CN101261118A

CN101261118A - 基于机器人的快速自动化三维形貌在线测量方法和系统

Info

Publication number: CN101261118A
Application number: CNA2008100527758A
Authority: CN
Inventors: 邾继贵; 刘常杰; 吴斌; 郭磊; 任永杰
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2008-04-17
Filing date: 2008-04-17
Publication date: 2008-09-10

Abstract

本发明公开了一种基于机器人的快速自动化三维形貌在线测量方法和系统，本发明将三维测头安装在工业机器人的末端工具上，通过机器人承载三维测头运动，采用高精度大视场数码相机组成全局相机控制系统，结合测头控制点技术，将测头在每个测量位置下的单元数据统一到全局坐标系中，实现单元数据的拼接，整个测量过程是机器人运动和高精度数码相机拍摄连续交替操作的过程，测量数据传递给控制计算机进行处理。本发明测量速度快，自动化程度高，完全能够满足工业产品三维形貌在线检测的要求。

Description

基于机器人的快速自动化三维形貌在线测量方法和系统

技术领域

本发明涉及精密测量方法和系统，特别涉及一种基于机器人运动平台的、能够快速、高度自动化地实现工业产品三维形貌在线测量的方法和系统。

背景技术

自由型体三维形貌测量是逆向工程、产品数字化设计和生产的基础支撑技术，也是一种先进的产品质量检测手段。在现代工业制造中，大规模连续的生产方式对产品的在线检测有着十分迫切的要求。在对产品三维形貌精度要求较高的工业制造领域，实现快速、高度自动化的工业产品三维形貌在线测量具有非常广泛的应用背景和十分重要的应用价值。

传统的实现自由型体三维形貌测量方法主要有两大类：直接利用坐标测量机(CMM)和间接利用CMM测量原理。前者直接应用CMM，将被测物体放在CMM上，用CMM测头对物体进行采样，得到物体的形貌数据。这种方法受到CMM直线导轨运动形式的限制，效率非常低，测量一个较大的物体通常需要几天甚至十几天时间，并且不能应用于现场环境。后者间接利用CMM原理，将标准的CMM用运动形式灵活(包含旋转自由度)、成本较低的简化结构代替，配合高精度的激光扫描系统(相当于CMM测头)。测量时，被测物置于工作台上，工作台带动被测物体旋转或激光扫描系统绕工作台旋转，实现物体多个侧面快速扫描测量。较之直接利用CMM，后者速度快，成本低，但不适用于大型物体和精度要求较高的场合。

近年来发展了一种基于数字近景摄影测量的便携式测量方法。这种方法利用非接触光学测头对被测物的不同区域进行单元测量，然后结合立体拼接技术，将各单元测量数据拼接在一起(统一在一个全局坐标系中)，形成完整的三维形貌。在这种测量方法中，单元测量数据的拼接精度是影响形貌测量精度的关键因素。目前，利用全局控制手段实现高精度的拼接是常用的方法，其中包括基于粘性标记点和不基于粘性标记点两种。这两种方法均需要在测量前在被测物表面或被测物周围设置全局控制点和基准尺等辅助设备，然后利用高精度数码相机从多个不同角度，以不同的姿态拍摄包含全局标记点和基准尺的图像，实现整体拼接。

上述测量方法具有明显局限性：1)或受测头运动形式的限制，或受测量柔性的制约，测量速度慢；2)测量过程中需要人为操作干预，自动化程度低；工业产品三维形貌在线检测具有速度快，柔性高，高度自动化的测量要求，因此，上述方法不能满足在线测量的要求。

发明内容

本发明的目的正是为了克服上述现有技术中的不足，提供一种测量速度快，柔性好，精度高，自动化程度高，能够满足在线检测的要求基于机器人的快速自动化三维形貌在线测量方法和系统。

本发明的一个技术方案是：一种基于机器人的快速自动化三维形貌在线测量方法，包括以下步骤：

①定义测头测量坐标系O_sX_sY_sZ_s；测头上安装测头控制点，定义测头控制坐标系O_cX_cY_cZ_c；确定测头控制坐标系O_cX_cY_cZ_c与测头测量坐标系O_sX_sY_sZ_s之间的关系M_sc；将测头安装在机器人关节臂的末端工具上，示教机器人；

②标定全局控制相机；全局控制相机的安装位置应满足三维测头在空间所有测量位置下，三维测头上至少三个测头控制点出现在相机的公共视场中；相机坐标系之间的转换关系预先标定好，定义全局坐标系O_gX_gY_gZ_g；

③测头在机器人的带动下运动到测量位置，测头采集被测物的三维形貌数据，同时全局控制相机对测头控制点拍照，确定当前测量位置下测头控制坐标系O_ciX_ciY_ciZ_ci与全局坐标系O_gX_gY_gZ_g之间的关系M_cig；重复上述过程，直到数据采集完毕；

④测头和全局控制相机将采集的数据传送给控制计算机，控制计算机对所有图像数据进行处理，获得统一在全局控制坐标系O_gX_gY_gZ_g下的被测物表面的整体三维形貌。

本发明的另一个技术方案是：一种基于机器人的快速自动化三维形貌在线测量系统，包括机器人、三维测头、测头控制点和全局控制相机，其中测头控制点安装在三维测头，三维测头安装在机器人关节臂的末端工具上，全局控制相机的安装位置应满足机器人在空间所有测量位置下，三维测头上的所有测头控制点均出现在相机的公共视场中。

所述全局控制相机至少是一部。

所述测头控制点采用精密圆球的球心或平面圆的圆心定位。

所述全局控制相机是一部。

所述全局控制相机是二部。

所述测头控制点至少设置三个。

本发明的有益效果是：利用机器人承载三维测头实现扫描运动，机器人的运动速度和测头的拍摄速度非常快，整个测量过程是机器人运动与摄像机拍摄的连续交替动作，测量一个产品仅需要几分钟甚至几十秒的时间(视被测物被测表面面积大小而定)；机器人具有示教功能，测量前对机器人示教一遍，机器人便可以自动实现产品的测量，测量数据由控制计算机软件全自动处理，一旦开始测量便无需人工干预，自动化程度高；如果被测物改变，只需再对机器人示教一遍，便可适应新的测量需要，测量柔性非常高；工业机器人的绝对定位精度较低，定位误差通常在1-2mm左右，无法满足精密测量的要求，由高精度数码相机构成的光学坐标测量系统测量空间点的定位精度能够达到0.02mm/m，利用高精度数码相机结合测头控制点技术实现单元数据的拼接，测量精度高。因此本发明具有测量速度快，精度高，自动化程度高，且无须人工在被测物体表面粘贴粘性标记点，不影响被测物体形貌自身特征的优点，能够满足工业产品在线检测的要求。

附图说明

图1是本发明一种基于机器人的快速自动化三维形貌在线测量系统的结构示意图。

附图标记：1、被测物表面；2、工业机器人；3、三维测头；4、5、6、测头控制点；7、8、全局控制相机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

本发明将三维测头安装在工业机器人的末端工具上，通过机器人承载三维测头运动，采用高精度大视场数码相机组成全局相机控制系统，结合测头控制点技术，将测头在每个测量位置下的单元数据统一到全局坐标系中，实现单元数据的拼接，整个测量过程是机器人运动和高精度数码相机拍摄连续交替操作的过程，测量数据传递给控制计算机进行处理，测量速度快，自动化程度高，完全能够满足工业产品三维形貌在线检测的要求。

如图1所示，本发明公开一种基于机器人的快速自动化三维形貌在线测量系统，系统由工业机器人2、三维测头3、测头控制点4、5、6和专业量测大视场数码相机组成。其中，三维测头由两台专业量测小视场CCD摄像机和激光投射系统组成，激光投射系统起指示作用，它与CCD摄像机的空间位置预先设计好，保证在测头的工作距离处CCD摄像机所拍摄的激光条图像具有很好的质量；专业量测小视场CCD摄像机之间的坐标系关系预先标定好，定义测头测量坐标系O_sX_sY_sZ_s。采用测头控制点技术，在测头3上设置3个(或3个以上)固定控制点(固定在测头上，和测头之间的空间关系固定)，称为测头控制点4、5、6，由三个测头控制点定义一个测头控制坐标系O_cX_cY_cZ_c，测头控制坐标系O_cX_cY_cZ_c与测头测量坐标系O_sX_sY_sZ_s之间的关系M_sc通过标定技术预先得到。

如图1所示，将三维测头3安装在工业机器人2的末端工具上，通过机器人2的运动带动三维测头3在空间不同位置获取被测物表面1的三维形貌信息；将专业量测大视场数码相机放置在空间的固定位置，称为全局控制相机8、9，组成全局控制系统，保证机器人在空间所有测量位置下，测头3上的所有测头控制点4、5、6均出现在相机的公共视场中，大视场数码相机的坐标系之间的精确转换关系预先标定好，定义全局坐标系O_gX_gY_gZ_g。

具体实施方式：如图1所示，将三维测头3安装在机器人2关节臂的末端工具上，在三维测头3上固定3个(或3个以上)测头控制点4、5、6，测头控制点4、5、6采用精密圆球的球心或平面圆的圆心定位。测头上测头控制点4、5、6坐标系与测头3测量坐标系之间的转换关系预先标定好。

测量时，需要先对机器人2进行示教，人为控制机器人2承载三维测头3按要求运动到被测物表面1的空间各个测量位置，完成示教后机器人3便可自动运动到各个测量位置。做好机器人2与控制计算机之间的通讯，使机器人2运动到某一空间测量位置下，运动稳定时控制计算机控制三维测头3和全局控制相机7、8拍照，拍照结束后机器人2继续运动，同时将图像数据传给控制计算机。整个运动过程结束后，控制计算机对所有图像数据进行处理，获得统一在全局控制坐标系下的被测物表面的整体三维形貌。

全局控制相机控制系统可以采用单相机系统，也可以采用两个相机组成的双目立体视觉系统，还可以采用多相机组成大空间多测站系统。单相机系统测量时光轴方向上精度不高，但其结构简单，最大的优点是成本低，针对被测物表面曲率变化很小的应用场合，可以采用单相机系统；在被测物表面曲率变化很大时可以采用两个相机组成双目立体视觉测量系统，保证摄像机坐标系下Z轴方向的精度；在被测物尺度非常大，测量空间出现遮挡等情况时，可以采用三个乃至更多个相机组成多测站系统，实现单元数据的精密拼接。

本发明的测量方法是：在测量时，控制机器人运动到空间指定测量位置1，激光投射系统投射在被测物表面形成相互平行的若干亮线。三维测头对被测量区域拍摄，由双目立体视觉测量原理可知，此时能够获得被测物表面被激光照射部分在测量位置1下测头测量坐标系O_s1X_s1Y_s1Z_s1中的空间三维坐标；由于测头控制坐标系O_cX_cY_cZ_c与测头测量坐标系O_sX_sY_sZ_s之间的关系M_sc已知，可以得到被测点在测量位置1下测头控制坐标系O_c1X_c1Y_c1Z_c1中的空间三维坐标；同时由两台高精度数码相机对测量位置1下的测头控制点拍摄，获得测量位置1下测头控制坐标系O_c1X_c1Y_c1Z_c1与全局坐标系O_gX_gY_gZ_g之间的转换关系M_1g，将被测点的空间三维坐标转换到全局坐标系O_gX_gY_gZ_g中。同理，控制机器人按要求运动到测量位置2，测量位置3，…，测量位置n，可以获得被测区域中激光照射部分在每个测量位置下测头测量坐标系O_siX_siY_siZ_si(i＝2，3，…，n)中的空间三维坐标，通过坐标系转换关系M_sc和M_ig(i＝2，3，…，n)均可将空间三维坐标转换到全局坐标系O_gX_gY_gZ_g中，获得统一在全局坐标O_gX_gY_gZ_g下的被测物表面的整体三维形貌。

本发明的整个测量过程是机器人承载三维测头在空间运动和专业量测数码相机拍摄的交替动作，机器人的运动速度和相机的拍摄速度均非常快；同时，相机拍摄的图像信息传输到控制计算机，通过软件自动处理，最终获得被测物表面的三维形貌；而且高精度数码相机、高精度的处理算法和高精度的残差修正技术能够保证测量具有很高的精度。因此，此方法具有测量速度快，精度高，自动化程度高，且无须人工在被测物体表面粘贴粘性标记点，不影响被测物体形貌自身特征的优点，能够满足工业产品在线检测的要求。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它的形式，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于机器人的快速自动化三维形貌在线测量方法，其特征是，包括以下步骤：

2.一种基于机器人的快速自动化三维形貌在线测量系统，其特征是，包括机器人、三维测头、测头控制点和全局控制相机，其中测头控制点安装在三维测头，三维测头安装在机器人关节臂的末端工具上，全局控制相机的安装位置应满足机器人在空间所有测量位置下，三维测头上的所有测头控制点均出现在相机的公共视场中。

3.根据权利要求2所述的基于机器人的快速自动化三维形貌在线测量系统，其特征是，所述全局控制相机至少是一部。

4.根据权利要求2所述的基于机器人的快速自动化三维形貌在线测量系统，其特征是，所述测头控制点采用精密圆球的球心或平面圆的圆心定位。

5.根据权利要求3所述的基于机器人的快速自动化三维形貌在线测量系统，其特征是，所述全局控制相机是一部。

6.根据权利要求3所述的基于机器人的快速自动化三维形貌在线测量系统，其特征是，所述全局控制相机是二部。

7.根据权利要求2所述的基于机器人的快速自动化三维形貌在线测量系统，其特征是，所述测头控制点至少设置三个。