CN107121062A - 一种机器人三维扫描装置及方法 - Google Patents

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李东
孟强
李泉
刘涛
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates

Abstract

本发明公开了一种机器人三维扫描装置及方法，包括用于生成三维点云数据的MEMS扫描振镜激光三维测头，用于装夹MEMS扫描振镜激光三维测头的六轴机器臂，用于放置被测物的转台，用于控制机器人以及转台的控制器。MEMS扫描振镜激光三维测头安装在机器臂末端，被测物放在转台中心。相比数字光和物理光栅技术，具有景深大，扫描速度快，体积小和扫描精度高的优点；同时该装置还将高精度转台和六自由度机器人组合成七自由度装置，可以增大机器臂工作范围，同时可以提高对较大物体扫描的灵活性，减少扫描死角的问题，最终实现全自动化的三维扫描。

Description

一种机器人三维扫描装置及方法
技术领域
本发明属于光学三维测量领域，将六自由度机器人、转台与MEMS微振镜结合成七自由度三维模型重建装置，可实现物体的非接触、高精度、高速度和全方位测量。
背景技术
全球科技创新呈现出以制造业数字化、网络化和智能化为核心，三维测量技术作为一种重要的数字化手段，其应用价值越来越凸显，已被广泛的应用于医疗整形领域、工业在线检测、文物保护和电子商务等领域。光学三维测量由于具有非接触、精度高、速度快的优势，已经发展成为三维检测领域最重要的技术。
光学三维测量分为主动式和被动式两种。被动式测量技术主要以立体视觉技术为代表，采用非结构光照明方式，从一个或多个角度观察装置中的二维信息来合成第三维信息，从而得到物体的三维数据。立体视觉技术装置结构简单，但存在着匹配难、计算速度慢等缺点。主动式测量技术以结构光条纹投影和激光线扫描为代表。
结构光条纹投影方法是将条纹投影到被测物体表面，经被测物体表面调制的变形条纹由相机采集，再进一步解调得到和深度信息有关的调制信号，最后经过标定得到物体表面的三维形貌。白光结构光编码形式有：二进制编码、灰度编码、栅格码、彩色编码、相位编码及混合编码等。目前，三维测量常用的是相位测量法，基于相位测量的光栅投影技术分为：相移轮廓术PSP(Phase Shifting Profilometry)、傅里叶变换轮廓术FTP(FourierTransform Profilometry)和小波变换轮廓术(Wavelet Transform Profilometry)。相位测量法具有精度高、鲁棒性好的优点，但当测量颜色较暗的物体或者背景光强较暗，导致采集图片条纹对比度太差，就无法进行解调相位和物体的三维重建。
激光线扫描三维测量装置由激光器和相机组成，激光束移动扫描整个物体表面，根据相机捕捉到的某一张图像，根据三角变换原理可以求出对应光束位置处的点的深度信息。但是最初的激光扫描技术会使扫描设备体积大，无法自由移动扫描设备，会使扫描过程中存在死角。近年来，由于MEMS扫描振镜技术的不断发展，使物体测量所需时间变短和测量精度大幅度提高，并且使三维测量设备体积不断减小。
发明内容
本发明提出的是一种将六轴机器臂、转台、MEMS扫描振镜激光三维测头和控制器组成的七轴机器人三维扫描装置，能够解决一般三维扫描方法扫描有盲区，扫描时间长，扫描精度低的问题。
本发明采取的技术方案为：
一种七轴机器人三维扫描装置，包括用于生成三维点云数据的MEMS扫描振镜激光三维测头，用于装夹MEMS扫描振镜激光三维测头的六轴机器臂，用于放置被测物的转台，用于控制机器人以及转台的控制器。
所述的MEMS扫描振镜激光三维测头包含激光MEMS投影装置，该装置以激光光束作为光源，通过二维MEMS扫描振镜反射到被测物体表面，二维MEMS扫描振镜在快慢两个方向的驱动电流激励下进行二维扫描。同时，激光器的光强被正弦(或余弦)调制。从而在被测物的表面形成连续分布的正(或余弦)弦光场。所述激光MEMS投影装置投射的是MEMS扫描振镜反射出的激光，可用于生成光栅、线激光和点激光。
整个扫描过程如下：
第一步：在扫描被测物前，标定出转台，激光测头，六轴机器臂之间的位姿关系。标定方法如下；
(1)进行MEMS扫描振镜激光三维测头坐标系与六轴机器臂末端坐标系位姿关系的标定，即手眼标定，设激光测头坐标系与六轴机器臂末端坐标系之间的位姿关系为X,通过单目标定得到测头坐标系随着机器臂两次移动的位姿关系A,通过控制器读出机器臂工具坐标系两次移动的位姿关系D。其中A,D,X皆为4x4矩阵。根据三者之间的坐标变换关系得到如下公式
AX＝XD
可以通过解方程解出X。
(2)进行MEMS扫描振镜激光三维测头坐标系与转台中心坐标系的位姿关系的标定。
首先进行转台中心坐标系原点P0(x0，y0，z0)的标定，我们可以通过对标定板上的标志点进行圆心拟合的方法来求P0(x0，y0，z0)。其关键是在旋转台工作表面上找到合适的参考点P(x，y，z)。转台转动M次，将对应不同的点P1(x，y，z)，P2(x，y，z)，…，PM(x，y，z)，理论上，这M个点应处于同一圆周上。只要得到参考点在转台不同旋转角度对应的坐标值，就可以通过圆心拟合方法求出旋转中心，即转台中心坐标系原点OC(tx，ty，tz)。
然后进行转台Z轴的标定，Z轴为过转台中心点，垂直转台平面且方向向上。确定Z轴的方向即可建立旋转台中心坐标系。Z轴的标定与转台中心坐标系坐标原点的标定相似，设P0(x0，y0，z0)为坐标原点；P(x，y，z)为旋转台工作表面上的参考点，P1(x1，y1，z1)和P2(x2，y2，z2)为其在两个不同视场中所对应的坐标，可以得到XY平面内的两个相交向量：
P0P1＝(x2-x0)i+(y2-y0)j+(z2-z0)k
P0P2＝(x1-x0)i+(y1-y0)j+(z1-z0)k
通过这两个向量的向量积可求出Z轴的方向向量。一旦旋转台中心坐标系的坐标原点和Z轴方向向确定，它与激光测头坐标系之间相互转换的位姿关系就会确定。
第二步：被测物放置在转台上，六轴机器臂夹持MEMS扫描振镜激光三维扫描测移动N个位置，在每个位置处机器手臂保持静止，测头对准被测物体，MEMS扫描振镜激光三维测头进行二维扫描，获取测头当前位置的全场三维点云数据，机器臂完成N个位置的移动后，生成N个被测物体的三维点云。接着转台转动到下一个位置，激光测头对准物体重复上述扫描。转台共转动M次，共生成M*N个物体点云。
第三步：将生成的M*N个物体点云数据传输到计算机，根据第一步得到的标定数据，可以将所有物体的点云转换到同一个坐标系下，然后再利用ICP算法优化，最后形成完整的被测物体的点云模型。
有益效果
本发明方案提出的是一种新型的三维扫描装置及方法，激光MEMS扫描振镜三维扫描测头中采用的是MEMS扫描振镜激光，相比数字光和物理光栅技术，具有景深大，扫描速度快，体积小和扫描精度高的优点；同时该方法还将高精度转台和六自由度机器人组合，可以增大机械臂工作范围，同时可以提高对较大物体扫描的灵活性，减少扫描死角的问题，最终实现全自动化的三维扫描。
附图说明
图1机器人三维扫描装置结构图；
图2MEMS扫描振镜激光三维测头示意图；
图3各坐标系相对位置图；
其中：1为六轴机器臂；2为MEMS扫描振镜激光三维测头；3为转台；4为MEMS测头外壳；5为相机支撑板；6为CCD相机；7为镜面；8为MEMS振镜；9为准直透镜；10为非球面透镜；11为反光镜；12为激光器；三个坐标系的下标b,e,c,t分别代表基础坐标系，机器臂末端坐标系，测头坐标系，转台中心坐标系。
具体实施方式
下面具体结合附图对本发明做详细描述。
一种机器人三维扫描装置(图1所示)由六轴机器臂(1)、MEMS扫描振镜激光三维测头(2)，转台(3)组成；其中MEMS扫描振镜激光三维测头(图2所示)由MEMS测头外壳(4)、相机支撑板(5)、CCD相机(6)、镜面(7)、MEMS振镜(8)、准直透镜(9)、非球面透镜(10)、反光镜(11)和激光器(12)构成，扫描测头安放在六轴机械臂末端。
所述的MEMS扫描振镜激光三维测头(图2所示)，箭头代表激光光路，光路所通过的部分为激光MEMS投影装置，其工作方式如下：激光器发出的激光光束，经过准直透镜聚焦和准直之后，得到了满足要求的准直激光光束；激光光束经过一次镜面反射，反射到MEMS振镜；光束经过MEMS振镜再穿过非球面透镜，然后经过反光镜反射到被测物体表面；激光器在驱动板生成的正弦电流信号的控制下，对激光光束的亮度进行正弦调制；MEMS振镜在驱动板生成的驱动信号激励下，做二维的转动，从而带动激光光束进行扫描，产生光栅图。
一种机器人三维扫描方法，具体包括以下步骤：
第一步，标定装置参数。
1)标定MEMS振镜激光测头坐标系与机械臂末端工具坐标系的位姿关系
用A，B，C，D表示4x4矩阵，分别描述某两个坐标系之间的相对方位，相对方位由旋转矩阵R和平移向量T组成，即
其中，RA与TA的下标表示所代表的矩阵名称。在图3，Cobj表示标定参照物的坐标系，CC1与Ce1分别表示六轴机器臂运动前的MEMS振镜激光测头坐标系与六轴机器臂末端坐标系，CC2与Ce2分别表示六轴机器臂运动后的MEMS振镜激光测头坐标系与六轴机器臂末端坐标系。在CC1与CC2两个位置上分别用标定块对CCD相机标定从而求出其外参数，其中外参数即相机在CC1与CC2两个位置上与Cobj的相对方位，用A与B表示。由此，如果C表示CC1与Cc2之间的相对方位，则
C＝AB-1
在CC1与CC2两个位置上分别用标定块对相机标定，从而求出A与B，进而求出C。Ce1与Ce2间的位姿关系可以由控制器读出，属于已知参数，用矩阵表示。由于MEMS扫描振镜激光三维测头固定在六轴机器臂末端，随着机器臂一起运动，因此CC1与Ce1之间，CC2与Ce2之间的位姿关系都为X。设空间中一点P在上述四个坐标系CC1，Cc2，Ce1，Ce2的坐标分别为PC1，PC2，Pe1，Pe2，则有如下关系：
PC1＝CPC2 (1.1)
PC1＝XPe1 (1.2)
Pe1＝DPe2 (1.3)
Pc2＝XPe2 (1.4)
由式(1.1)与式(1.4)得
PC1＝CXPe2 (1.5)
由式(1.2)与式(1.3)得
PC1＝XDPe2 (1.6)
比较式(1.5)与(1.6)得到
CX＝XD (1.7)
其中矩阵C，D都为已知，因此可以解出MEMS扫描振镜激光三维测头坐标系与机械臂末端坐标系的位姿关系
2)标定MEMS扫描振镜激光三维测头坐标系与转台中心坐标系的位姿关系
首先进行转台中心坐标系原点的标定，MEMS扫描振镜激光三维测头坐标系与旋转台坐标系坐标变换的平移量就是旋转台坐标系坐标原点在激光三维测头坐标系下的坐标P0(x0，y0，z0)。我们可以通过对对应点进行圆心拟合的方法来求P0(x0，y0，z0)。其关键是在旋转台工作表面上找到合适的参考点P(x，y，z)。转台转动M次，将对应不同的点P1(x，y，z)，P2(x，y，z)，…，PM(x，y，z)，理论上，这M个点应处于同一圆周上。因此，在转台上平放一块标定版，激光测头中CCD相机对准标定版拍摄一张标定板照片，转台转过M个位置，此时机器臂保持不动，CCD相机继续拍摄标定版。转台共转过M次，共拍摄M张标定图片。将拍摄的数据传输到计算机，由计算机提取出每个角度标定板世界坐标系的原点，然后将这M个世界坐标系原点进行圆心拟合就可以得到转台中心坐标系原点坐标。
然后进行转台Z轴的标定，由于X轴和Y轴在XY平面内取向的特殊性，只需要确定Z轴的方向即可建立旋转台中心坐标系。Z轴的标定与转台中心坐标系坐标原点的标定相似，设P0(x0，y0，z0)为旋转台中心坐标系原点坐标；P(x，y，z)为旋转台工作表面上的参考点，可认为是上一步中任意两块标定板的世界坐标系原点，即P1(x1，y1，z1)和P2(x2，y2，z2)，则有如下方程
P0P1＝(x2-x0)i+(y2-y0)j+(z2-z0)k
P0P2＝(x1-x0)i+(y2-y0)j+(z1-z0)k
通过这两个向量的向量积可求出Z轴的方向向量。一旦旋转台中心坐标系的坐标原点和Z轴方向确定，它与激光测头坐标系之间相互转换的位姿关系就会确定。
第二步，获取点云数据
装置开始扫描被测物，机器臂末端夹持MEMS扫描振镜激光三维测头，测头对准被测物，机器臂静止不动，获得一个被测物点云模型，完成一个位置扫描后，机械臂运动到另一个位置，进行第二次扫描，重复N次，获得N个物体点云数据。然后转台转动M个位置，重复上述扫描过程。扫描完成，转台共转过M次，获得M*N个点云数据。
第三步，点云拼接
1)转台单角度多位置拼接
根据第一步得到的标定数据Rx和Tx，以及从控制器读出的机器臂位于两个位置的位姿关系RD，TD，根据位姿转换公式
P2＝RP1+T (3.1)
其中P1为P2分别为坐标转换前后的坐标系，R为旋转矩阵，T为平移矩阵可以将同一转台角度下相邻两组点云数据转换到同一个坐标系下，再借助相邻两片点云之间的50％以上的重合度进行点云自由拼接，然后依次完成N个位置的点云拼接后，即单角度进行N次自由拼接，得到完整的物体单角度的点云模型。
2)转台多角度点云拼接
然后根据单角度拼接点云数据，将每连续两个角度的点云进行基于转台粗拼接和ICP算法精确拼接，可以获得物体的三维模型，具体过程如下：
a)基于转台粗拼接
上述得到的物体单角度点云模型在测头内部CCD相机坐标下，根据第一步得到的MEMS扫描振镜激光三维测头坐标系与转台中心坐标系的位姿关系RM，TM，利用公式(3.1)将M个单角度点云模型，全部转到转台中心坐标系下，得到被测物的粗拼接模型。
b)ICP算法精确拼接
上一步方法的拼接精度主要受制于旋转台精度，由于高精度的转台价格昂贵，实际使用中转台精度有限，通常无法得到非常精确的拼接结果。因此采用ICP算法进行拼接优化，最终得到完整精确的模型。

Claims (5)

1.一种机器人三维扫描装置,其特征在于：所述三维扫描装置是由六轴机器臂、MEMS扫描振镜激光三维测头、转台和控制器组成；其中MEMS扫描振镜激光三维测头由MEMS测头外壳、相机支撑板、CCD相机、反光镜、镜面、MEMS扫描振镜、准直透镜、非球面透镜和激光器构成，扫描测头安放在六轴机械臂末端。
2.一种机器人三维扫描方法,其特征在于,装置工作时，转台转动M次，转台每次转完后，机器人手臂末端夹持MEMS扫描振镜激光三维测头，移动N个位置，在每个位置处机器手臂保持静止，测头对准被测物体，MEMS扫描振镜激光三维测头进行二维扫描，获取当前测头位置的全场三维点云数据；完成所有测量共进行M*N次扫描，总共得到M*N个三维点云数据，这些数据传输到计算机上对它们进行拼接形成被测物体完整的三维点云，实现物体的高精度、高速度测量。
3.如权利要求书1所述的一种机器人三维扫描装置，其特征在于，所述MEMS扫描振镜激光三维测头由激光器、扫描振镜、相机和滤光片组成，其扫描振镜绕x,y两个轴谐振，谐振由激励信号控制扫描振镜沿x,y轴转动产生，根据偏振片绕x,y两个轴振动的谐振频率不同，生成点激光，线激光以及不同频率的光栅。
4.如权利要求书2所述的一种机器人三维扫描方法，其特征在于，所述的MEMS扫描振镜激光三维测头、转台以及六轴机器臂，这三者的位姿关系由两次标定得出：
(1)MEMS扫描振镜激光三维测头坐标系与六轴机器臂末端坐标系之间的位姿关系由手眼标定法标出；
(2)平面转台中心坐标系与MEMS扫描振镜激光测头坐标系之间的关系由转台中心标定法标出。
5.如权利要求书2所述的一种机器人三维扫描方法，其特征在于，所述的将M*N个点云数据拼接形成完整的被测物体三维点云模型，其中拼接分为三步：
(1)转台单角度多位置拼接；
(2)转台多角度点云拼接；
(3)最后进行ICP优化拼接形成完整的被测物模型。
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