(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 202210551258.5 (22)申请日 2022.05.20 (71)申请人 中国建筑第四工程局有限公司 地址 510000 广东省广州市天河区科韵路 16号自编B栋 5楼 (72)发明人 姜凯　刘界鹏　李帅　梁全雷　 郑星　张龙　 (74)专利代理 机构 广东捷成专利商标代理事务 所(普通合伙) 44770 专利代理师 陈伟斌 (51)Int.Cl. B23K 37/02(2006.01) B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 一种基于三维重建的无示教编程建筑构件 焊接装置及方法 (57)摘要 本发明涉及建筑施工的技术领域， 更具体 地， 涉及一种基于三维重建的无示教编程建筑构 件焊接装置及方法。 一种基于三维重建的无示教 编程建筑构 件焊接装置， 其中， 包括焊接装置： 焊 接装置为焊接任务提供焊接材料和能量； 机械 臂： 用于控制末端焊枪的位姿和移动速度； 视觉 重建模块： 产生的三维点云数据信息； 计算机工 作站： 用于接收和处理视觉重建模块产生的三维 点云数据信息生成焊接程序， 控制和引导机械臂 完成对焊接构 件的焊接。 本发明装置更加适用于 建筑小批量、 非标焊接钢构件的生产， 可 以提高 工作效率， 具有较广阔的应用前 景。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 114888501 A 2022.08.12 CN 114888501 A 1.一种基于三维重建的无示教编程建筑构件焊接装置， 其特 征在于， 包括 焊接装置(1)： 焊接装置(1)为焊接任务 提供焊接材 料和能量； 机械臂(2)： 用于控制末端焊枪的位姿和移动速度； 视觉重建模块(4)： 产生的三维点云数据信息； 计算机工作站(3)： 用于接收和处理视觉重建模块(4)产生的三维点云数据信息生成焊 接程序， 控制和引导机 械臂(2)完成对焊接构件(5)的焊接 。 2.根据权利要求1所述的一种基于三维重建的无示教编程建筑构件焊接装置， 其特征 在于： 所述的视觉重建模块(4)包括支架(41)， 所述的支架(41)数量为三个， 三个支架(41) 上都设有深度相机(44)， 三个支架(41)呈三角形摆放， 且三个深度相机(44)拍摄角度都朝 向焊接构件(5)放置位置处； 所述的支 架(41)为圆柱 支架。 3.根据权利要求2所述的一种基于三维重建的无示教编程建筑构件焊接装置， 其特征 在于： 所述的视觉重建模块(4)还包括连杆(43)、 角度调节旋钮(42)， 所述的连杆(43)一端 与支架(41)连接， 连杆(43)的另一端与深度相机(44)连接， 所述的角度调节旋钮(42)设于 连杆(43)一侧； 所述的连 杆(43)为球形 连杆。 4.根据权利要求3所述的一种基于三维重建的无示教编程建筑构件焊接装置， 其特征 在于： 所述的支架(41)包括一底 座和一圆柱支杆， 圆柱支杆固定于底 座上， 连杆(43)设于圆 柱支杆的上端。 5.根据权利要求2至4任一所述的一种基于三维重建的无示教编程建筑构件焊接装置， 其特征在于： 所述的三个深度相机(4 4)与地面的距离为1米 ‑2米。 6.根据权利要求5所述的一种基于三维重建的无示教编程建筑构件焊接装置， 其特征 在于： 所述的三个深度相机(4 4)与地面的距离为1.5米。 7.应用权利要求6所述的一种基于三维重建的无示教编程建筑构件焊接装置的方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 环境搭建： 安装视觉重建模块(4)， 以焊接构件(5)为中心对象， 呈三角形放置 并安装三 台红外深度相机(4 4)； 深度相机标定： 采用张正友标定法对小孔成像模型的深度相机进行标定； 使用OpenCV 生成黑白相间的棋盘格， 打印并制作为标定板， 标定板分别放置于不同位置、 不同角度， 使 用深度相 机像头依 次进行拍摄； 对拍摄的照片进行角点检测， 提取亚像素角点坐标值并计 算出提取角点的三维坐标， 得到摄 像头的内参矩阵与畸变参数完成相机标定； 手眼标定： 深度相机对待焊接构件进行拍摄， 得到构件在相机坐标系下目标的相对位 置； 利用机械臂基座与相 机的相对位置保持不变， 求解机械臂基坐标系与相 机坐标系之间 的转换矩阵， 采用眼在手外的方式进行手眼标定； 机械臂运动学分析： 使用连杆参数来描述机构的运动关系， 参数为连杆长度、 连杆转 角、 连杆偏距、 关节角， 用DH参数将机械臂数学模型描述出来； 利用DH参数对机械臂进行正 逆运动求解， 建立末端执行器坐标系相对基座坐标系的变换矩阵， 构成机械臂的正逆运动 学方程； 多角度点云拼接： 三个相机完成多角度待焊构件点云数据采集， 通过点云配准的方法 进行点云拼接； 使用迭代最近点算法将点云配准拼接， 得到完整焊接构件的点云数据， 完成 三维重建；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114888501 A 2焊缝提取及生成空间路径： 对重建点云进行直通滤波， 直通滤波参数与深度相机安装 位置， 设置x、 y、 z三个方向参数， 保证采集构件点云包含在参数限制范围内， 取出较多的背 景点云信息； 进一步计算直通滤波后点云x、 y、 z三个方向的最值， 分别 给定x、 y、 z三个方向 体素的大小， 采用取平均值的体素降采样对划分的体素小方格完成降采样； 进一步采用随 机采用一致性方法完成构件与地面点云的分割和取出， 对于构件提取法向量 发生改变的区 域点云数据作为焊缝点； 进一步对于提取的焊缝点数据进一步采用RANSAC进行拟合， 得到 焊缝的空间直线点， 得到焊接的起始点和结束点， 直线上 的点为焊接机器人末端移动焊接 的位置， 利用手眼标定求得的点云坐标系和机器人坐标系的坐标转换关系得到机械臂移动 的空间路径。 8.根据权利要求7所述的方法， 其特征在于： 所述的环境搭建步骤中， 每台深度相机对 准待焊接构件且保证拍摄对 象， 确定机械臂初始位置即深度相 机拍照重建的位置， 保证拍 照时不受机 械臂遮挡构件， 保证构件的可 见性。 9.根据权利要求7所述的方法， 其特征在于： 所述的深度相机标定步骤中， 使用深度相 机像头依次进行拍摄， 共拍摄10张照片。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114888501 A 3