CN102175146A - 基于具有触觉功能测量笔的自动三维视觉测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于具有触觉功能的测量笔的三维视觉测量系统，包括测量笔、图像采集装置、工作站和工件传送导轨；工件传送导轨用于装载被测工件；所述测量笔输出信号传给工作站；工作站控制图像采集装置对被测工件进行图像采集，再由工作站对采集到的图像进行处理。还包括机械手臂，所述测量笔由机械手臂抓取；机械手臂包括抓持部和驱动部，驱动部连接带动抓持部动作；所述工作站输出动作控制信号给驱动部。本发明提可以实现自动触发测量，该系统同时适用于人工操作和机械手操作，并在精度上确保达到测量要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有图像采集、图像处理、触觉感知、视觉测量、机器人路径规划和无线传输等模块的测量系统，属于自动化触发式三维视觉测量机电一体化装置。
背景技术
在工业测量技术领域，常用的测量技术一般有两种，一种是接触式的，另一种是非接触式的。三维视觉坐标测量作为非接触式测量技术，是近年来测量领域的新趋势。随着光学技术的发展，CCD因其良好的性能为人们所青睐，采用CCD的非接触式的测量仪器得到了较快发展。它以图像处理、机器视觉为核心技术，融合了无线传输、嵌入式系统等技术，在工程机械、船舶、航空航天等领域中有着广泛的应用前景。
手持式测量笔产品的市场被国外几家品牌所占领，如挪威的迈卓诺、瑞士的莱卡、加拿大的Creaform等公司。国内也有单位和高校研究手持便携式的同类测量仪器。
但是目前手持式测量笔及其测量系统在使用中存在的局限性主要有：①由人来操作，主观因素比较大，在测量时存在用力过大或用力过小的情况，把握不好压力大小，容易引起测量笔和被测物的摩擦和测量误差；②手持式自动化程度不高，测量人员亲自找点测量，容易产生疲劳，效率低下；③手持式测量笔对环境要求相对过高，当空间里有有毒气体时等比较危险的场合，测量人员不便入内。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种基于具有触觉功能的测量笔的三维视觉测量系统，实现自动触发测量。该系统同时适用于人工操作和机械手操作，并在精度上确保达到测量要求。具体技术方案如下：
一种基于具有触觉功能的测量笔的三维视觉测量系统，包括测量笔、图像采集装置、工作站和工件传送导轨；工件传送导轨用于装载被测工件；所述测量笔输出信号传给工作站；工作站控制图像采集装置对被测工件进行图像采集，再由工作站对采集到的图像进行处理。还包括机械手臂，所述测量笔由机械手臂抓取；机械手臂包括抓持部和驱动部，驱动部连接带动抓持部动作；所述工作站输出动作控制信号给驱动部；
所述测量笔是自动触发式测量笔，其结构包括固定部分和活动部分；
所述固定部分包括壳体，壳体上设置适用人手及机械手的手柄，壳体内设置测量笔的触发电路；壳体下端开有直径L1的圆孔；
所述活动部分包括柄身，柄身的前端连接测量笔的测针，柄身尾端连接柄身连接部，柄身连接部的外形是直径是D的球体或直径为D的大于1/2球冠，柄身连接部通过所述圆孔伸入壳体内；D＞L1；在圆孔内侧设有在同一轴线上的卡盘，柄身连接部卡在卡盘中空环与所述圆孔之间；
所述柄身连接部顶部的轴线位置设有全方位触觉传感器，全方位触觉传感器的测针伸出柄身连接部顶部；全方位触觉传感器的测针顶部活动范围在穹顶内，当全方位触觉传感器的测针与壳体穹顶相接触时，输出电压信号；
所述壳体内设有触发电路，所述测量笔的测针与被测工件目标点接触，受到向上的作用力Fv，当Fv＞mg时，m为活动部分质量，活动部分向上运动，全方位触觉传感器的测针与穹顶接触后，产生电压信号并输出至触发电路。
图像采集装置包括特种环形光源，所述柄身外设有以非对称形状排布的多个回光反射标志；柄身连接部与壳体连接处的直径为L1，柄身的直径为L2，柄身连接部与柄身之间为弧形过渡；柄身在回光反射标志方向上的正投影中，L1＞L2。
所述穹顶是空心四分之三球。
所述触发电路包括无线传输模块，工作站设有与触发电路的无线传输模块相应的无线传输模块。
所述图像采集装置包括摄像机、云台、吊架、标定模块；摄像机设在云台上，云台安装在吊架上；云台仰俯角的调节、吊架的升降由工作站通过PLC控制；标定模块固定在工件传送导轨前方，作为参照物。
所述摄像机包括两部，它们之间距离固定，平行放置，镜头周围布有所述特种环形光源。
所述特种环形光源是，其亮度使回光反射标志在1.5～3m范围内可清晰成像，经过与回光反射标志的反光波段匹配的滤光片后，其它背景被滤除，仅保留回光反射标志的反光。
所述触发电路包括电源、驱动电路、LED电路和无线信号收发电路；所述驱动电路的使能端连接所述电感式接近开关的信号输出端；所述电源经驱动电路后连接LED电路；所述无线信号收发电路的电源端连接所述电源的输出端；所述无线信号收发电路的使能端连接所述全方位触觉传感器的信号输出端。
附图说明
图1：系统结构示意图；
图中，测量笔11、机械手臂12、图像采集装置13、工作站14、工件传送导轨15、标定模块16；
图2：测量笔剖视结构示意图；
图中，手柄21、穹顶22、柄身连接部23、柄身24、卡盘25、回光反射标志26、触觉传感器27；
图3：柄身尺寸示意图；
图4：测量笔的测针受力示意图；
图5：触发电路示意图；
图6：软件层次结构图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本技术方案作进一步说明：
本例，适用于较大尺寸结构件的测量，摄像机摆放在云台上，被测量结构件通过工件传送导轨移动。
如图1，硬件系统由测量笔11、机械手臂12、图像采集装置13(包括CCD摄像机、光源照明装置、可控云台)、工作站14、工件传送导轨15、标定模块16等组成。
从机械结构角度，包括门式吊架、导轨和测量工作台等组成，云台安装在吊架上，云台根据需要可以进行上下位置、仰俯角的调节。包括工作台、云台等在内的电气系统由可编程控制器(PLC)控制。软件系统主要包括控制系统软件、图像处理与分析软件、坐标折算与测量软件等，实现图像的实时采集与处理、图像坐标到的三维世界坐标的折算，并可实现测量系统的自动控制、测量数据存储与管理。
本发明具体内容，及实现方法如下：
(1)图2所示，自动触发式测量笔的结构，包括手柄(适合人手及机械手)21、穹顶22、柄身连接部23、碳纤维材质柄身24、触发电路、回光反射贴片26、全方向触觉传感器27(本例以选用Reinshaw公司的MPC)，在自动触发式测量笔内嵌有无线发射模块。
(2)测量笔上半部分为球形铰接结构，包括手柄、穹顶22。穹顶22为空心四分之三球，壳体下方开一个直径为L1的圆孔，壳体内安放由信号采集、触发模块和无线传输模块模块构成的触发电路。为减轻重量，柄身连接部23采用坚硬而轻的材质制成的空心球形，直径D＞L1。柄身连接部23下侧安放卡盘25，确保柄身运动过程中与穹顶22不存在任何相对运动。
(3)全方位触觉传感器27被嵌入到柄身24的上方，全方位触觉传感器27上方为穹顶22，当柄身24运动时带动传感器27的测针运动，触觉传感器的测针的测头触碰到穹顶22，产生电压信号并输出至触发电路。
如图5所示的触发电路：包括电源、驱动电路、LED电路和无线信号收发电路；所述驱动电路的使能端连接所述电感式接近开关的信号输出端；所述电源经驱动电路后连接LED电路；所述无线信号收发电路的电源端连接所述电源的输出端；所述无线信号收发电路的使能端连接所述全方位触觉传感器的信号输出端。当全方位触觉传感器的的测针触到穹顶后，全方位触觉传感器输出信号。
(4)壳体采用碳纤维材质面板，确保了测量笔的测针和回光反射标志26的相对距离保持不变。柄身顶端宽度为L1，下部分宽度为L2，中间通过弧形过度，令L1＞L2，确保了柄身在运动过程中保持稳定，只有受到向上的力时才动作，如图3所示。
(5)测量笔的测针选用英国Renishaw公司的产品。如图4所示，测量笔的测针与目标点接触，受到向上的作用力Fv。当Fv＞mg时(m为活动部分的总质量)，活动部分共同向上运动，触发传感器动作，输出电压信号，接触指示灯亮，同时触发无线模块发送信号至工作站，工作站控制机械手臂停止动作，相机环形光源开启，经过0.5s延时，光源稳定后，控制工作站采集测量笔图像。
本测量系统设有双向无线传输模块，图像采集结束后工作站发信号至机械手臂，进行下一个测量点采集。
(6)机械手臂遵循预先规划路径，以较高速度携测量笔运动，运动路程距离测量精度达到厘米级，当测头距离目标点2-3cm时，将速度降低到低速(该距离是由测量规划的路径得到)。远离测量点时速度比较大，工作效率有保证；接近测量点时速度很小，这个方式可以使得探针移动时力度均匀。
(7)当被测物尺寸较大，超出相机视野范围，测量中需要移动被测物时是必要的。本例中，尺寸为100mm×60mm×30mm的标准测量模块16固定架在传输轨道前方，它可以一直在摄像机镜头内，作为参照物保证在同一次测量中，相机或被测物发生移动的情况下，不需要重新标定相机，并确保测量精度达到要求。
(8)两个经过内部参数和外部参数标定的CCD摄像机相对距离固定平行放置，采集的图像信号通过Gige网线传输至工作站进行处理。
(9)图像处理与分析软件功能主要包括亚像素算法对圆的边缘提取、圆心提取、图像坐标系与世界坐标系的转换、接口程序的生成等。
(10)系统的整体运行由专门软件模块进行控制，主要完成测试系统的自动控制；所有要求项目检测(可人工添加检测项目)；完成测试数据存储与管理；完成测试报告并实时打印结果；完成测试软件系统的安全管理。软件层次结构图如图6所示。
Claims (9)
1.一种基于具有触觉功能的测量笔的三维视觉测量系统，包括测量笔、图像采集装置、工作站和工件传送装置；工件传送装置用于装载被测工件；所述测量笔输出信号传给工作站；工作站控制图像采集装置对被测工件进行图像采集，再由工作站对采集到的图像进行处理，其特征是还包括机械手臂，所述测量笔由机械手臂抓取；机械手臂包括抓持部和驱动部，驱动部连接带动抓持部动作；所述工作站输出动作控制信号给驱动部；
所述测量笔是自动触发式测量笔，其结构包括固定部分和活动部分；
所述固定部分包括壳体，壳体上设置适用人手及机械手的手柄，壳体内设置测量笔的触发电路；壳体下端开有直径L1的圆孔；
所述活动部分包括柄身，柄身的前端连接测量笔的测针，柄身尾端连接柄身连接部，柄身连接部的外形是直径是D的球体或直径为D的大于1/2球冠，柄身连接部通过所述圆孔伸入壳体内；D＞L1；在圆孔内侧设有在同一轴线上的卡盘，柄身连接部卡在卡盘中空环与所述圆孔之间；
所述柄身连接部顶部的轴线位置设有全方位触觉传感器，全方位触觉传感器的测针伸出柄身连接部顶部；全方位触觉传感器的测针顶部活动范围在穹顶内，当全方位触觉传感器的测针与壳体穹顶相接触时，输出电压信号；
所述壳体内设有触发电路，所述测量笔的测针与被测工件目标点接触，受到向上的作用力Fv，当Fv＞mg时，m为活动部分质量，活动部分向上运动，全方位触觉传感器的测针与穹顶接触后，产生电压信号并输出至触发电路。
2.根据权利要求1所述的基于具有触觉功能的测量笔的三维视觉测量系统，其特征是图像采集装置包括特种环形光源，所述柄身外设有以非对称形状排布的多个回光反射标志；柄身连接部与壳体连接处的直径为L1，柄身的直径为L2，柄身连接部与柄身之间为弧形过渡；柄身在回光反射标志方向上的正投影中，L1＞L2。
3.根据权利要求1所述的基于具有触觉功能的测量笔的三维视觉测量系统，其特征是所述穹顶是空心四分之三球。
4.根据权利要求1所述的基于具有触觉功能的测量笔的三维视觉测量系统，其特征是所述触发电路包括无线传输模块，工作站设有与触发电路的无线传输模块相应的无线传输模块。
5.根据权利要求1所述的基于具有触觉功能的测量笔的三维视觉测量系统，其特征是所述图像采集装置包括摄像机、云台、吊架、标定模块；摄像机设在云台上，云台安装在吊架上；云台仰俯角的调节、吊架的升降由工作站通过PLC控制；标定模块固定架在传输轨道前方，它可以一直在摄像机镜头内，作为参照物。
6.根据权利要求2所述的基于具有触觉功能的测量笔的三维视觉测量系统，其特征是所述摄像机包括两部，它们之间距离固定，平行放置，镜头周围布有所述特种环形光源。
7.根据权利要求2或6所述的基于具有触觉功能的测量笔的三维视觉测量系统，其特征是所述特种环形光源是，其亮度使回光反射标志在1.5～3m范围内可清晰成像，经过与回光反射标志的反光波段匹配的滤光片后，其它背景被滤除，仅保留回光反射标志的反光。
8.根据权利要求1所述的基于具有触觉功能的测量笔的三维视觉测量系统，其特征是所述触发电路包括电源、驱动电路、LED电路和无线信号收发电路；所述驱动电路的使能端连接所述电感式接近开关的信号输出端；所述电源经驱动电路后连接LED电路；所述无线信号收发电路的电源端连接所述电源的输出端；所述无线信引收发电路的使能端连接所述全方位触觉传感器的信号输出端。
9.根据权利要求1所述的基于具有触觉功能的测量笔的三维视觉测量系统，其特征是所述工件传送装置是工件传送导轨。
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| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120627 Termination date: 20141231 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |