CN102221330B

CN102221330B - 间隙磁吸式曲面形貌检测机器人及曲面形貌测量方法

Info

Publication number: CN102221330B
Application number: CN201110083290A
Authority: CN
Inventors: 吴哲明; 孙振国; 张文增; 都东; 陈强
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University; Wuxi Research Institute of Applied Technologies of Tsinghua University
Priority date: 2011-04-02
Filing date: 2011-04-02
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2031-04-02
Also published as: CN102221330A

Abstract

间隙磁吸式曲面形貌检测机器人及曲面形貌测量方法，属于移动机器人和计算机视觉测量技术领域，包括两个驱动轮、万向轮、三个电机、一字线激光器、电机驱动电路、控制器、摄像机、角度传感器和永磁体等。该装置利用间隙永磁吸附原理和磁块集中对称布置在轮子周围的曲面自适应方案实现了机器人吸附在不同曲率的导磁性曲面上且运动灵活；将旋转到不同角度的多束一字线激光投射到待测表面，利用摄像机拍摄具有激光条纹的待测表面序列图像，结合激光测距仪所测距离，检测出表面三维形貌；通过无线视频传输模块将视频传输到上位机显示。该装置结构紧凑，运动灵活，适应曲率范围大，特别适用于狭窄空间内导磁性变曲率曲面工件的全位置三维形貌检测。

Description

间隙磁吸式曲面形貌检测机器人及曲面形貌测量方法

技术领域

本发明属于移动机器人技术领域，特别涉及一种间隙磁吸式曲面形貌检测机器人及测量方法，主要用于水轮机叶片等复杂曲面大型结构件的表面状况检测。

背景技术

面向如大型水轮机叶片等复杂曲面大型结构件的检修作业，首先需要对曲面的表面状况进行检测，以确定表面损坏程度和缺陷(如蚀坑)的具体位置。目前检测的一般方法是搭脚手架后由工人进行人工观察测量，工作环境恶劣，劳动强度大。为了提高检查效率，实现检测自动化，急需一种能在现场(如水轮机机坑内)对工件的表面状况进行检测的机器人。

已有的间隙磁吸附爬壁机器人，如专利“一种具有曲面自适应能力的磁吸附爬壁机器人”(CN 1736668A)，包括轮式移动机构和多个永磁吸附装置。该装置不足之处在于：自适应机构复杂，需要靠多余的自由度根据曲面的形状不断地调整以实现一定程度上的曲面适应性，关节调整时间限制了机器人的运动速度，且没有检测部件，不具有图像采集和传输功能，无法获得曲面的三维形貌信息。已有的视频检测机器人，如专利“一种排水管道视频检测机器人”(CN 101832447)，由于不具有爬壁吸附功能，且不具有三维测量功能，亦不适合在变曲率的复杂曲面结构件的全位置检测。而已有的针对大型三维曲面表面的检测装置或方法，如专利“一种复杂曲面的数字化检测系统”(CN 201514207)和如专利“检测在役水轮机转轮裂纹的判定方法”(CN 101710079)，前者需预先获得复杂曲面的CAD模型，并使用昂贵的三坐标测量仪，后者则需要搭建平台对工件进行人工检测。

已有的基于多光刀的三维测量方法或装置，如“多光刀准全场非接触三维轮廓测量仪”(CN 2463784)和“双侧光刀型高度测量范围可调的三维轮廓测量装置”(CN 2676151)，其不足之处在于需要水平移动工作台来实现扫描测量，成本高，占用空间大，装置的加工精度要求高。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供间隙磁吸式曲面形貌检测机器人及测量方法。该装置能够用于导磁性变曲率空间曲面工件表面状况的现场全位置检测，实时采集工件表面图像，并获取工件表面在拍摄范围内的局部三维形貌信息，将两者传输至上位机系统供操作人员监控和分析使用，适用于水轮机叶片、球罐等大型复杂曲面结构件的检修作业。

本发明的技术方案如下：

一种间隙磁吸式曲面形貌检测机器人，包括轮式移动平台、检测部件、控制系统三大部件，其特征在于：所述的移动平台包括底架、万向轮、第一电机、第二电机、第一转轴、第二转轴、第一驱动轮、第二驱动轮和永磁体；所述的检测部件包括检测支架、扫描架、扫描旋转轴、一字线激光器、第三电机、摄像机和角度传感器；所述的控制系统包括电机驱动电路和控制器；所述的万向轮固接在底架下；所述的第一电机和第二电机分别与底架固接；所述的第一转轴套设在底架中，所述的第一电机的输出轴与第一转轴相连并驱动后者转动；所述的第二转轴套设在底架中，所述的第二电机的输出轴与第二转轴相连并驱动后者转动；所述的第一驱动轮和第二驱动轮分别套固在第一转轴和第二转轴上，所述的第一转轴的中心线与第二转轴的中心线共线，所述的第一驱动轮、第二驱动轮和万向轮的中心连线呈等腰三角形，万向轮中心位于两个驱动轮中心连线的垂直平分线上；所述的检测支架与底架固接，所述的扫描架与检测支架固接；所述的扫描旋转轴套设在扫描架中，所述的扫描旋转轴的中心线与两个驱动轮的中心连线平行；所述的摄像机与检测支架固接；将同时相切于第一驱动轮的外边缘下方圆弧、第二驱动轮的外边缘下方圆弧和万向轮的外边缘下方圆弧的平面定义为S平面，则摄像机的光轴与S平面的夹角为-60°～+120°之间；所述的一字线激光器固接在扫描旋转轴上，所述的一字线激光器发射的激光平面与摄像机的光轴形成的夹角在15°～90°之间，所述的一字线激光器投射到待测工件表面的激光条纹在摄像机的视场范围内；所述的角度传感器安装在扫描架上检测扫描旋转轴的角度位置；所述的第三电机与扫描架固接，第三电机的输出轴与扫描旋转轴相连并驱动后者转动；所述的控制器采用带有相关接口电路的计算机、单片机、DSP或微控制器；所述的控制器可存储采集图像并做图像处理和实时计算；所述的控制器与底架固接，所述的第一电机、第二电机、第三电机均通过电机驱动电路与控制器的信号输出端相连，所述的角度传感器与控制器的信号输入端相连；所述摄像机通过图像采集模块与控制器的信号输入端相连；所述的永磁体与底架固接，所述的永磁体与待检测的导磁壁面之间存在一定气隙。

本发明所述的间隙磁吸式曲面形貌检测机器人，其特征在于：所述的万向轮采用万向滚珠。

本发明所述的间隙磁吸式曲面形貌检测机器人，其特征在于：还包括无线视频传输模块、无线通讯模块和充电电池；所述的无线视频传输模块与检测支架固接，所述的摄像机与无线视频传输模块相连；所述的无线通讯模块与底架固接并与控制器相连，所述的充电电池与底架固接，所述的充电电池给装置上的所有设备供电。

本发明所述的间隙磁吸式曲面形貌检测机器人，其特征在于：还包括激光测距仪，所述的激光测距仪与检测支架固接，所述的激光测距仪与控制器相连。

本发明所述的间隙磁吸式曲面形貌检测机器人，其特征在于：所述的一字线激光器有多个，它们发出的一字线激光所在平面不相同并呈固定的夹角。

本发明所述的间隙磁吸式曲面形貌检测机器人，其特征在于：还包括轭铁，所述的永磁体通过轭铁与底架固接。

本发明所述的间隙磁吸式曲面形貌检测机器人，其特征在于：所述的永磁体有多个，分别围绕在所述的第一驱动轮、第二驱动轮和万向轮的四周。

本发明所述的间隙磁吸式曲面形貌检测机器人，其特征在于：还包括第一减速传动机构和第二减速传动机构，所述的第一电机和第二电机的输出轴分别通过第一减速传动机构和第二减速传动机构与第一转轴和第二转轴相连，所述的第一减速传动机构和第二减速传动机构是自锁的。

本发明所述的间隙磁吸式曲面形貌检测机器人，其特征在于：还包括照明灯和保护罩，照明灯与检测支架固接，保护罩与底架固接。

本发明还提供了一种使用所述机器人的曲面形貌检测方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

(a)建立图像坐标系、摄像机坐标系和靶标坐标系；

(b)通过摄像机内、外参数标定实验，得到摄像机的内参数矩阵和外参数矩阵，从而得到了图像坐标系与摄像机坐标系、摄像机坐标系与靶标坐标系之间的坐标变换关系；

(c)所述的一字线激光器发出的激光所在平面称为激光平面，通过标定实验得到所述的激光平面于初始位置时在摄像机坐标系下的平面方程；

(d)所述的一字线激光器旋转所绕的轴称为转轴，通过标定实验得到旋转轴所在直线的直线方程；

(e)第三电机驱动旋转轴转动到待测角度位置，角度传感器测得该角度值，根据角度值和旋转前初始位置时的激光平面的平面方程，计算出各激光平面在旋转后的新平面方程；

(f)多个一字线激光器投射激光与待检测曲面相交，形成多道激光条纹，摄像机拍摄得到含条纹的物体图像；

(g)通过图像处理得到条纹特征点的二维图像坐标；结合结构光平面的平面方程，计算图像中全部激光条纹的所有条纹特征点对应的物点在摄像机坐标系下的坐标；

(h)第三电机驱动扫描旋转轴转动到其他角度位置，多条激光条纹分别同时扫描所分配的物体表面区域，重复(e)(f)(g)步骤，得到摄像机所观察到并能被激光条纹投射到的物体表面所有点在摄像机坐标系下的坐标值，完成测量。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和显著进步：

该装置利用间隙永磁吸附原理和磁块集中对称布置在轮子周围的曲面自适应方案实现了机器人吸附在不同曲率的导磁性曲面上且运动灵活；将旋转到不同角度的多束一字线激光投射到待测表面，利用摄像机拍摄具有激光条纹的待测表面序列图像，结合激光测距仪的所测距离，从而检测出表面三维形貌；通过无线视频传输模块将视频传输到上位机显示。该装置结构紧凑，运动灵活，适应曲率范围大，测量效率高，特别适用于狭窄空间内导磁性变曲率曲面工件的全位置三维形貌检测。

附图说明

图1是本发明提供的间隙磁吸式曲面形貌检测机器人及测量方法的一种实施例的正面外观图。

图2是图1的主视图。

图3是图1的后视图。

图4是图1的俯视图。

图5是图1的右侧视图。

图6是本实施例的底架的示意图。

图7和图8是本实施例永磁体、轭铁、万向球和驱动轮的分布方式以及它们与机架底板连接的示意图。图9和图10是本实施例的第二电机与第二驱动轮之间的传动方式的示意图。

图11是本实施例的激光扫描测量系统的示意图。

图12是本实施例控制器、电机驱动电路、角度传感器、摄像机、图像采集模块、无线视频传输模块、无线通讯模块和上位机的连接示意图。

图13是本实施例在工件表面进行检测的示意图。

图14是本实施例进行标定实验的几何模型示意图。

图15是本实施例进行多光刀三维测量的几何模型示意图。

图16是本实施例进行多光刀三维测量的测量流程示意图。

图17是本实施例进行多光刀三维测量的标定流程示意图。

在图1至图17中：

1-底架， 2-万向轮(万向滚珠)， 3-第一电机，

4-第二电机， 5-第一驱动轮， 6-第二驱动轮，

7-检测支架， 8-扫描架， 9-扫描旋转轴，

10-一字线激光器， 11-第三电机， 12-控制器，

13-摄像机， 14-角度传感器(编码器)， 15-永磁体，

16-无线视频传输模块， 17-充电电池， 51-第一转轴，

61-第二转轴， 102-蜗轮蜗杆减速机， 101-调心轴承，

103-同步带轮， 104-编码器， 151-轭铁，

18-待检测的导磁壁面， 152-磁力线， 153-轭铁垫块，

21-前底架， 22-后底架 23-连杆，

107-蜗轮蜗杆减速机的输入轴， 19-电机连接架， 106-万向球连接架，

108-蜗轮蜗杆减速机的输出轴， 109-激光测距仪， 105-调心轴承支架，

19-平面标靶，

S-S平面(同时相切于第一驱动轮的外边缘下方圆弧、第二驱动轮的外边缘下方圆弧和万向轮的外边缘下方圆弧的平面)。

具体实施方式

本发明设计的一种间隙磁吸式曲面形貌检测机器人的实施例，如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11所示。该机器人包括轮式移动平台、检测部件和控制系统三大部件，所述的移动平台包括底架1、万向轮2、第一电机3、第二电机4、第一转轴51、第二转轴61、第一驱动轮5、第二驱动轮6和永磁体15；所述的检测部件包括检测支架7、扫描架8、扫描旋转轴9、一字线激光器10、第三电机11、摄像机13、图像采集模块和角度传感器14；所述的控制系统包括电机驱动电路和控制器12；所述的万向轮2固接在底架1下；所述的第一电机3和第二电机4分别与底架1固接；所述的第一转轴51套设在底架1中，所述的第一电机3的输出轴与第一转轴51相连并驱动后者转动；所述的第二转轴61套设在底架1中，所述的第二电机4的输出轴与第二转轴61相连并驱动后者转动；所述的第一驱动轮5和第二驱动轮6分别套固在第一转轴51和第二转轴61上，所述的第一转轴51的中心线与第二转轴61的中心线共线，所述的第一驱动轮5、第二驱动轮6和万向轮2的中心连线呈等腰三角形，万向轮2的中心位于两个驱动轮的中心的连线的垂直平分线上；所述的检测支架7与底架1固接，所述的扫描架8与检测支架7固接；所述的扫描旋转轴9套设在扫描架8中，所述的扫描旋转轴9的中心线与两个驱动轮的中心连线平行；所述的摄像机13与检测支架7固接；将同时相切于第一驱动轮5的外边缘下方圆弧、第二驱动轮6的外边缘下方圆弧和万向轮2的外边缘下方圆弧的平面定义为S平面，则摄像机13的光轴与S平面的夹角为-60°～+120°之间；所述的一字线激光器10固接在扫描旋转轴9上，所述的一字线激光器10发射的激光平面与摄像机13的光轴形成的夹角在15°～90°之间，所述的一字线激光器10投射到待测工件表面的激光条纹在摄像机13的视场范围内；所述的角度传感器14安装在扫描架8上检测扫描旋转轴9的角度位置，本实施例中的角度传感器采用编码器；所述的第三电机11与扫描架8固接，第三电机11的输出轴与扫描旋转轴9相连并驱动后者转动；所述的控制器12与底架1固接，所述的第一电机3、第二电机4、第三电机11均通过电机驱动电路与控制器12的信号输出端相连，所述的角度传感器14与控制器12的信号输入端相连；所述摄像机通过图像采集模块与控制器的信号输入端相连；所述的永磁体15与底架1固接，所述的永磁体15与待检测的导磁壁面之间存在一定气隙。

本实施例中，所述的万向轮2采用万向滚珠，提高了运动灵活性；万向滚珠采用磁导率低的材料如304不锈钢制造，可以有效的防止铁屑、钢屑吸附在滚珠上而降低运动灵活性。

本实施例中，底架1由前底架21和后底架22组成，前底架21和后底架22之间通过多根连杆23固接，如图6所示。

本实施例中，还包括无线视频传输模块16、无线通讯模块和充电电池17；所述的无线视频传输模块16与检测支架7固接，所述摄像机13与无线视频传输模块16相连，将采集的图像信号传输给上位计算机；所述的无线通讯模块与底架1固接并与控制器12相连；所述的充电电池与底架1固接，所述的充电电池给装置上的所有设备供电。

本实施例中，还包括激光测距仪109，所述的激光测距仪与检测支架7固接，所述的激光测距仪与控制器12相连。

本实施例中，所述的永磁体15通过轭铁151与底架1固接，所述的永磁体15有10个，它们分别围绕在所述的第一驱动轮5、第二驱动轮6和万向轮2的四周。所述的轭铁151有5个，它们的排列方式如图7所示。永磁体15采用高性能永磁材料如NdFeB等制造，轭铁151采用低碳钢如Q235制造。

本实施例中，还包括轭铁垫块153，可以通过更好不同厚度的垫块153来调整磁吸附的间隙，从而适应工件曲面表面涂层厚度的变化，如图8所示。

本实施例中，所述的一字线激光器10有3个，激光器阵列按照一定排列方式套固在扫描旋转轴9上，它们发出的一字线激光所在平面不相同并呈固定的夹角(例如30°)。扫描旋转轴9一端与第三电机11的输出轴相连，一端与扫描测量用编码器109输入轴相连；第三电机11和一端与扫描测量用编码器109分别固接在扫描架8上，如图11所示。

本实施例中，还包括第一减速传动机构和第二减速传动机构，这两个减速传动机构均由同步带传动机构和蜗轮蜗杆减速机102组合而成。所述的第一电机3和第二电机4的输出轴分别通过两个同步带传动机构与两个蜗轮蜗杆减速机输入轴107相连，这两个蜗轮蜗杆减速机输出轴108又分别与第一转轴51和第二转轴61相连，如图9所示。所述的第一减速传动机构和第二减速传动机构是自锁的。

本实施例中，所述的第一电机3和第二电机4分别通过两个电机连接架19与两个蜗轮蜗杆减速机102固接，这个两个蜗轮蜗杆减速机102又与底架1固接，如图9所示。

本实施例中，还包括两个调心轴承101。两个蜗轮蜗杆减速机输输出轴108分别通过第一转轴51和第二转轴61与两个调心轴承相连，减速机输出轴与转轴之间通过平键传动；两个调心轴承101分别通过调心轴承支架105与后底架22固接，如图10所示。

本实施例中，还可以在底架1上固定安装机器人保护罩，保护控制电路不受现场的粉尘、水滴等影响。

本实施例中，还可以有照明灯，照明灯与检测支架固接，提供现场照明，以保证在较狭窄的空间内缺少光线影响拍摄效果。

一种使用上述装置的多光刀自旋式三维形貌测量方法实施例，包括以下步骤：

a)建立图像坐标系、摄像机坐标系和靶标坐标系；

b)通过摄像机内、外参数标定实验，得到摄像机的内参数矩阵和外参数矩阵，从而得到了图像坐标系与摄像机坐标系、摄像机坐标系与靶标坐标系之间的坐标变换关系；

c)所述的一字线激光器发出的激光所在平面称为激光平面，通过标定实验得到所述的激光平面于初始位置时在摄像机坐标系下的平面方程；

d)所述的一字线激光器旋转所绕的轴称为转轴，通过标定实验得到旋转轴所在直线的直线方程；

e)第三电机驱动旋转轴转动到待测角度位置，角度传感器测得该角度值，根据角度值和旋转前初始位置时的激光平面的平面方程，计算出各激光平面在旋转后的新平面方程；

f)多个一字线激光器投射激光与待检测曲面相交，形成多道激光条纹，摄像机拍摄得到含条纹的物体图像；

g)通过图像处理得到条纹特征点的二维图像坐标；结合结构光平面的平面方程，计算图像中全部激光条纹的所有条纹特征点对应的物点在摄像机坐标系下的坐标；

h)第三电机驱动扫描旋转轴转动到其他角度位置，多条激光条纹分别同时扫描所分配的物体表面区域，重复步骤e)、f)和g)，得到摄像机所观察到并能被激光条纹投射到的物体表面所有点在摄像机坐标系下的坐标值，完成测量。

下面结合附图介绍本实施例的工作原理和更具体的测量方法：

采用永磁非接触吸附方案，有效克服了装置吸附能力和运动灵活性间的矛盾，既能实现全位置吸附并有效地抵消不同位姿下检测设备等物体对装置产生的倾覆力矩，又能沿曲面各个方向灵活运动。

控制器发出启停、方向、转速等控制指令，由电机驱动电路进行解析及功率放大。电机驱动电路通过驱动第一电机3和第二电机4进而带动第一减速传动机构和第二减速传动机构，可以调节第一驱动轮5和第二驱动轮6的速度，从而控制机器人在曲面上的运动方向和速度。上位机和控制器之间通过无线通讯模块实现包括电机控制信号、运动状态信号的通讯。

当装置在曲面上运动时，摄像头13采集曲面表面的图像信号，无线视频传输模块16将所采集的图像信号传输给上位机，进一步存储与显示，同时图像采集模块将图像信号传送给控制器进行图像预处理。

角度传感器包括电位器和带有A/D转换电路的数据采集卡，角度传感器可以将测量的角度信息变换为电信号，传输给控制器。

利用一字线激光器10配合摄像机13对摄像机视场范围内的曲面实现局部三维形貌的测量，如图16所示，包括以下步骤：

(a)建立图像坐标系o_imx_imy_im、摄像机坐标系o_cx_cy_cz_c和固接在二维平面标靶上的靶标坐标系o_ix_iy_iz_i；

\{\begin{matrix} s {\tilde{m}}_{i} = A [\begin{matrix} R & t \end{matrix}] {\tilde{M}}_{i} \\ s {\tilde{m}}_{i} = A {\tilde{M}}_{ci} \end{matrix}

(公式1)

式中：

为二维图像坐标的增广向量；

为对应物点在o_ix_iy_iz_i下的坐标的增广向量；

为对应物点在o_cx_cy_cz_c下的坐标的增广向量；

s为不为零的比例因子；

称为摄像机内参数矩阵，其中(u₀，v₀)^T为摄像机主点(摄像机光轴与图像平面的交点)的图像坐标，α、β为图像分别在x_im、y_im方向上的比例因子，γ为描述x_im、y_im偏斜度的参数；

[R t]称为摄像机外参数矩阵，为摄像机坐标系o_cx_cy_cz_c到坐标系o_ix_iy_iz_i的变换矩阵。

(c)所述的一字线激光器发出的激光所在平面称为激光平面(多个)，通过标定实验得到所述的激光平面于初始位置时在摄像机坐标系下的平面方程(多个)；

\{\begin{matrix} a_{1} X_{c} + b_{1} Y_{c} + c_{1} Z_{c} + d_{1} = 0 \\ a_{2} X_{c} + b_{2} Y_{c} + c_{2} Z_{c} + d_{2} = 0 \\ . \\ . \\ . \\ a_{n} X_{c} + b_{n} Y_{c} + c_{n} Z_{c} + d_{n} = 0 \end{matrix}

(公式2)

\frac{X_{c} - X_{0}}{a_{r}} = \frac{Y_{c} - Y_{0}}{b_{r}} = \frac{Z_{c} - Z_{0}}{c_{r}}

(公式3)

式中：P₀＝[X₀，Y₀，Z₀]^T为直线l上的某一点；

n_r＝[a_r，b_r，c_r]^T为直线l的单位方向向量；

步骤(b)(c)(d)的标定流程如图17所示，其中标定摄像机的内、外参数和结构光平面方程的实验方法为公知技术，本实例采用常用的张正友法(Z.Zhang，A flexible newtechnique for camera calibration，IEEE Trans.Pattern Analysis and Machine Intelligence，22(11)：1330-1334，2000)对摄像机内、外参数进行标定，也可以采用公知的蔡式两步法完成标定。

(e)第三电机驱动旋转轴转动到待测角度位置，角度传感器测得该角度值，根据角度值和旋转前初始位置时的结构光平面方程，计算出各激光平面在旋转后的新平面方程；

设某束激光平面旋转前的平面方程为：

a_iX_c+b_iY_c+c_iZ_c+d_i＝0 (公式4)

旋转后的平面方程为

a′_iX_c+b′_iY_c+c′_iZ_c+d′_i＝0 (公式5)

它们之间的关系为：

(\begin{matrix} a_{i}^{'} \\ b_{i}^{'} \\ c_{i}^{'} \\ d_{i}^{'} \end{matrix}) = (\begin{matrix} a_{i} \\ b_{i} \\ c_{i} \\ d_{i} \end{matrix}) F^{- 1}

(公式6)

可通过(d)的标定结果得到P₀＝[X₀，Y₀，Z₀]^T、r＝[a_r，b_r，c_r]^T，结合角度传感器的测量结果θ计算得到矩阵F：

F = [\begin{matrix} a_{r}^{2} + (b_{r}^{2} + c_{r}^{2}) \cos θ & a_{r} b_{r} (1 - \cos θ) - c_{r} \sin θ & a_{r} c_{r} (1 - \cos θ) + b_{r} \sin θ \\ a_{r} b_{r} (1 - \cos θ) + c_{r} \sin θ & b_{r}^{2} + (a_{r}^{2} + c_{r}^{2}) \cos θ & b_{r} c_{r} (1 - \cos θ) - a_{r} \sin θ \\ a_{r} c_{r} (1 - \cos θ) - b_{r} \sin θ & b_{r} c_{r} (1 - \cos θ) + a_{r} \sin θ & c_{r}^{2} + (a_{r}^{2} + b_{r}^{2}) \cos θ \\ 0 & 0 & 0 \end{matrix}

\begin{matrix} (X_{0} (b_{r}^{2} + c_{r}^{2}) - a_{r} (Y_{0} b_{r} + Z_{0} c_{r})) (1 - \cos θ) + (Y_{0} c_{r} - Z_{0} b_{r}) \sin θ \\ (Y_{0} (a_{r}^{2} + c_{r}^{2}) - b_{r} (X_{0} a_{r} + Z_{0} c_{r})) (1 - \cos θ) + (Z_{0} a_{r} - X_{0} c_{r}) \sin θ \\ (Z_{0} (a_{r}^{2} + b_{r}^{2}) - c_{r} (X_{0} a_{r} + Y_{0} b_{r})) (1 - \cos θ) + (Y_{0} a_{r} - Y_{0} b_{r}) \sin θ \\ 1 \end{matrix}]

(公式7)

(g)通过图像处理得到条纹特征点的二维图像坐标；结合激光平面的平面方程，计算图像中全部激光条纹的所有条纹特征点对应的物点在摄像机坐标系下的坐标；

\{\begin{matrix} s [\begin{matrix} u_{s} \\ v_{s} \\ 1 \end{matrix}] = A [\begin{matrix} X_{c} \\ Y_{c} \\ Z_{c} \end{matrix}] \\ a_{i} X_{c} + b_{i} Y_{c} + c_{i} Z_{c} + d_{i} = 0 \end{matrix}

(公式8)

该装置利用间隙永磁吸附原理和磁块集中对称布置在轮子周围的曲面自适应方案实现了机器人吸附在不同曲率的导磁性曲面上且运动灵活；将旋转到不同角度的多束一字线激光投射到待测表面，利用摄像机拍摄具有激光条纹的待测表面序列图像，结合激光测距仪的所测距离，从而检测出表面三维形貌；通过无线视频传输模块将视频传输到上位机显示。利用多个一字线激光器旋转扫描测量的方法对测量装置的加工精度和装配精度要求低，体积小，重量轻，提高测量效率同时也能满足测量精度要求。该装置结构紧凑，运动灵活，适应曲率范围大，特别适用于狭窄空间内导磁性变曲率曲面工件的全位置三维形貌检测。

Claims

1.一种间隙磁吸式曲面形貌检测机器人，其特征在于：包括轮式移动平台、检测部件、控制系统三大部件，所述的轮式移动平台包括底架(1)、万向轮(2)、第一电机(3)、第二电机(4)、第一转轴(51)、第二转轴(61)、第一驱动轮(5)、第二驱动轮(6)和永磁体(15)；所述的检测部件包括检测支架(7)、扫描架(8)、扫描旋转轴(9)、一字线激光器(10)、第三电机(11)、摄像机(13)、图像采集模块和角度传感器(14)；所述的控制系统包括电机驱动电路和控制器(12)；所述的万向轮固接在底架下；所述的第一电机和第二电机分别与底架固接；所述的第一转轴套设在底架中，所述的第一电机的输出轴与第一转轴相连并驱动后者转动；所述的第二转轴套设在底架中，所述的第二电机的输出轴与第二转轴相连并驱动后者转动；所述的第一驱动轮和第二驱动轮分别套固在第一转轴和第二转轴上，所述的第一转轴的中心线与第二转轴的中心线共线，所述的第一驱动轮、第二驱动轮和万向轮的中心连线呈等腰三角形，万向轮中心位于两个驱动轮中心连线的垂直平分线上；所述的检测支架与底架固接，所述的扫描架与检测支架固接；所述的扫描旋转轴套设在扫描架中，所述的扫描旋转轴的中心线与两个驱动轮的中心连线平行；所述的摄像机与检测支架固接；将同时相切于第一驱动轮的外边缘下方圆弧、第二驱动轮的外边缘下方圆弧和万向轮的外边缘下方圆弧的平面定义为S平面，则摄像机的光轴与S平面的夹角为－60°～＋120°之间；所述的一字线激光器固接在扫描旋转轴上，所述的一字线激光器发射的激光平面与摄像机的光轴形成的夹角在15°～90°之间，所述的一字线激光器投射到待测工件表面的激光条纹在摄像机的视场范围内；所述的角度传感器安装在扫描架上检测扫描旋转轴的角度位置；所述的第三电机与扫描架固接，第三电机的输出轴与扫描旋转轴相连并驱动后者转动；所述的控制器采用带有相关接口电路的计算机或微控制器；所述的控制器与底架固接，所述的第一电机、第二电机、第三电机均通过电机驱动电路与控制器的信号输出端相连，所述的角度传感器与控制器的信号输入端相连；所述摄像机通过图像采集模块与控制器的信号输入端相连；所述的控制器可存储摄像机采集的图像并做图像处理和实时计算，所述的控制器通过电机驱动电路控制第一电机、第二电机实现机器人的运动，所述的控制器通过电机驱动电路控制第三电机实现扫描旋转轴的旋转运动；所述永磁体与底架固接，所述的永磁体与待检测的导磁壁面之间存在一定气隙。

2.如权利要求1所述的间隙磁吸式曲面形貌检测机器人，其特征在于：所述的万向轮采用万向滚珠。

3.如权利要求1所述的间隙磁吸式曲面形貌检测机器人，其特征在于：还包括无线视频传输模块(16)、无线通讯模块和充电电池(17)；所述的无线视频传输模块与检测支架固接，所述的摄像机与无线视频传输模块相连；所述的无线通讯模块与底架固接并与控制器相连，所述的充电电池与底架固接，所述的充电电池给装置上的所有设备供电。

4.如权利要求1所述的间隙磁吸式曲面形貌检测机器人，其特征在于：还包括激光测距仪(109)，所述的激光测距仪与检测支架固接，所述的激光测距仪与控制器相连。

5.如权利要求1所述的间隙磁吸式曲面形貌检测机器人，其特征在于：所述的一字线激光器有多个，它们发出的一字线激光所在平面不相同并呈固定的夹角。

6.如权利要求1所述的间隙磁吸式曲面形貌检测机器人，其特征在于：还包括轭铁(151)，所述的永磁体通过轭铁与底架固接。

7.如权利要求1所述的间隙磁吸式曲面形貌检测机器人，其特征在于：所述的永磁体有多个，分别围绕在所述的第一驱动轮、第二驱动轮和万向轮的四周。

8.如权利要求1所述的间隙磁吸式曲面形貌检测机器人，其特征在于：还包括第一减速传动机构和第二减速传动机构，所述的第一电机和第二电机的输出轴分别通过第一减速传动机构和第二减速传动机构与第一转轴和第二转轴相连，所述的第一减速传动机构和第二减速传动机构是自锁的。

9.如权利要求1所述的间隙磁吸式曲面形貌检测机器人，其特征在于：还包括照明灯和保护罩，照明灯与检测支架固接，保护罩与底架固接。

10.一种如权利要求1所述机器人的曲面形貌测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

a）建立图像坐标系、摄像机坐标系和靶标坐标系；

b）通过摄像机内、外参数标定实验，得到摄像机的内参数矩阵和外参数矩阵，从而得到了图像坐标系与摄像机坐标系、摄像机坐标系与靶标坐标系之间的坐标变换关系；

c）所述的一字线激光器发出的激光所在平面称为激光平面，通过标定实验得到所述的激光平面于初始位置时在摄像机坐标系下的平面方程；

d）所述的一字线激光器旋转所绕的轴称为扫描旋转轴，通过标定实验得到扫描旋转轴所在直线的直线方程；

e）第三电机驱动扫描旋转轴转动到待测角度位置，角度传感器测得该角度值，根据角度值和旋转前初始位置时的激光平面的平面方程，计算出各激光平面在旋转后的新平面方程；

f）多个一字线激光器投射激光与待检测曲面相交，形成多道激光条纹，摄像机拍摄得到含条纹的物体图像；

g）通过图像处理得到条纹特征点的二维图像坐标；结合结构光平面的平面方程，计算图像中全部激光条纹的所有条纹特征点对应的物点在摄像机坐标系下的坐标；

h）第三电机驱动扫描旋转轴转动到其他角度位置，多条激光条纹分别同时扫描所分配的物体表面区域，重复步骤e）、f）、g）步骤，得到摄像机所观察到并能被激光条纹投射到的物体表面所有点在摄像机坐标系下的坐标值，完成测量。