CN101308015A - 基于光幕式激光器的高精度位姿检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明为基于光幕式激光器的高精度位姿检测方法与装置。主要以激光器及三种工作平台为主体，通过旋转平台和垂直位移平台的运动，使光幕式激光器能够实现旋转和竖直运动，获得两组二维信息，并通过数据处理，实现对微小型结构件的三维位姿检测。本系统采用的位姿检测方法简单易行，计算量小，能够实现高精度位姿检测功能，该位姿检测系统不仅适用于宏观零件的位姿检测、还能够满足微小型结构件及系统的位姿检测，具有很强的实用性。

Description

基于光幕式激光器的高精度位姿检测方法与装置

技术领域

本发明涉及基于光幕式激光器的高精度位姿检测方法与装置，属于机电一体化领域。

背景技术

高精度位姿检测在装配、检测、控制等多个领域有很大的应用空间。其作用为：检测零件的空间位置和姿态信息，将该信息反馈给控制计算机，从而获得所测零件高精度的空间位姿信息。在三维位姿检测方面，分为宏观尺度物体检测和微观尺度物体检测两个方面，宏观尺度的物体检测目前主要有以下几种方式：①基于机器视觉法，通过光学装置和传感器自动接收和处理一个真实物体的图像，以获得所需信息。具有非接触，速度快等特点，但是算法较为复杂，需要进行大量计算；②基于三坐标测量机法，将被测零件放入它允许的测量空间，精确的测出被测零件表面的点在空间三个坐标位置的数值，将这些点的坐标数值经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，经过计算得出形状及位置等。但是测量机的效率较低，同时由于是接触式测量，会受到一定的限制。对于微观尺度的物体，主要的检测方式有：①基于扫描电子显微镜法，扫描电子显微镜可以实现微米、亚微米及原子量级的结构件的位姿检测，但检测范围小，对结构尺寸偏大的中间尺度微小型结构件不适用；②基于传统的光学显微镜法，传统的光学显微镜可以实现几十微米到毫米级微小型结构件的检测，但目前只局限于单目平面成像，对于微小型结构件及系统三维位姿的检测并不适用；③基于体视显微镜法，这是近年来国内广泛采用的一种方法，体视显微镜不仅具有显微镜的放大功能，而且自身所具有的双目结构使其在进行空间三维微位姿检测时具有独特的优势，但其放大倍率低、分辨率低的特点使得体视显微镜法无法满足工业现场的实用化需求。

发明内容

本发明的目的是以光幕式激光器为主要检测器件，实现结构件高精度的位置检测与定位，该检测装置主要用于工件检测、识别及定位；整个检测装置以激光器为主要的检测元件、通过位移平台、旋转平台的运动来实现结构件高精度的空间位姿检测。

本发明包括工控机、水平位移平台、旋转位移平台、支撑组件、垂直位移平台、光幕式激光器、支撑平台、步进电动机及其驱动器组成，整个系统由一台工控机控制，工控机通过PMAC多轴运动控制器驱动水平位移平台、旋转位移平台、垂直位移平台上的3个步进电动机，实现位移台的运动。采用开放式数控系统，可根据需求变换驱动的轴数，有很大的灵活性。垂直位移平台、水平位移平台采用步进电机通过联轴器带动滚珠丝杠，滚珠丝杠通过丝杠螺母副带动工作台往返运动，容易获得较高的定位精度，从而实现工作台的精密定位；旋转位移平台内部采用蜗轮蜗杆的传动方式，调整精度高，承载大，可获得大的传动比，传动平稳，噪声小。旋转台面外圈为可调整刻度圈，可以任意设置起始角度，从而控制激光器的旋转角度。

高精度位姿检测装置的三维空间布局如下：水平位移平台固定在气动隔震平台上。该位移平台承载能力很强，能够带动旋转位移平台、垂直位移平台、光幕式激光器、支撑组件等一系列部件水平移动，扩大工作空间；在垂直位移平台的台面上安装光幕式激光器，该平台能带动激光器实现竖直方向高精度的直线移动；垂直位移平台安装在旋转位移平台上，旋转平台可带动垂直位移平台及激光器在空间实现90°的旋转。

检测对象：三维结构件及系统的空间位置和姿态。

检测原理：首先将被测结构件移动到激光器光幕的覆盖范围，在初始状态下设定竖直方向为z轴，并设此时的z坐标为0，光幕式激光器由垂直位移平台带动沿着z轴移动，利用激光器获取结构件在该位姿状态下随着z坐标不断变化的一组二维数据信息；控制垂直工作台返回初始点即z＝0的位置，旋转平台带动光幕式激光器转过90°，在此状态下，光幕式激光器再次在竖直平台的带动下沿z轴移动，获得待测结构件在同一位姿的另一组二维数据信息，于是在不同视角获得两组二维数据信息，即可获得结构件的三维位置坐标信息，利用投影关系，得到被测结构件的空间角度信息，从而获得高精度的位姿信息。

当旋转后结构件不在光幕式激光器的检测区域以内，因此在安装和实验过程中需要采取以下措施：①在安装位姿检测装置时，要保证旋转平台的中心和激光器光幕的中心重合；②被测结构件尽量放置于激光器光幕的中心。

检测方法：结构件的空间位姿检测步骤分为以下六个部分。

步骤一：设置激光器的测量模式；

采用光幕式激光器进行测量时，首先要确定参照边。选择光幕的中心光线为参照边，物体投影边在参照线的上方时输出值为正，物体投影边在参照线的下方时输出值为负，通过计算投影边缘位置与参照线的距离可以得出测量结果。采用激光器的边缘模式(SEG)进行检测，获得被测物体的内外边缘点距离光轴中心的距离。

步骤二：稳定区域的选择；

确定能用于姿态计算的数据是母线投影点的数据，即从激光器获得的两个边缘点的坐标值数据分为两组，对每次测量的数据进行处理，计算差值的绝对值保持一定的阶段是稳定区域，利用此区域的数据进行姿态计算。

步骤三：通过水平位移平台和垂直位移平台的运动获取一组位置信息；

位置信息的获取依赖于水平位移平台和垂直位移平台的运动，利用水平位移平台可以接近或远离被测物，从而在检测时选择合适的测量位置，启动垂直位移平台上的电动机使垂直位移平台到达一个合适的能激光器检测到被测物的初始位置固定，假设矩形abcd是此时激光器光幕所覆盖的区域。在光幕abcd中，有待测点M，设置参照线y为光幕的中心线，可得到在cd方向上M点到零值线y的距离，即获得M点的x坐标。在当前位置下，令垂直位移平台逐渐上升激光器采集当前位置的一组位置数据。

步骤四：利用垂直位移平台和旋转位移平台获得另外一组位置信息；

启动垂直位移平台的电动机，令垂直位移平台返回初始时激光器能检测到被测物的位置。驱动旋转位移平台转动90°，旋转位移平台内部采用蜗轮蜗杆的传动方式，调整精度高，承载大。采用该传动方式可获得大的传动比，传动平稳，噪声小。旋转台面外圈为可调整刻度圈，可以任意设置起始角度，从而控制激光器的旋转角度。

设此时a′b′c′d′是激光器旋转后光幕所覆盖的区域，得到M点到光幕a′b′c′d′零值线x的距离，即获得M点的y坐标。同理控制位移平台的上升可以获得在旋转后一系列边缘点的坐标。

坐标系旋转前，当激光器沿竖直方向运动扫描时，记录了待测结构件及系统在oxz平面的投影；坐标轴旋转90°后，激光器沿竖直方向运动扫描得到待测结构件及系统在平面oyz上的投影。

通过以上两次扫描得到了轴在三维空间坐标系o-xyz下oxz和oyz坐标平面的投影，根据激光器的测量原理，从垂直位移平台上可以直接读取被测点的z坐标值，可以分别提取在oxz和oyz平面上投影边缘的x，z和y，z的值，获得两组二维信息，从而可以获得特征点的三维位置坐标(x，y，z)。

至此完成了检测部分，以下步骤是检测的数据处理部分

步骤五：特征点坐标的求取；

根据轴的空间位姿参数描述可知，需要求得轴线上某一特征点的位置，接下来就是利用所提取的投影数据来计算特征点的位置，以初始位置为特征点：

假设在初始位置，即z＝0的位置，直接获取E、F两点的坐标，则由此获得轴心P点的坐标

转过90°后，设两个边缘点为G、H，轴心坐标为

则在初始位置轴线上特征点的坐标为

即获得特征点的位置坐标；

步骤六：空间角度的求取；

根据二维数据信息，利用在不同坐标平面中的转换关系，获得姿态角度信息的结果(α，β，γ)，其中α和β分别为三维结构件的轴线在平面oxz，oyz上的投影与z轴的夹角，γ为轴线与z轴之间的夹角。下面将具体介绍α，β，γ这三个空间角度获得的方法。

假定投影在oxz平面上，稳定区域的轴圆柱面与光幕交线的投影是直线，所以确定拟合曲线为直线，其中直线的系数由最小二乘法确定，将获得的第一组数据中稳定区域内测量点的数据将其带入进行计算，可获得在该状态下直线的斜率；同理，代入坐标系旋转90°后的第二组数据中的稳定区域内的测量点的数据，即可求得在oyz平面上直线的斜率：

通过获得的两个斜率的数值，得到轴心线在oxz平面的投影与z轴夹角α，及轴心线在oyz平面的投影与z轴的夹角β。

已知二维数据信息α，β，由长方体的位置关系可以得到姿态角γ，由此获得了轴线的三个角度信息(α，β，γ)；由此，得到了轴线上特征点的坐标(x，y，z)和角度(α，β，γ)，从而获得轴线的位姿。

有益效果

1)高精度的机械传动结构

旋转平台和位移平台的设计具有高传动效率、高精度、高可靠性的特点，因此整个机械传动部分的性能能够达到微米级的精度要求。同时通过安装光栅尺来提高重复定位精度，采用光栅尺进行反馈，将光栅尺检测的目标位置，经由控制卡反馈至步进电机驱动器，驱动电机运转带动工作台运动，从而构成“开环+位置控制”的运动控制系统，能实现位置的精确控制。

2)高精度的三维位姿检测

由于光幕式激光器自身的测量方式是一维测量，为了获取三维位姿信息，本发明借助于旋转位移平台和垂直位移平台的运动，使光幕式激光器能够实现旋转和竖直运动，完全覆盖微动工作台工作区域上方的空间，而不会造成任意位姿的结构件的检测遗漏。

3)检测范围广泛

采用本发明可以高速度、高精度的识别检测零件，确定零件的空间位姿，不仅适用于宏观零件的位姿检测、还能够满足微小型结构件及系统的位姿检测。

附图说明

图1检测装置目标空间位姿描述方法1

图2检测装置目标空间位姿描述方法2

图3检测原理图

图4实际测量顺序示意图

图5轴投影图

图6轴与坐标系的三维位姿关系

图7端面中心求取示意

图8长方体空间角度信息

图9检测装置控制框图

图10测量流程图

图11微小型轴的零件图

具体实施方式：

位姿描述参数：以轴类零件为例，一般情况下，轴线在空间的位姿需要5个参数，即轴线上某一点的位置坐标(x，y，z)和与轴线相关的两个夹角(α，β)。轴线在空间有两种描述方式：一种包括位置坐标、圆柱轴线与其自身在oxy平面上投影之间的夹角，以及该投影与x坐标轴之间的夹角，如附图1所示；另一种包括位置坐标、轴线在oxz和oyz平面上的投影与z轴所成的夹角信息，如附图2所示。采用第一种描述方式计算轴线的空间位姿时，需要新建一个轴线坐标系，并建立轴线坐标系与激光器坐标系的关系；在轴线坐标系内需要进行复杂的投影计算，计算结果还需转换到激光器坐标系；计算过程复杂，编程量大。采用第二种描述方式则可以简单地把轴线的空间姿态投影到oxz和oyz平面，在同样能得到位姿信息功能的情况下，不需要做复杂的坐标变换，计算量明显减小，因此采用第二种位姿描述方案来确定结构件在空间中的位姿。

下面结合附图对本发明做进一步描述：

本发明主要包括水平位移平台、旋转位移平台、支撑组件、垂直位移平台、光幕式激光器、支撑平台这六个部分。高精度位姿检测装置的三维空间布局如下：水平位移平台固定在气动隔震平台上。该位移平台承载能力很强，能够带动旋转位移平台、垂直位移平台、光幕式激光器、支撑组等一系列部件水平移动，扩大工作空间；在垂直位移平台的台面上安装光幕式激光器，该平台能带动激光器实现竖直方向高精度的直线移动；垂直位移平台安装在旋转位移平台上，旋转平台可带动垂直位移平台及激光器在空间实现90°的旋转。

采用该检测系统对微小型轴类零件位姿检测的具体步骤如下，检测流程如附图10所示。

1)采用直径为0.4mm的微小型骑马轮轴进行实验，如附图11所示。

2)设置激光器为DIA(直径)测量方式，将激光器运动到结构件的下端，开始测量时激光器没有读数，控制垂直位移平台逐渐上升，出现扫描数据并由小至大变化，直到进入稳定测量区域，设定其中某位置为对轴进行扫描的初始位置。

3)固定旋转位移平台并记录该位置的角度值，该位置需保证激光器旋转过程中不会与其他部件干涉且整个旋转过程中始终能获得轴的检测值；设此时激光器光幕的零值线(光幕中心线)为x轴。

4)将当前位置z值相对坐标设为0，使z值测量数据以该点作为基准，针对骑马轮轴的尺寸，选择的z轴脉冲当量较小，调节步进电机驱动器，使其每发出一个脉冲，垂直位移平台运动0.02mm，直到激光器沿z方向的上升距离为0.38mm，记录外边缘距光幕中心线距离的一组数据[y_1i]。

5)垂直位移平台返回z轴相对零点，再次控制激光器沿z轴的上升距离为0.38mm，记录在当前位置下的内边缘距光幕中心线距离的一组数据[y_2i]，完成在xoz平面的数据测量。

6)垂直位移平台返回z轴初始位置，旋转平台转动90°，设此时激光器光幕的零值线(光幕中心线)为y轴，同理在当前位置下分别获得内外边缘距光幕中心线距离的两组数据[x_1i]、[x_2i]，完成yoz平面的数据测量，从而完成被测轴位姿的数据测量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1、基于光幕式激光器的高精度位姿检测装置，包括工控机、水平位移平台、旋转位移平台、支撑组件、垂直位移平台、光幕式激光器、支撑平台、步进电动机及其驱动器组成，整个系统由一台工控机控制，工控机通过PMAC多轴运动控制器驱动水平位移平台、旋转位移平台、垂直位移平台上的3个步进电动机，实现位移台的运动；垂直位移平台、水平位移平台采用步进电机通过联轴器带动滚珠丝杠，滚珠丝杠通过丝杠螺母副带动工作台往返运动，容易获得较高的定位精度，实现工作台的精密定位；旋转位移平台内部采用蜗轮蜗杆的传动方式，调整精度高，可获得大的传动比，传动平稳，噪声小。旋转台可以任意设置起始角度控制激光器的旋转角度。其三维结构特征在于：水平位移平台固定在气动隔震平台上。该位移平台承载能力很强，能够带动旋转位移平台、垂直位移平台、光幕式激光器、支撑组件等一系列部件水平移动，扩大工作空间；在垂直位移平台的台面上安装光幕式激光器，该平台能带动激光器实现竖直方向高精度的直线移动；垂直位移平台安装在旋转位移平台上，旋转平台可带动垂直位移平台及激光器在空间实现90°的旋转。

2、基于光幕式激光器的高精度位姿检测方法，其特征在于结构件的空间位姿检测步骤分为以下六个部分：

步骤一：设置激光器的测量模式；

采用激光器的边缘模式进行检测，获得被测物体的内外边缘点距离光轴中心的距离；

步骤二：稳定区域的选择；

确定能用于姿态计算的数据是母线投影点的数据，从激光器获得的两个边缘点的坐标值数据分为两组，对每次测量的数据进行处理，计算差值的绝对值保持一定的阶段是稳定区域，利用该区域的数据进行姿态计算；

步骤三：通过水平位移平台和垂直位移平台的运动获取一组位置信息；

位置信息的获取依赖于水平位移平台和垂直位移平台的运动，利用水平位移平台可以接近或远离被测物，从而在检测时选择合适的测量位置，启动垂直位移平台上的电动机使垂直位移平台到达一个能激光器检测到被测物的初始位置固定，假设矩形abcd是此时激光器光幕所覆盖的区域；在光幕abcd中，有待测点M，设置参照线y为光幕的中心线，可得到在cd方向上M点到零值线y的距离，即获得M点的x坐标；在当前位置下，令垂直位移平台逐渐上升激光器采集当前位置下的一组位置数据；

步骤四：利用垂直位移平台和旋转位移平台获得另外一组位置信息；

启动垂直位移平台的电动机，令垂直位移平台返回初始时激光器能检测到被测物的位置。驱动旋转位移平台转动90°，设此时a′b′c′d′是激光器旋转后光幕所覆盖的区域，得到M点到光幕a′b′c′d′零值线x的距离，即获得M点的y坐标；同理控制位移平台的上升可以获得在旋转后一系列边缘点的坐标；

坐标系旋转前，当激光器沿竖直方向运动扫描时，记录了待测结构件及系统在oxz平面的投影；坐标轴旋转90°后，激光器沿竖直方向运动扫描得到待测结构件及系统在平面oyz上的投影；

通过步骤三、四的两次扫描得到了轴在三维空间坐标系o-xyz下oxz和oyz坐标平面的投影，从垂直位移平台上直接读取被测点的z坐标值，分别提取在oxz和oyz平面上投影边缘的x，z和y，z的值，获得两组二维信息。

至此完成了数据的扫描，以下步骤是检测的数据处理部分。

步骤五：特征点坐标的求取；

以初始位置为特征点求取位置坐标：

假设在初始位置，即z＝0的位置，直接获取E、F两点的坐标，则由此获得轴心P点的坐标

转过90°后，设两个边缘点为G、H，轴心坐标为

则在初始位置轴线上特征点的坐标为

即获得特征点的位置坐标；

要实现结构件空间位姿信息的检测，仅仅得到位置坐标是不够的，还需要转化为空间三维位姿信息；即需要对空间角度进行求取；

步骤六：空间角度的求取；

根据步骤三、四扫描的数据，可获得姿态角度信息，具体方法如下：

假定投影在oxz平面上，稳定区域的轴圆柱面与光幕交线的投影是直线，所以确定拟合曲线为直线，其中直线的系数由最小二乘法确定，将获得的第一组数据中稳定区域内测量点的数据将其带入进行计算，可获得在该状态下直线的斜率；同理，代入坐标系旋转90°后的第二组数据中的稳定区域内的测量点的数据，即可求得在oyz平面上直线的斜率：

通过获得的两个斜率的数值，得到轴心线在oxz平面的投影与z轴夹角α，及轴心线在oyz平面的投影与z轴的夹角β。

已知二维数据信息α，β，由长方体的位置关系可以得到姿态角γ，由此获得了轴线的三个角度信息(α，β，γ)；由此，得到了轴线上特征点的坐标(x，y，z)和角度(α，β，γ)，从而获得了轴线的位姿。

3、基于光幕式激光器的高精度位姿检测装置的检测方法与装置，其特征在于采用以工控机为上位机、PMAC多轴运动控制器为下位机的“NC+PC”开放式控制系统。

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