上述四个方程求解Xw, Yw, Zw三个未知数，可以通过最小二乘法求的唯一解。最终通过上述方法，便可以得到空间中待焊点以焊炬为世界坐标系原点的空间坐标。

焊缝空间坐标获取实验

当可以通过图像获取焊缝待焊点空间坐标后，下面进行实验论证。首先利用搭设好的实验平台对下面对接焊缝进行采样，设定焊接机械手的速度为10mm/s，每0.5秒进行一次焊缝点的采样，利用本文之前的方法，分别获取焊缝在两相机中的待焊点图像坐标，再通过空间坐标计算，获取采样点的空间坐标，但是该空间坐标的坐标系原点是相对于焊炬的，空间坐标系随着焊炬的变换而变化。机械手中焊炬相对于机械手本身仍然存在一个变换坐标系，因此可以将该以机械手焊炬为原点的空间坐标转换到焊接机械手坐标系中，这样对于焊接机械手来说，在空间中获取到的待焊点的三维坐标是统一于一个坐标系之中的。

对于焊接机械手来说，存在有如下图5-8所示的坐标设定，其中XTYTZT是以焊炬工作点为圆心的坐标系，上文最终经过计算通过手眼标定的数据得到的坐标就是相对于该坐标系。而XYZ是用户设定的坐标系，是一个空间中固定的坐标系，当坐标系固定，计算得到的相对于该坐标系的空间坐标就方便统计和相互比较。设定好用户坐标系的原点后，就可以从机械手控制装置中读出焊炬工作点相对于XYZ坐标系的空间位置‘以及焊炬的位姿Rt,焊炬的位姿参数也就是XTYTZT坐标系相对于XYZ的旋转矩阵。因此，当通过章节5.2.1的步骤获得以焊炬工作点为原点的坐标系的坐标后，可以通过公式(5.14)计算得到以用户定义的坐标系为世界坐标的待焊点空间坐标。

同样，当焊炬对着焊缝点，我们可以从控制器中读到的该点相对于用户坐标系的坐标，而如果线激光也达到焊炬对着的焊缝点，那么通过机器视觉计算出的相对于用户坐标的空间坐标应该等于控制器中读出的坐标。所以可以通过这种坐标对比手段对本项目中的流程做出检验。下面分别对如图4-4中的对接、搭接和T形角接三种焊缝进行数据采集从而得到对比实验。

由于焊炬的运动速度为10 mm/s，每0.5 s进行一次采样，总共进行10s，这样我们可以分别获得20个从控制器中读到的实际坐标点和从图像中计算得到的理论坐标点，且利用误差值=实际值-理论值，分别统计得到三种焊缝X, Y, Z轴坐标的误差值，在图5-9、图5-10、图5-11中呈现出来，且三幅图中以圆圈为标记的是X轴、以三角为标记的是Y轴、以星号为标记的是Z轴。

焊接机器人从上述三幅图，我们可以发现对于对接和搭接焊缝，x, y轴坐标相较于z轴坐标误差较小，而T形角接焊缝相对于前两个焊缝则三个坐标的误差都是稍微偏大，但是三者误差都在(-1,1)之间，单位~。总体来说，通过双目视觉测量出的空间待焊点误差在允许范围之内。