(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210655102.1 (22)申请日 2022.06.10 (71)申请人 重庆大学 地址 400044 重庆市沙坪坝区沙正 街174号 重庆大学 申请人 上海大学 (72)发明人 王刚　牟力胜　蒲华燕　罗均　 刘鸿亮　 (74)专利代理 机构 北京高沃 律师事务所 1 1569 专利代理师 赵兴华 (51)Int.Cl. B23K 37/00(2006.01) B23K 37/02(2006.01) B25J 9/16(2006.01) B25J 11/00(2006.01)G06T 7/73(2017.01) G06T 7/80(2017.01) (54)发明名称 一种面向钢筋网片的机器人焊接系统及方 法 (57)摘要 本发明公开了一种面向钢筋网片的机器人 焊接系统及方法， 涉及钢筋 焊接及自动定位技术 领域， 该系统包括多个定位靶 标、 一个移动车、 安 装在移动车上的激光雷达和机器人、 以及安装在 机器人末端的3D相机和焊枪； 机器人包括机器人 本体和控制模块； 定位靶 标用于在工作时布置在 钢筋网片所在的区域； 控制模块基于相对位姿综 合变换矩阵， 计算3D相机采集的钢筋网片图像在 定位靶标坐标系下的钢筋网片点云， 进而确定机 器人的运动轨迹。 本发明能够大范围全局自定 位， 解决现有机器人焊接系统作业范围有限的问 题， 且保障机 器人焊接的定位精度。 权利要求书3页 说明书9页 附图4页 CN 115026470 A 2022.09.09 CN 115026470 A 1.一种面向钢筋网片的机器人焊接系统， 其特征在于， 包括多个定位靶标、 一个移动 车、 安装在所述移动车上的激光雷达、 安装在所述移动车上的机器人、 以及安装在机器人末 端的3D相机和焊枪； 其中， 所述机器人包括机器人本体和控制模块； 所述定位靶标用于在工作时布置在目标区域； 所述目标区域 为钢筋网片所在的区域； 所述控制模块， 用于： 基于所述激光雷达扫描的目标区域环境点云和所述目标区域内各个定位靶标的基准 三维模型， 确定激光雷达坐标系与定位靶标坐标系之间的相对位姿变换矩阵； 所述基准三 维模型为在定位靶标坐标系下表示定位靶标空间位姿分布的三维模型； 获取所述3D相机采集的钢筋网片图像； 基于相对位姿综合变换矩阵， 计算所述钢筋网片图像在定位靶标坐标系下的钢筋网片 点云； 所述相对位姿综合变换矩阵是基于第一相对位姿变换矩阵、 第二相对位姿变换矩阵、 第三相对位姿变换矩阵 以及机器人本体的姿态矩阵确定的； 所述第一相对位姿变换矩阵为 激光雷达坐标系与定位靶标坐标系之 间的相对位姿变换矩阵； 所述第二相对位姿变换矩阵 为激光雷达坐标系与机器人底座坐标系之 间的相对位姿变换矩阵； 所述第三相对位姿变换 矩阵为机器人末端坐标系与3D相机坐标系之间的相对位姿变换矩阵； 基于在所述定位靶标坐标系下的钢筋网片点云， 确定所述机器人的运动轨 迹。 2.根据权利要求1所述的一种面向钢筋网片的机器人焊接系统， 其特征在于， 所述定位 靶标从上至下依次包括一个球、 一个连接杆和一个圆柱； 其中， 所述球的球心 位于所述圆柱 的轴线上； 所述定位靶标的数量大于或者 等于3。 3.根据权利要求2所述的一种面向钢筋网片的机器人焊接系统， 其特征在于， 在所述基 于所述激光雷达扫描的目标区域环境点云和所述目标区域内各个定位靶标 的基准三维模 型， 确定激光雷达坐标系与定位靶标坐标系之 间的相对位姿变换矩阵方面， 所述控制模块， 用于： 控制所述移动车到达指定焊接位置， 然后获取所述激光雷达扫描的目标区域环境点 云； 基于圆柱点云分割算法和球面点云分割算法， 对所述激光雷达扫描的目标区域环境点 云进行处 理， 得到每 个定位靶标在激光雷达坐标系下的圆柱轴线矢量和球心点 坐标； 基于每个所述定位靶标在激光雷达坐标系下的圆柱轴 线矢量和球心点坐标， 计算在激 光雷达坐标系下的两 两圆柱轴线矢量之间的夹角和球心点 坐标之间的距离； 基于在所述激光雷达坐标系下的两两圆柱轴线矢量之间的夹角和球心点坐标之间的 距离， 以及在定位靶标坐标系下的两两圆柱轴线矢量之间的夹角和球心点坐标之间的距 离， 采用三维匹配算法， 确定 激光雷达坐标系与定位靶标坐标系之间的相对位姿变换矩阵。 4.根据权利要求3所述的一种面向钢筋网片的机器人焊接系统， 其特征在于， 在确定在 定位靶标坐标系下的两两圆柱轴线矢量之 间的夹角和球心点坐标之 间的距离方面， 所述控 制模块， 用于： 控制三维测量设备测量所述目标区域中所有定位靶标的位姿信 息， 并基于所述位姿信 息建立定位靶标坐标系下 所有定位靶标的基准 三维模型； 计算每个定位靶标在所述基准 三维模型中的圆柱轴线矢量和球心点 坐标； 基于每个定位靶标在所述基准三维模型中的圆柱轴 线矢量和球心点坐标， 计算在定位权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115026470 A 2靶标坐标系下的两 两圆柱轴线矢量之间的夹角和球心点 坐标之间的距离 。 5.根据权利要求1所述的一种面向钢筋网片的机器人焊接系统， 其特征在于， 在确定所 述相对位姿综合变换矩阵方面， 所述控制模块， 用于： 采用机器人手 ‑眼标定算法标定激光雷达坐标系与机器人底座坐标系之间的相对位姿 变换矩阵 采用机器人手 ‑眼标定方法标定机器人末端坐标系与3D相机坐标系之间的相对位姿变 换矩阵 获取机器人本体的姿态 矩阵 其中， 相对位姿综合变换矩阵为 表示激光雷达坐标系与定位靶标坐 标系之间的相对位姿变换矩阵。 6.根据权利要求1所述的一种面向钢筋网片的机器人焊接系统， 其特征在于， 在所述基 于相对位姿综合变换矩阵， 计算所述钢筋网片图像在定位靶标坐标系下的钢筋网片点云方 面， 所述控制模块， 用于： 根据公式3pi＝T5pi计算所述钢筋网片图像在定位靶标坐标系下的钢筋网片点云； 其中，3pi表示在定位靶标坐标系下所述钢筋网片点云中第i点的坐标， T表示相对位姿 综合变换矩阵；5pi表示在3D相机坐标系下 所述钢筋网片图像中第i 点的坐标。 7.根据权利要求1所述的一种面向钢筋网片的机器人焊接系统， 其特征在于， 在所述基 于在所述定位靶标坐标系 下的钢筋网片点云， 确定所述机器人的运动轨迹方面， 所述控制 模块， 用于： 基于在所述定位靶标坐标系下的钢筋网片点云， 识别钢筋交叉 特征； 基于所述钢筋交叉特征， 确定3D相机扫描范围内的所有焊接点的坐标和钢筋网片法 矢； 基于所述所有焊接点的坐标和钢筋网片法矢， 确定所述机器人的运动轨 迹。 8.根据权利要求7所述的一种面向钢筋网片的机器人焊接系统， 其特征在于， 在所述基 于所述所有焊接点的坐标和钢筋网片法矢， 确定所述机器人 的运动轨迹方面， 所述控制模 块， 用于： 对所有焊接点进行排序， 并基于排序后的焊接点的坐标和钢筋网片法矢， 生成焊枪的 运动轨迹； 对所述焊枪的运动轨迹进行后处理， 生成所述机器人的运动轨迹； 所述机器人的运动 轨迹用于对3D相机扫描范围内的所有焊接点进行焊接 。 9.根据权利要求1所述的一种面向钢筋网片的机器人焊接系统， 其特征在于， 所述控制 模块， 还用于： 判断钢筋网片是否焊接 完成； 若否， 则跳转至步骤： 基于所述激光雷达扫描的目标区域环境点云和所述目标区域内 各个定位靶标的基准三维模型， 确定激光雷达坐标系与定位靶标坐标系之 间的相对位姿变 换矩阵， 直至 完成钢筋网片所有区域的焊接 。 10.一种面向钢筋网片的机器人焊接系统 的焊接方法， 其特征在于， 所述面向钢筋网片 的机器人焊接系统包括多个定位靶标、 一个移动车、 安装在所述移动车上的激光雷达、 安装权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115026470 A 3