开云优惠体育网页版入口

专利名称：一种管路粗定位方法及系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111599615.7

专利申请（专利权）人：长三角哈特机器人产业技术研究院
权利人地址：安徽省芜湖市鸠江经济技术开发区神州路17号,国家工业机器人产品质量监督检验中心园区办公楼

专利发明（设计）人：王飞阳,庄金雷,陈盟,高靖

专利摘要：本发明公开的一种管路粗定位方法，包括如下步骤：S1、通过示教的方式控制工业相机来拍摄管路图像；S2、在管路图像的每个管段中选取两个位置点，计算出各位置点对应轴线点在机器人基坐标下的坐标；S3、基于各管段上两轴线点计算出对应管段的轴线，计算相邻两轴线公垂线中点，即为管路节点在机器人基坐标系下的坐标；S4、将设计坐标系下各管路节点坐标与机器人基坐标系下各管路节点坐标进行匹配，获取设计坐标系相对于机器人基坐标系的转换矩阵，实现管路的粗定位。通过示教的方式拍摄整个管路的图像，之后基于管路图像自动实现管路的粗定位，无需借助支架即可实现管路的粗定位，能适用于不同尺寸管路的粗定位，其适用场景更为灵活，实用性更高。

主权利要求：
1.一种管路粗定位方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
S1、通过示教的方式控制工业相机来拍摄管路图像；
S2、在管路图像的每个管段中选取两个位置点，计算出各位置点对应轴线点在机器人基坐标下的坐标；
S3、基于各管段上两轴线点计算出对应管段的轴线，计算相邻两轴线公垂线中点，即为管路节点在机器人基坐标系下的坐标；
S4、将设计坐标系下各管路节点坐标与机器人基坐标系下各管路节点坐标进行匹配，获取设计坐标系相对于机器人基坐标系的转换矩阵，实现管路的粗定位；
位置点Pi对应轴线点在机器人基坐标下的坐标获取方法具体如下：
S31、计算位置点Pi对应的管路表面点Qi在相机坐标系C中的方向vi；
S32、在激光距离传感器坐标系L的坐标原点与相机坐标系C的坐标原点重合，激光距离传感器坐标系L的z轴与vi方向重合，同时激光距离传感器坐标系L绕vi方向旋转固定角度后，确定此时法兰坐标系F在机器人基坐标系B中的位姿f1；
S33、控制机器人移动至末端法兰的法兰坐标系F处于位姿f1，控制激光测距传感器进行测距，计算测距值与管路半径值之和，获取轴线点Ri在当前激光距离传感器坐标系L下的坐标Ri_L，进而计算轴线点Ri在机器人基坐标系B中的坐标Ri_B；
标定相机坐标系C相对于法兰坐标系F的位姿矩阵，激光距离传感器坐标系L相对于法兰坐标系F的位姿矩阵，将激光距离传感器坐标系L的Z轴设为激光束的方向，且记录每次拍摄时法兰坐标系F相对于机器人基坐标系B的位姿矩阵。
2.一种管路粗定位系统，其特征在于，所述系统包括：
机器人，机器人的末端法兰通过法兰连接件与支架连接，支架用于固定工业相机及激光测距传感器，工业相机、激光测距传感器及机器人与控制柜通讯连接；
控制柜控制机器人移动的同时，控制工业相机拍摄管路图像，将拍摄到的管路图像发送至控制柜，控制柜基于权利要求1所述管路粗定位方法来控制机器人移动的同时，控制激光传感器进行测距，进而实现管路的粗定位。 说明书 : 一种管路粗定位方法及系统技术领域[0001] 本发明属于管路测量技术领域，更具体地，本发明涉及一种管路粗定位方法及系统。背景技术[0002] 管路作为汽车、船舶、航空航天等领域传输气液介质的重要零部件，其质量严重影响产品的整体性能。目前管路的检测逐渐由靠模检测的定性检测方法转向光学非接触式测量的定量检测方法，管路定量测量不仅能够判断管路的合格与否，更重要的能够提供管路的误差数值信息，为管路弯管工艺参数修正提供数据支撑，管路定量测量设备和方法正逐渐被管路加工工厂所采纳。[0003] 为了使机器人测量机(机器人系统与视觉系统集成，组成机器人测量机)能够实现管路自动化测量，需要提前确定管路相对于机器人基坐标系的空间位姿。目前采用较多的管路定位方法是通过机械式的硬件定位，如支架，当管路夹持固定于支架上时，管路相对于支架的空间位姿也即确定，支架相对于机器人固定不动，其空间位姿可通过外部设备提前测量，因此，一旦管路夹持在支架后，管路相对于机器人的空间位姿也即确定；但该方法存如下弊端：(1)不同型号管路需要设计不同的管路支架，实际管路型号众多，需要设计管路支架数量也非常庞大，成本高昂。而且，一旦管路尺寸发生更改，对应的管路支架必须同步更改；(2)当支架位置变动时，管路固定于支架后其相对于机器人的空间位姿也发生变动，此时机器人测量机无法自动测量，必须重新定位支架相对于机器人的空间位姿。发明内容[0004] 本发明提供一种管路粗定位方法，旨在改善上述问题。[0005] 本发明是这样实现的，一种管路粗定位方法，所述方法具体包括如下步骤：[0006] S1、通过示教的方式控制工业相机来拍摄管路图像；[0007] S2、在管路图像的每个管段中选取两个位置点，计算出各位置点对应轴线点在机器人基坐标下的坐标；[0008] S3、基于各管段上两轴线点计算出对应管段的轴线，计算相邻两轴线公垂线中点，即为管路节点在机器人基坐标系下的坐标；[0009] S4、将设计坐标系下各管路节点坐标与机器人基坐标系下各管路节点坐标进行匹配，获取设计坐标系相对于机器人基坐标系的转换矩阵，实现管路的粗定位。[0010] 进一步的，位置点Pi对应轴线点在机器人基坐标下的坐标获取方法具体如下：[0011] S31、计算位置点Pi对应的管路表面点Qi在相机坐标系C中的方向vi；[0012] S32、在激光距离传感器坐标系L的坐标原点与相机坐标系C的坐标原点重合，激光距离传感器坐标系L的z轴与vi方向重合，同时激光距离传感器坐标系L绕vi方向旋转固定角度后，确定此时法兰坐标系F在机器人基坐标系B中的位姿f1；[0013] S33、控制机器人移动至末端法兰的法兰坐标系F处于位姿f1，控制激光测距传感器进行测距，计算测距值与管路半径值之和，获取轴线点Ri在当前激光距离传感器坐标系L下的坐标Ri_L，进而计算轴线点Ri在机器人基坐标系B中的坐标Ri_B；[0014] 标定相机坐标系C相对于法兰坐标系F的位姿矩阵，激光距离传感器坐标系L相对于法兰坐标系F的位姿矩阵，将激光距离传感器坐标系L的Z轴设为激光束的方向，且记录每次拍摄时法兰坐标系F相对于机器人基坐标系B的位姿矩阵。[0015] 本发明是这样实现的，一种管路粗定位系统，所述系统包括：[0016] 机器人，机器人的末端法兰通过法兰连接件与支架连接，支架用于固定工业相机及激光测距传感器，工业相机、激光测距传感器及机器人与控制柜通讯连接；[0017] 控制柜控制机器人移动的同时，控制工业相机拍摄管路图像，将拍摄到的管路图像发送至控制柜，控制柜基于上述管路粗定位方法来控制机器人移动的同时，控制激光传感器进行测距，进而实现管路的粗定位。[0018] 本发明通过示教的方式拍摄整个管路的图像，之后基于管路图像自动实现管路的粗定位，无需借助支架即可实现管路的粗定位，能适用于不同尺寸管路的粗定位，其适用场景更为灵活，实用性更高。附图说明[0019] 图1为本发明实施例提供的管路粗定位装置的结构示意图；[0020] 图2为本发明实施例提供的管路粗定位方法流程图；[0021] 图3为本发明实施例提供各位置点对应轴线点在机器人基坐标下坐标的获取过程示意图；[0022] 1.工业机器人、2.法兰连接件、3.支架、4.激光测距传感器、5.工业相机、6.工业相机的镜头、7.控制柜。具体实施方式[0023] 下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。[0024] 图1为本发明实施例提供的管路粗定位装置的结构示意图，为了便于说明，仅示出与本发明实施例相关的部分，该装置包括：[0025] 机器人，机器人的末端法兰通过法兰连接件与支架连接，支架用于固定工业相机及激光测距传感器，工业相机、激光测距传感器及机器人与控制柜通讯连接；[0026] 控制柜控制机器人移动的同时，控制工业相机拍摄管路图像，将拍摄到的管路图像发送至控制柜，控制柜基于下述管路粗定位方法来控制机器人移动的同时，控制激光传感器进行测距，进而实现管路的粗定位；[0027] 其中，控制柜上集成有存储单元，用于存储管路的设计图纸及管路节点在设计坐标系下的坐标。[0028] 图2为本发明实施例提供的管路粗定位方法流程图，该方法具体包括如下步骤：[0029] S1、标定相机坐标系C相对于法兰坐标系F的位姿矩阵T_C_F，激光距离传感器坐标系L相对于法兰坐标系F的位姿矩阵T_L_F，将激光距离传感器坐标系L的Z轴设为激光束的方向；[0030] 在管路粗定位装置安装完成后，相机坐标系C、法兰坐标系F及激光距离传感器坐标系L之间的坐标系也就固定了，因此只需要进行一次标定即可，此外，法兰坐标系F相对于相机坐标系C的位姿矩阵为T_F_C，位姿矩阵T_F_C为位姿矩阵T_C_F的逆矩阵。[0031] S2、通过示教的方式控制工业相机来拍摄管路图像，记录每次拍摄时法兰坐标系F相对于机器人基坐标系B的位姿矩阵T_F_B；[0032] 管路图像可能主要拍摄若干。拍苁沟霉苈吠枷衲芨哺钦龉苈，由于工业相机的视野范围较大，对于一般的管路，拍摄2～4帧图像即可覆盖整个管路，管路由管段首尾连接而成，管段均为圆柱形。[0033] S3、在管路图像的每个管段中选取两个位置点，针对每个位置点执行步骤S31及步骤S33，计算出各位置点对应轴线点在机器人基坐标下的坐标；[0034] S31、计算位置点Pi对应的管路表面点Qi在相机坐标系C中的方向vi，方向vi为表面点Qi与相机坐标系C原点的连线所在方向，表面点Qi经工业相机拍摄后，在管路图像中对应的像素点为Pi。[0035] 在本发明实施例中，管段中的位置点选取方法具体如下：[0036] 计算各管段的距离L，将两个位置点分别设置在距两端点距离为a*L处的位置，a的取值为0.1～0.3，假定a取值为0.1，针对长为5m的管路而言，两个位置点分别位置距两端点0.5m处。[0037] S32、在激光距离传感器坐标系L的坐标原点与相机坐标系C的坐标原点重合，激光距离传感器坐标系L的z轴与vi方向重合，同时激光距离传感器坐标系L绕vi方向旋转固定角度后，形成位姿l1，确定此时法兰坐标系F在机器人基坐标系B中的位姿f1；[0038] 当前位姿l0、当前位姿f0及当前位姿c0分别该帧管路照片拍摄时激光测距坐标系、法兰坐标系及相机坐标系相对于机器人基坐标系的位姿，在每帧管路图像进行拍摄时，都会记录法兰坐标系相对于机器人基坐标系的位姿f0，因此，可以获取此时激光测距传感器坐标的位姿l0及相机坐标系的位姿c0，针对每个位置点，都需要获取对应表面点的激光位姿，因此，均需要变换移动激光测距传感器坐标系的位姿，变换后的位姿为l1，与变换时相机坐标系位姿及法兰坐标系位姿均为同步变换，变换后的位姿分别为位姿c1、位姿f1。[0039] 由于工业相机及激光测距传感器与机器人末端法兰是刚性连接，因此，基于激光测距传感器从当前位姿l0变换至位姿l1时的位姿矩阵T_L_L，法兰坐标系从当前位姿f0转换至位姿f1时的位姿矩阵T_F_F与姿矩阵T_L_L相同，即可计算出每个位置的法兰坐标系的位姿f1。[0040] S33、控制机器人移动至末端法兰的法兰坐标系F处于位姿f1，控制激光测距传感器进行测距，计算测距值与管路半径值之和，获取轴线点Ri在当前激光距离传感器坐标系L下的坐标Ri_L，进而计算轴线点Ri在机器人基坐标系B中的坐标Ri_B；[0041] 管路图像中的第i个位置点Pi，该位置点对应的管路表面点为Qi，管路表面点Qi在轴线上的映射点为轴线点Ri；由于当前法兰坐标系F在机器人基坐标系中的位姿f1已知，且激光距离传感器坐标系L相对于法兰坐标系F的位姿矩阵T_L_F已标定好，因此，在获取轴线点Ri在当前激光距离传感器坐标系L下的坐标Ri_L后，基于位姿矩阵T_L_F在将坐标Ri_L转换至法兰坐标系F下，得到Ri_F，再基于位姿F1将Ri_F转换至机器人基坐标系B下，获得Ri_B。[0042] 结合图3对上述步骤S31至步骤S33上述各位置点对应轴线点在机器人基坐标系B下坐标的获取过程进行说明，说明具体如下：[0043] 针对管路图像中的每个圆柱管段，分别在该管路上选两个位置点(即图像点)，图3中的图像点P1和P2，假定其对应实际管路表面点为Q1和Q2。先进行图像点P1对应轴线点在机器人基坐标系B下坐标的计算，计算过程具体如下：第一步，根据图像点P1的坐标，计算管路表面点Q1在相机坐标系C下的方向v1，即表面点Q1与相机坐标系C原点的连线所在方向，如图2中的方向v所示；第二步，计算使点激光传感器坐标系L坐标原点与相机坐标系C的原点重合，使激光传感器坐标系L的Z轴与相机坐标系C下的方向v1重合，此时点激光传感器坐标系L的位置还不确定，其可以绕方向v1进行旋转，选择一个旋转角度a，则完全确定点激光传感器坐标系L的位置，也即确定了机器人法兰坐标系在机器人坐标系下的位姿f1，再控制移动机器人的末端法兰移动到位姿f1，控制激光传感器进行测距d，计算测距值d与管路半径r之和(d+r)，即确定对应轴线点在当前激光测距传感器坐标系下的坐标(0,0,d+r)，再将该坐标转换至机器人基坐标系B下，即为位置点P1对应轴线点在机器人基坐标系下的坐标，对位置点P2的重复上述过程，获取位置点P2对应轴线点在机器人基坐标系下的坐标。[0044] S4、基于各管段上两轴线点Ri计算出对应管段的轴线，计算相邻两轴线公垂线中点，即为管路节点在机器人基坐标系下的坐标；[0045] S5、将设计坐标系下各管路节点坐标与机器人基坐标系下各管路节点坐标进行匹配，获取设计坐标系相对于机器人基坐标系的转换矩阵，实现管路的粗定位。[0046] 将将设计坐标系下各管路节点坐标与机器人基坐标系下各管路节点坐标匹配是基于最小二乘法刚性配准算法来进行，可计算出设计坐标系与机器人基坐标系之间的位姿矩阵，实现管路的粗定位。[0047] 上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

专利地区：安徽

专利申请日期：2021-12-24

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN114266832B