基于線結(jié)構(gòu)光的型鋼自動(dòng)焊接位置檢測技術(shù)

劉洪偉， 馬立東， 馬自勇， 張富泉， 杭嘉濠

(1.太原科技大學(xué), 太原030024;2.太原重型機(jī)械裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，太原 030024;3.海安太原科大高端裝備及軌道交通技術(shù)研發(fā)中心，江蘇 海安 226600)

0 前言

H型鋼是一種具有較高抗彎、抗扭、抗壓等力學(xué)性能的鋼材，因其重量輕、性能好、規(guī)格多、斷面經(jīng)濟(jì)合理、使用方便和節(jié)省金屬等特點(diǎn)，它在世界各國中正在逐步替代工字鋼，占比也愈來愈大。研究發(fā)現(xiàn)，在不改變壁厚的條件下，適當(dāng)?shù)氖褂娩摻Y(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋可以很大程度上增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)建筑的強(qiáng)度和剛性，節(jié)約材料用量，減輕重量，降低成本。因此在H型鋼上焊接加強(qiáng)筋不失為一種可行的方法。但在型鋼加強(qiáng)筋的焊接過程中，型鋼截面尺寸的測量是其焊接工藝的一個(gè)重要步驟，其檢測精度關(guān)系著整個(gè)H型鋼的焊接質(zhì)量最終影響H型鋼的強(qiáng)度與剛度。對于型鋼的測量與檢測，目前大部分都是接觸式測量。接觸式測量具有抗干擾能力強(qiáng)，檢測精度高等優(yōu)點(diǎn)但檢測儀器精密且操作復(fù)雜，人工操作隨意性大，而且接觸式測量使用的工具會產(chǎn)生不可避免的磨損，對測量精度造成嚴(yán)重影響。非接觸式測量排除接觸式測量對柔性物體測量的人為等受力干擾，可以測量一些不可接觸的物體，如輻射體、高溫物體等。顯然，非接觸式測量相對于接觸式測量，非接觸式測量方式更符合發(fā)展趨勢。作為非接觸式測量方法中的典型方法，線結(jié)構(gòu)測量技術(shù)是目前工業(yè)上最實(shí)用的非接觸三維測量技術(shù)之一，具有原理簡單、高精度、光條圖像易于提取、易于實(shí)現(xiàn)、測試過程自動(dòng)化等特點(diǎn)。因此，研究工業(yè)現(xiàn)場中的H型鋼截面非接觸式測量方法，對于型鋼的準(zhǔn)確焊接有著重要的意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

針對型鋼的測量，劉燕[1]研究了一套H型鋼截面尺寸結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)，采用九點(diǎn)標(biāo)定法，標(biāo)定方法簡單，測量精度高，但圖像處理算法較復(fù)雜，時(shí)間花費(fèi)較多，實(shí)時(shí)性較差。劉慶綱等人[2]采用結(jié)構(gòu)光的測量方法實(shí)現(xiàn)H型鋼精密視覺檢測，具有較高的測量精度，建立的測量系統(tǒng)滿足大景深的測量需要，且具有較好的測量重復(fù)性和穩(wěn)定性，滿足測量需要。但所用標(biāo)定方法忽略畸變的影響，標(biāo)定的準(zhǔn)確性需通過提高相機(jī)分辨率來保證。陳龍[3]采用激光位移傳感器為測距元件，由計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)及發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令。通過傳感器和試件的相對運(yùn)動(dòng)對試件表面進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)的掃描測量，測量數(shù)據(jù)經(jīng)相關(guān)處理分析后導(dǎo)入軟件，繪制出被測試件的三維圖形，測量速度快且性能穩(wěn)定但需要高精度的直線導(dǎo)軌。王肅偉[4]所研究的H型鋼在線檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有良好的設(shè)計(jì)方案，但是未進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，所以無法確定其性能。劉亞姣[5]提出一種基于可變形卷積與多尺度-密集金字塔的型鋼表面缺陷檢測算法Steel-YOLOv3，將深度學(xué)習(xí)思想應(yīng)用到型鋼表面缺陷檢測中，檢測精度與已有方法相比提高一些，滿足實(shí)時(shí)性要求。于龍龍等人[6]基于平面靶標(biāo)方法，提取照射在平面靶標(biāo)的直線，提取多組直線通過最小二乘法擬合出激光平面，結(jié)合基于二維平面靶標(biāo)標(biāo)定完成整個(gè)系統(tǒng)的標(biāo)定，計(jì)算簡單，精度有了很大提高。但最終只得出一些標(biāo)準(zhǔn)量塊的尺寸誤差，對坐標(biāo)誤差這方面沒有提及。王迪[7]提出了一種基于雙目線結(jié)構(gòu)光的傳感器測量模型，并巧妙地采用柱形紙筒作為標(biāo)定靶，簡化結(jié)構(gòu)光參數(shù)的標(biāo)定流程,最終恢復(fù)物體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。段發(fā)階等人[8]提出齒形靶標(biāo)法,采用齒形靶標(biāo)與一維運(yùn)動(dòng)相結(jié)合完成標(biāo)定，但要求齒形靶標(biāo)精度高。Liu等人[9-10]分別提出對球形目標(biāo)的攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)和線結(jié)構(gòu)光標(biāo)定技術(shù)，同樣也是利用高精度靶標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，簡化了靶標(biāo)點(diǎn)提取方式，提高了檢測精度但靶標(biāo)加工要求較高。張瑞峰等人[11]研究了一種新的線結(jié)構(gòu)光標(biāo)定方法：利用平面靶標(biāo)上的點(diǎn)與相機(jī)光心所構(gòu)成的關(guān)系,選取多組點(diǎn)求解2條及以上的光條中心點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)并基于最小二乘法,利用所有光條中心特征點(diǎn)計(jì)算光平面在相機(jī)坐標(biāo)系下的方程。鑒于前人所研究的H型鋼檢測大都對尺寸精度行分析而對坐標(biāo)精度研究較少，采用基于線結(jié)構(gòu)光的H型鋼測量系統(tǒng)與焊接機(jī)器人相結(jié)合的方法來評價(jià)坐標(biāo)精度并對深度方向坐標(biāo)存在誤差問題提出一種誤差補(bǔ)償方法，減小坐標(biāo)誤差。

文中主要分為3個(gè)部分：系統(tǒng)的標(biāo)定、圖像處理和試驗(yàn)驗(yàn)證。第1部分為系統(tǒng)的標(biāo)定，這部分又分為2個(gè)部分：①相機(jī)標(biāo)定，主要求出相機(jī)內(nèi)參和畸變參數(shù)，用于后續(xù)的計(jì)算與畸變矯正；②激光面與相機(jī)位置的標(biāo)定，主要確定激光上的點(diǎn)相對于相機(jī)的位置關(guān)系，最終根據(jù)設(shè)立的世界坐標(biāo)系及轉(zhuǎn)換關(guān)系求得三維坐標(biāo)并利用ABB機(jī)器人來驗(yàn)證準(zhǔn)確性。第2部分為圖像處理部分，給出關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)，用于計(jì)算最終結(jié)果。第3部分為試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證模型檢測的數(shù)據(jù)和實(shí)際測得的數(shù)據(jù)的近似程度。

1 H型鋼視覺標(biāo)定原理

針對攝像機(jī)的標(biāo)定方法已經(jīng)非常成熟，例如基于徑向約束的方法[12]、基于主動(dòng)視覺的方法[13]、基于二維平面靶標(biāo)的方法[14]等，基于數(shù)值擬合的線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的標(biāo)定方法[15]。盡管那么多人提出標(biāo)定方法，而關(guān)于結(jié)構(gòu)光面的現(xiàn)場標(biāo)定方法仍在不斷研究之中。

1.1 相機(jī)成像原理

空間三維坐標(biāo)到圖像像素坐標(biāo)的線性變換關(guān)系可由以下步驟實(shí)現(xiàn)。

設(shè)某一點(diǎn)的世界坐標(biāo)為(xw,yw,zw)，它在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(xc,yc,zc)，在圖像物理坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(x,y)，在像素坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(u,v)。世界坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系變化：

[xcyczc1]=[RT0T1]·[xwywzw1]=M2·[xwywzw1]

(1)

式中：R為3×3單位正交矩陣；T為平移矩陣；R矩陣和T矩陣是世界坐標(biāo)系向相機(jī)坐標(biāo)系變換的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。以下為攝像機(jī)坐標(biāo)系到圖像物理坐標(biāo)系變換。

由經(jīng)典的成像原理知：

{x=f·xc/zcy=f·yc/zc

(2)

用歸一化坐標(biāo)(x′,y′)表示為：

{x′=xc/zcy′=yc/zc

(3)

歸一化坐標(biāo)與圖像像素坐標(biāo)的變換為：

[uv1]=[>fx0u00fyv0001]·[x′y′1]

(4)

由式(3)和式(4)聯(lián)立得出像素坐標(biāo)與相機(jī)坐標(biāo)的關(guān)系：

zc·[uv1]=[>fx0u00fyv0001]·[xcyczc]

(5)

式中：fx，fy分別為u軸、v軸的有效焦距，且fx=f/dx，fy=f/dy；dx，dy分別為每個(gè)像素在x軸、y軸方向的物理尺寸；(u0,v0)為相機(jī)光軸與成像面的交點(diǎn)的像素坐標(biāo)。進(jìn)一步推導(dǎo)可得某一點(diǎn)的相機(jī)坐標(biāo)之間的關(guān)系為：

{>xc=(u-u0)·zcfxyc=(v-v0)·zcfy

(6)

式中：u，v可以通過圖像處理提取到;u0，v0，fx，fy可由相機(jī)標(biāo)定得到，如果知道zc那么一個(gè)點(diǎn)的相機(jī)坐標(biāo)都可求得。最終由式(1)、式(5)可得空間點(diǎn)與圖像像素坐標(biāo)點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系：

zc·[uv1]=[fx0u00fyv0001]·[RT]·[xwywzw1]=M1·M2·[xwywzw1]

(7)

式中：M1為系統(tǒng)的內(nèi)參數(shù)；M2為系統(tǒng)的外參數(shù)；對于固定測量系統(tǒng)，攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)為常數(shù)。該模型為理想上的相機(jī)成像模型，用于工程上還是有一定的誤差和不足，在實(shí)際生產(chǎn)中相機(jī)成像不可能完全滿足中心投影關(guān)系，相機(jī)的中心線難免會產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象出現(xiàn)光學(xué)畸變。除此之外，攝像機(jī)還可能由于成像過程的復(fù)雜性、圖像分辨率低等因素造成成像點(diǎn)與空間點(diǎn)之間的非線性關(guān)系。所以考慮到相機(jī)具有徑向畸變和切向畸變，切向畸變幾乎沒有，文中沒有考慮切向畸變的影響，只考慮徑向畸變的影響。由張正友標(biāo)定法知：

{u′=u+(u-u0)[k1(x2+y2)+k2(x2+y2)]v′=v+(v-v0)[k1(x2+y2)+k2(x2+y2)]

(8)

式中：(u′,v′)為經(jīng)畸變矯正后的像素坐標(biāo)；(u,v)為未經(jīng)畸變矯正的像素坐標(biāo)。x與y為未考慮畸變情況下的歸一化坐標(biāo)，k1，k2為2個(gè)徑向畸變系數(shù)。將式(8)代入理想的未考慮相機(jī)畸變的模型中，即代入式(5)，可得

zc·[u′v′1]=[>fx0u00fyv0001]·[xcyczc]

(9)

1.2 線結(jié)構(gòu)光測量原理

文中采用平面靶標(biāo)進(jìn)行相機(jī)的標(biāo)定和激光平面的標(biāo)定。單相機(jī)標(biāo)定采用張正友標(biāo)定法標(biāo)定，技術(shù)已經(jīng)很成熟，這里不再一一贅述。激光平面標(biāo)定的目的是為了拿到激光平面與相機(jī)的位置關(guān)系，通過結(jié)合求得的內(nèi)參得到激光平面在相機(jī)坐標(biāo)系下的平面方程。

激光線照射在平面靶標(biāo)，如圖1所示。圖1中所用棋盤格規(guī)格為23×22，一個(gè)方格是15 mm。

圖1 激光條紋位置

通過擬合激光線提取激光線的直線像素坐標(biāo)方程為：

a·u+b·v+c=0

(10)

式中：a，b，c為激光線上的像素點(diǎn)在像素坐標(biāo)系下的直線方程系數(shù)。根據(jù)像素坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以將得到的直線像素坐標(biāo)方程轉(zhuǎn)化為直線的圖像坐標(biāo)方程：

A·x+B·y+C=0

(11)

式中：A，B，C為激光線上的像素點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系下的直線方程系數(shù)。根據(jù)像素坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系可知：

(A,B,C)=(a,b,c)·[>1dx0u001dyv0001]

(12)

由這條激光線與相機(jī)光心所組成的平面方程為：

A·f·xc+B·f·yc+C·zc=0

(13)

將世界坐標(biāo)系建在棋盤格上，即棋盤格平面在zw=0的平面上(在世界坐標(biāo)系下)，由此可以得出棋盤格平面在相機(jī)坐標(biāo)系下的方程如下：

(0010)·[RT0T1]·[xcyczc1]=0

(14)

式中：R為相機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣；T為相機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系平移向量。聯(lián)立式(13)與式(14) 可得激光中心線在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)方程為：

{A1·xc+B1·yc+C1·zc+Dl=0A·f·xc+B·f·yc+C·zc=0

(15)

式中：A1，B1，C1，D1為棋盤靶標(biāo)平面在相機(jī)坐標(biāo)系下的平面方程的各個(gè)系數(shù)。多次轉(zhuǎn)動(dòng)棋盤格并使激光條紋射在棋盤靶標(biāo)空白處，采用相同方法求得激光線上各點(diǎn)相應(yīng)相機(jī)坐標(biāo)，最后通過最小二乘擬合方法將這些點(diǎn)擬合成一個(gè)激光面，由此求得激光平面在相機(jī)坐標(biāo)系下的平面方程為：

Ac·xc+Bc·yc+Cc·zc+Dc=0

(16)

式中：Ac，Bc，Cc，Dc為激光平面在在相機(jī)坐標(biāo)系下的平面方程的各個(gè)系數(shù)。至此，可以得到激光平面相對于相機(jī)的位置關(guān)系，激光平面標(biāo)定完成。最終與單相機(jī)標(biāo)定得到的方程聯(lián)立，即與式(9)聯(lián)立實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的標(biāo)定：

{f1(u,zc)=xcf2(v,zc)=ycAc·xc+Bc·yc+Cc·zc+Dc=0

(17)

式中：f1與f2分別代表u，v與xc，yc的關(guān)系3個(gè)方程，有xc，yc，zc3個(gè)未知量，其他參數(shù)和關(guān)系通過相機(jī)標(biāo)定和激光平面標(biāo)定獲得。

2 H型鋼視覺標(biāo)定圖像處理

文中基于MFC編寫圖像顯示與處理界面程序，圖像處理方面基于OpenCV庫。除上面提到的標(biāo)定方法比較核心，另外一個(gè)核心的就是圖像處理的算法。文中搭建試驗(yàn)臺如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)臺

線結(jié)構(gòu)光增強(qiáng)特征，將復(fù)雜的三維輪廓轉(zhuǎn)化為二維圖像，因?yàn)榧す饩€碰到不同的三維物體表面會被調(diào)制形成變形條，呈現(xiàn)在圖像中的是不一樣的折線，通過識別二維圖像中折線的關(guān)鍵點(diǎn)，利用標(biāo)定方法轉(zhuǎn)化為機(jī)器人坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)從而實(shí)現(xiàn)三維輪廓的。考慮到所獲取圖像中的激光線是有寬度的，它不是單像素的，擬對激光線進(jìn)行細(xì)化，細(xì)化成以單像素為單位的輪廓線，以便接下來的關(guān)鍵點(diǎn)提取。

2.1 提取激光線條紋中心

如何精準(zhǔn)、完整地提取投射到物體表面的線結(jié)構(gòu)光是結(jié)構(gòu)光視覺測量的關(guān)鍵問題，而結(jié)構(gòu)光的中心線提取是不得不面臨的問題。可將當(dāng)前所發(fā)展的線結(jié)構(gòu)光中心線提取模型大致分為2類：采用傳統(tǒng)算法的提取模型和基于深度學(xué)習(xí)算法的提取模型。簡單地說前者算法簡單，后者適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，算法復(fù)雜。Nguyen等人[16]提出了利用高斯峰值評判激光條紋中心線像素位置，簡單高效。鑒于型鋼的形狀輪廓較為單一，選用傳統(tǒng)算法的提取模型。

文中提取激光線的過程大體如下：對激光線圖像進(jìn)行高斯濾波，并采用大津閾值法進(jìn)行閾值分割，之后提取輪廓并畫出輪廓，將這些輪廓點(diǎn)都存到容量里去，基于幾何中心提取法，取輪廓點(diǎn)對的中心作為激光條紋中心，并在圖像中用相應(yīng)顏色線畫出來，在通過幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的像素或位置關(guān)系準(zhǔn)確求得它們的圖像坐標(biāo)，并將需要的幾個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)存寫入文件，為接下來坐標(biāo)轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備。處理的圖片如下所示：圖3為提取到的激光線輪廓圖，圖4為找到的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位置顯示圖，圖5為關(guān)鍵點(diǎn)位置示意圖。

圖3 提取的輪廓圖

圖4 關(guān)鍵點(diǎn)圖

圖5 點(diǎn)示意圖

2.2 擬合激光直線

對于關(guān)鍵點(diǎn)的檢測，思路是通過擬合細(xì)化之后的激光直線并根據(jù)擬合的直線與原圖像的交點(diǎn)作為關(guān)鍵點(diǎn)，作為2.1章節(jié)的檢驗(yàn)與補(bǔ)充，比較兩者的找到的點(diǎn)的位置，對圖像處理結(jié)果的準(zhǔn)確性作判斷。

圖6為擬合的激光線的直線，藍(lán)色線表示擬合的線，紅色為未經(jīng)處理的激光線。通過圖5中4個(gè)示意點(diǎn)的位置及圖6中右邊直線的位置，可對焊接軌跡進(jìn)行規(guī)劃，即知道焊縫的位置，聯(lián)合焊接機(jī)器人完成焊接任務(wù)。根據(jù)相應(yīng)關(guān)鍵點(diǎn)像素位置找到的幾個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)見表1。

圖6 擬合的直線

表1 關(guān)鍵點(diǎn)的圖像坐標(biāo)

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 線結(jié)構(gòu)光標(biāo)定試驗(yàn)

為更好提取激光線，應(yīng)確保激光線不與棋盤格上角點(diǎn)所在直線相交叉，激光條紋位置最好是在平面靶標(biāo)的空白部分，試驗(yàn)過程大體如下：①將標(biāo)定板調(diào)整任意位置，注意要讓激光線照射在棋盤平面空白部分并采集每個(gè)位置的照片，必須視野中的棋盤格完整無缺；②按步驟一采集10～20組照片，文中采集了18組照片，控制相機(jī)進(jìn)行拍照，圖7和圖8為2個(gè)不同位置采集的照片；③根據(jù)前文線結(jié)構(gòu)光測量原理部分求得這18組激光線在相機(jī)坐標(biāo)系下的直線方程；④18組直線方程根據(jù)最小二乘法原則擬合出一個(gè)激光光平面得到的平面方程為：

圖7 狀態(tài)A下的標(biāo)定板

圖8 狀態(tài)B下的標(biāo)定板

2.302xc-0.014 03yc-zc+1 219=0

(18)

圖9為用Matlab擬合得到的激光平面，RMSE為16.296 5。可以看出通過多組激光線上的點(diǎn)擬合的激光平面還是比較符合的。

圖9 擬合的激光平面

3.2 系統(tǒng)測量試驗(yàn)

搭建試驗(yàn)平臺如下：相機(jī)采用大恒公司的Mer-231-41-GC-P相機(jī)，激光器采用FU650AB100-GB16線激光器，單相機(jī)標(biāo)定采用張正友標(biāo)定法，采用Matlab APP中的標(biāo)定工具箱標(biāo)定相機(jī)內(nèi)外參數(shù)，用18組標(biāo)定板求得其中內(nèi)部參數(shù)見表2。

表2 攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定結(jié)果

張氏標(biāo)定法相對其他標(biāo)定法來說操作簡單，標(biāo)定精度高，適合快速標(biāo)定，滿足一般精度的需求，針該系統(tǒng)的測量的任務(wù)，張氏標(biāo)定法較為契合，故選用此法來標(biāo)定單相機(jī)。將相機(jī)標(biāo)定結(jié)果與要處理得到的圖像像素坐標(biāo)代入式得各個(gè)點(diǎn)的相機(jī)坐標(biāo)，并最終轉(zhuǎn)換成所設(shè)的一個(gè)世界坐標(biāo)系下的世界坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換關(guān)系如式(19)所示，這將用于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)指導(dǎo)。

[xwywzw]=[RT0T1]-1·[xcyczc]

(19)

設(shè)的世界坐標(biāo)系如圖10所示。其中，z坐標(biāo)垂直于x軸與y軸構(gòu)成的平面且符合右手坐標(biāo)系垂直向外，通過相機(jī)標(biāo)定得到外參及擬合的激光平面方程和提取的像素點(diǎn)最終得到所測關(guān)鍵點(diǎn)的世界坐標(biāo)。

圖10 世界坐標(biāo)系

前面系統(tǒng)已經(jīng)搭建好了，接下來就是測量。針對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后世界坐標(biāo)深度方向存在偏差問題，提出一種誤差多項(xiàng)式擬合方法，能有效減小坐標(biāo)誤差，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確點(diǎn)到點(diǎn)定位，為焊接機(jī)器人引導(dǎo)焊接提供可能。

方案步驟為：測量多種規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)量塊，通過上文提到的測量系統(tǒng)算出每個(gè)量塊的深度方向坐標(biāo)z及測量結(jié)果與真值的偏差值dz，通過170組數(shù)據(jù)反映兩者的函數(shù)關(guān)系，采用多項(xiàng)式擬合得到不同高度下被測物體的偏差值，將偏差值補(bǔ)償?shù)接?jì)算的被測點(diǎn)深度方向的坐標(biāo)上。表3為擬合多項(xiàng)式的指標(biāo)參數(shù)。

表3 指標(biāo)參數(shù)

將此方法應(yīng)用到型鋼測量上，針對的是3種不同型號的型鋼，檢測的點(diǎn)選擇了3種型號H型鋼中1, 4示意點(diǎn)，結(jié)果見表4。

表4 測量結(jié)果

3.3 誤差分析

在機(jī)器人示教器中設(shè)立工件坐標(biāo)系為前言所說的世界坐標(biāo)系，通過機(jī)器人來起到一個(gè)三維測量儀的作用，手動(dòng)控制機(jī)器人到每一個(gè)激光關(guān)鍵點(diǎn)上，讀取當(dāng)時(shí)的工件坐標(biāo)作為測量數(shù)據(jù)的依據(jù)，對比測量系統(tǒng)檢測求得的世界坐標(biāo)數(shù)據(jù)做誤差分析。圖11是表4中的測量值與機(jī)器人測量之間的坐標(biāo)誤差。由圖11可知誤差大致在3 mm以內(nèi)，坐標(biāo)誤差是綜合了x,y,z方向的坐標(biāo)誤差，其中y方向?yàn)橹饕`差，考慮到用機(jī)器人測坐標(biāo)時(shí)探針在沿著激光線法線方向也就是y方向上難以精確定位到激光線中心位置，存在1～2 mm的偏差實(shí)屬意料之內(nèi)。顯然如果不考慮y誤差,坐標(biāo)誤差就顯著減小，當(dāng)然，這是人為因素造成的誤差，可以避免，結(jié)果預(yù)計(jì)可以到1 mm以下。如果坐標(biāo)誤差降到 1 mm以下，對于指導(dǎo)機(jī)器人焊接是可能的。

圖11 坐標(biāo)誤差圖

4 結(jié)論

(1)提出一種基于線結(jié)構(gòu)光的型鋼焊接位置檢測方法與系統(tǒng)，該方法利用二維平面靶標(biāo)與相機(jī)的相對位置關(guān)系及激光平面與相機(jī)的相對位置關(guān)系完成標(biāo)定工作，提出了適用于H型鋼的圖像處理方法可以實(shí)時(shí)獲得關(guān)鍵點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并且與機(jī)器人坐標(biāo)系連接起來實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行下一步的焊接動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)簡單操作性強(qiáng)，而且圖像處理算法簡單計(jì)算量小，適合實(shí)時(shí)處理。

(2)針對關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)誤差較大的問題，提出一種誤差擬合方法，利用不同高度的標(biāo)準(zhǔn)量塊擬合不同高度的誤差曲線進(jìn)而預(yù)測系統(tǒng)測量誤差，實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償，將坐標(biāo)誤差降到1 mm以下，滿足焊接使用要求。