一种用于工件模型的路径转换方法及系统

本发明涉及数据处理领域，具体来说涉及机器人，进一步来说，涉及基于点云配准的用于工件模型的路径转换方法及系统。

背景技术：

1、随着国内外机械制造行业的飞速发展，对机械设备的生产周期、产品质量、制造成本，提出了更高的要求。焊接机器人的自动化、柔性化优势正是解决这一问题的良好方案。有的机器人焊接采用示教再现编程方式，需要操作人员利用示教盒控制机器人运动，使焊枪到达完成焊接作业所需位姿，并记录各个示教点的位姿数据，随后机器人以再现状态完成焊缝的焊接。整个过程耗时较长，并且在人工示教编程期间机器人无法同时生产，生产效率低。有的机器人焊接采用离线编程技术，使用离线编程软件对机器人进行编程，其编程过程中机器人无需中断生产，编程完成后自动执行焊接流程任务，缩短了生产周期。

2、机器人焊接无论是采用示教再现方式还是离线编程方式，焊接前均需要设计加工工装夹具，焊接时先利用工装夹具固定待焊接工件，之后再进行焊接，焊接定位精度会受到工装夹具机械结构误差的影响，焊接合格率偏低，而且不适用焊接工件多品种小批量的应用场景。因此，需要一种修正方法对已有焊接路径进行纠偏，以提高焊接定位精度。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明结合视觉传感器技术，提供了基于点云配准的用于工件模型的路径转换方法及系统。

2、根据第一方面，本发明实施例提供一种用于工件模型的路径转换方法，其中：获取工件的三维点云数据和模型数据，并根据所述三维点云数据和所述模型数据，进行icp点云精配准，得到精配准坐标变换矩阵；根据所述精配准坐标变换矩阵，确定所述三维点云数据相对于所述模型数据的最终坐标变换矩阵；利用所述最终坐标变换矩阵，将模型规划路径转换到工件的实际点云，进行路径转换。

3、优选的，所述根据所述三维点云数据和所述模型数据，进行icp点云精配准，得到精配准坐标变换矩阵，包括：根据所述三维点云数据和所述模型数据进行点云粗配准操作，得到粗配准坐标变换矩阵；根据所述三维点云数据、所述模型数据以及所述粗配准坐标变换矩阵，进行icp点云精配准，得到精配准坐标变换矩阵；其中，所述根据所述精配准坐标变换矩阵，确定所述三维点云数据相对于所述模型数据的最终坐标变换矩阵，包括：根据所述粗配准坐标变换矩阵和所述精配准坐标变换矩阵，计算得到所述三维点云数据相对于所述模型数据的最终坐标变换矩阵。

4、优选的，所述获取工件的三维点云数据，包括：获取工件的原始三维点云数据；分割所述原始三维点云数据中的背景点云数据和工件点云数据；将所述工件点云数据作为第一点云数据。

5、优选的，所述分割所述原始三维点云数据中的背景点云数据和工件点云数据，包括：采用基于深度搜索的区域生长算法，分割所述原始三维点云数据中的背景点云数据和工件点云数据。

6、优选的，所述分割所述原始三维点云数据中的背景点云数据和工件点云数据之前，还包括：对所述原始三维点云数据依次执行点云直通滤波、点云统计滤波以及点云体素滤波的预处理操作。

7、优选的，根据所述三维点云数据和所述模型数据进行点云粗配准操作，得到粗配准坐标变换矩阵，包括：根据所述模型数据，从所述第一点云数据中选取与所述模型数据对应位置的点云数据，与所述模型数据组成第一点对；根据所述第一点对，利用svd奇异值分解法得到第一旋转矩阵和第一平移向量；根据第一旋转矩阵和第一平移向量计算得到粗配准坐标变换矩阵。

8、优选的，所述根据所述三维点云数据、所述模型数据以及所述粗配准坐标变换矩阵进行icp点云精配准，得到精配准坐标变换矩阵，包括：根据所述粗配准坐标变换矩阵对所述第一点云数据进行变换操作，得到第二点云数据；根据所述第二点云数据与所述模型数据进行icp点云精配准，得到精配准坐标变换矩阵。

9、优选的，根据所述第二点云数据与所述模型数据进行icp点云精配准，得到精配准坐标变换矩阵，包括：对于所述第二点云数据中的每个点，找到其在所述模型数据中的最近邻点，建立对应关系，组成第二点对；利用icp精配准算法计算第二点云数据相对于所述第二点对中模型数据的变换矩阵；将所述第二点云数据应用所述变换矩阵，得到新的点云数据；判断所述变换矩阵是否满足收敛条件，若满足，则将该变换矩阵作为精配准坐标变换矩阵；否则将所述新的点云数据作为第二点云数据，并重新迭代，将所述第二点云数据与所述模型数据进行icp精配准；其中，所述收敛条件包括：所述新的点云数据与模型数据的距离误差小于设定的距离阈值，或者迭代次数达到上限。

10、优选的，利用所述最终坐标变换矩阵，将模型规划路径转换到工件的实际点云，进行路径转换，包括：根据离线编程软件得到模型规划路径；利用所述最终坐标变换矩阵，将所述模型规划路径的每个点乘以最终坐标变换矩阵的逆矩阵，将所述模型规划路径转换到工件的实际点云，进行路径转换。

11、优选的，所述工件是待焊接工件，所述路径转换是对所述工件的焊接路径的修正；或所述工件是待打磨工件，所述路径转换是对所述工件的打磨路径的修正；或所述工件是待喷涂工件，所述路径转换是对所述工件的喷涂路径的修正。

12、根据第二方面，本发明实施例提供一种用于工件模型的路径转换系统，其中：配准模块用于获取工件的三维点云数据和模型数据，并根据所述三维点云数据和所述模型数据，进行icp点云精配准，得到精配准坐标变换矩阵；变换计算模块用于根据所述精配准坐标变换矩阵，确定所述三维点云数据相对于所述模型数据的最终坐标变换矩阵；转换模块用于利用所述最终坐标变换矩阵，将模型规划路径转换到工件的实际点云，进行路径转换。

13、与现有技术相比，本发明的优点在于：

14、本发明实施例在离线编程的基础上，采用点云配准技术进行模型路径的转换，无需工装夹具，工件在作业台上可任意摆放，避免作业精度受到工装夹具固定误差的影响，从而提高作业定位精度，提高了作业效率，稳定作业质量和一致性，极大的降低了企业成本和能耗，而且适用作业工件多品种小批量的应用场景。

技术特征：

1.一种用于工件模型的路径转换方法，其中：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述三维点云数据和所述模型数据，进行icp点云精配准，得到精配准坐标变换矩阵，包括：

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述获取工件的三维点云数据，包括：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述分割所述原始三维点云数据中的背景点云数据和工件点云数据，包括：

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述分割所述原始三维点云数据中的背景点云数据和工件点云数据之前，还包括：

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述三维点云数据和所述模型数据进行点云粗配准操作，得到粗配准坐标变换矩阵，包括：

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述三维点云数据、所述模型数据以及所述粗配准坐标变换矩阵进行icp点云精配准，得到精配准坐标变换矩阵，包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据所述第二点云数据与所述模型数据进行icp点云精配准，得到精配准坐标变换矩阵，包括：

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述最终坐标变换矩阵，将模型规划路径转换到工件的实际点云，进行路径转换，包括：

10.根据权利要求1-9中任一所述转换方法，其特征在于，所述工件是待焊接工件，所述路径转换是对所述工件的焊接路径的修正；或

11.一种用于工件模型的路径转换系统，其中：

技术总结本发明提供一种用于工件模型的路径转换方法及系统，所述方法包括：获取工件的三维点云数据和模型数据，并根据三维点云数据和模型数据，进行ICP点云精配准，得到精配准坐标变换矩阵；根据所述精配准坐标变换矩阵，确定所述三维点云数据相对于所述模型数据的最终坐标变换矩阵；利用所述最终坐标变换矩阵，将模型规划路径转换到工件的实际点云，进行路径转换。本发明实施例在离线编程的基础上，采用点云配准技术进行模型路径的转换，无需工装夹具，工件在作业台上可任意摆放，避免作业精度受到工装夹具固定误差的影响，从而提高作业定位精度，提高了作业效率，稳定作业质量和一致性，极大的降低了成本和能耗，适用工件多品种小批量的作业场景。技术研发人员：梁帅,韩银和,李传江,王丛林,孙瑜受保护的技术使用者：中国科学院计算技术研究所技术研发日：技术公布日：2024/7/11