CN107538487B - 用于大尺寸复杂形面的机器人自动测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大尺寸复杂形面的机器人自动测量系统，包括工控机、移动机器人平台、机器人等，工控机各设备进行电气连接，按照扫描路径规划得到的路径，控制机器人平台及机器人运动，带动扫描设备对待测量部件进行扫描，并实时跟踪空间位姿，采集扫描数据及跟踪定位数据，根据跟踪定位数据，对扫描数据进行拼接处理，得到待测量部件形面的测量数据。本发明能够实现大尺寸复杂形面的自动测量，提高大尺寸复杂形面的测量效率，同时在测量中保证产品安全。

Description

用于大尺寸复杂形面的机器人自动测量方法及系统

技术领域

本发明属于大型曲面测量技术领域，具体涉及一种用于大尺寸复杂形面的机器人自动测量方法及系统。

背景技术

大型曲面在航空航天领域的应用广泛，例如卫星大型天线的反射面、大型飞机机翼等。这些曲面的制造精度将影响航空航天设备的主体性能，如天线的型面精度将影响型号发射传输的性能，飞机机翼的型面精度则会影响飞机的气动性能，需要有相应的技术手段测量这些大型曲面是否满足精度要求。

已有的曲面自动测量方法中，通常采用工业机器人携带扫描测量设备，机器人按照设计的路径运动，携带扫描测量设备对曲面进行扫描，为避免机器人自身定位误差对测量结果造成影响，通常采用第三方测量系统，如激光跟踪仪、iGps系统等对扫描设备的空间位姿进行跟踪测量，使得扫描拼接结果与机器人定位精度无关，保证了曲面整体的测量精度。这种方法中机器人固定与地面，测量范围受限于机器人的工作空间，对于超出机器人工作空间范围的大型曲面，采用这种方法难以实现全覆盖测量。

本发明提出一种用于大尺寸复杂形面的机器人自动测量方法及系统，将移动机器人与工业机器人相结合，在工业机器人末端安装扫描测量设备，工业机器人固定于移动机器人之上，移动机器人搭载工业机器人可在地面移动，扩展了扫描测量设备的可达范围，实现大型曲面的全覆盖扫描测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于大尺寸复杂形面的机器人自动测量方法及系统，解决传统测量方法测量范围小的问题，实现大型曲面的全覆盖自动测量。

根据本发明的一方面，提出一种用于大尺寸复杂形面的机器人自动测量系统，该系统包括：工控机、移动机器人平台、机器人控制器、工业机器人、全局测量系统、扫描设备、扫描路径规划控制器、扫描数据处理器，其中：

所述工控机与所述机器人控制器、扫描设备、移动机器人平台进行电气连接，扫描路径规划控制器运行于工控机中，用于根据测量需求规划移动机器人平台的行走路径，以及工业机器人的运动路径，工控机按照扫描路径规划控制器得到的路径，控制移动机器人平台及工业机器人运动，带动扫描设备对待测量部件进行扫描；所述全局测量系统实时跟踪扫描设备的空间位姿，工控机实时采集扫描设备的扫描数据及全局测量系统的跟踪定位数据，扫描数据处理器运行于工控机中，根据全局测量系统的跟踪定位数据，对扫描设备的扫描数据进行拼接处理，得到待测量部件型面的测量数据。

其中，所述路径规划控制器集成在工控机上，读取待测部件、移动机器人平台、工业机器人、扫描设备等测量现场元素的三维模型，根据测量得到的相对位姿关系构建扫描路径规划仿真环境，通过路径规划方法生成无干涉的移动机器人平台及工业机器人运动路径；

其中，所述移动机器人平台与工业机器人、机器人控制器机械连接，用于根据工控机的控制指令实现扫描设备的空间移动扫描；

其中，所述扫描设备用于扫描待测部件的三维形貌数据，经过扫描数据处理器处理后形成待测部件曲面的三维模型；

根据本发明的另一方面，还提供一种用于大尺寸复杂形面的机器人自动测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，在测量场地内布置全局测量系统，在移动平台机器人、扫描设备、待测部件上设置用于全局测量系统测量定位的测量靶标；

步骤2，全局测量系统测量得到移动机器人平台、待测部件的空间位姿信息，并发送给工控机；

步骤3，所述扫描路径规划控制器读取待测部件、移动机器人平台、工业机器人、机器人控制器、扫描设备、待测部件的三维模型，结合步骤2中获得的机器人平台、待测部件的空间位姿信息，通过最小二乘法计算得到机器人平台、待测部件的相对位姿关系，进而构建虚实融合的三维扫描路径仿真环境，识别扫描运动过程中的几何约束，根据对待侧部件的全覆盖扫描需求，通过路径规划方法计算出移动机器人平台及工业机器人的无干涉扫描运动路径；

步骤4，利用工控机将步骤3得到的无干涉扫描运动路径转化成机器指令，控制移动机器人平台移动，并通过机器人控制器驱动工业机器人和扫描设备运动，对待测部件进行扫描测量；

步骤5，在扫描设备运动扫描过程中，全局测量系统实时测量扫描设备的空间位姿信息，工控机采集扫描设备的扫描数据及空间位姿信息，利用所述扫描数据处理器处理扫描设备的扫描数据及空间位姿信息，得到待测部件的三维型面数据。

上述技术方案中，所述工业机器人是具有6个自由度的串联式机器人。

上述技术方案中，所述扫描设备是一种能够扫描物体表面高度信息的设备，如激光扫描仪等。

上述技术方案中，所述移动机器人平台是一种能够在地面实现平移及转动的移动机器人。

上述技术方案中，所述扫描路径规划控制器得到的扫描运动路径，既能是扫描设备无缝的扫描待测部件，又在运动过程中保证工业机器人、移动机器人平台、扫描部件、待测部件等各部分间无碰撞发生。

本发明提出的用于大尺寸复杂形面的机器人自动测量方法可以达到以下效果：

(1)移动平台搭载机器人测量系统，突破了机器人工作空间对测量范围的限制，适用于大尺寸复杂形面的三维测量；

(2)虚实融合的扫描路径仿真环境可以自动生成机器人无干涉运动路径，能够在保证全覆盖扫描的同时，有效避免运动扫描过程中碰撞的发生；

本发明能够实现大尺寸复杂型面的自动测量，提高大尺寸复杂型面的测量效率，同时在测量中保证产品安全。

附图说明

图1为本发明用于大尺寸复杂形面的机器人自动测量系统结构模块示意图；

图2为根据本发明一实施例的用于大尺寸复杂形面的机器人自动测量系统结构示意图。

附图标记说明：

1-工控机；2-移动机器人平台；3-机器人控制器；4-工业机器人；

5-全局测量系统；6-扫描设备；7-待测部件；8-扫描路径规划控制器；9-扫描数据处理器；10-虚实融合的扫描路径仿真环境；11-扫描

运动路径；12-全局定位靶标。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明用于大尺寸复杂形面的机器人自动测量系统结构模块示意图，如图1所示，根据本发明的一方面，提出一种用于大尺寸复杂形面的机器人自动测量系统，所述系统包括工控机1、移动机器人平台2、机器人控制器3、工业机器人4、全局测量系统5、扫描设备6、待测部件7、扫描路径规划控制器8、扫描数据处理器9，其中：

所述工控机1与所述机器人控制器3、扫描设备6、移动机器人平台2电气连接，扫描路径规划控制器8运行于工控机1中，用于根据测量需求规划移动机器人平台2的行走路径，以及工业机器人4的运动路径，工控机1按照扫描路径规划控制器8得到的路径，控制移动机器人平台2及工业机器人4运动，带动扫描设备6对待测部件7进行扫描。所述全局测量系统5实时跟踪扫描设备6的空间位姿，工控机1实时采集扫描设备6的扫描数据及全局测量系统5的跟踪定位数据，扫描数据处理器9运行于工控机1中，根据全局测量系统5的跟踪定位数据，对扫描设备6的扫描数据进行拼接处理，得到待测量部件型面的测量数据。

所述路径规划控制器8系统集成在工控机1上，用于待测部件7、移动机器人平台2、工业机器人4等装配要素的三维模型，根据测量得到的相对位姿关系构建虚实融合的扫描路径规划仿真环境，通过路径规划算法生成一条无干涉的移动机器人平台2及工业机器人4运动路径；

所述移动机器人2平台与工业机器人4、机器人控制器3机械连接，用于根据工控机1的控制指令实现扫描设备6的空间移动扫描；

所述扫描设备6用于扫描待测部件7的三维形貌数据，经过扫描数据处理器9处理后形成待测部件7曲面的三维模型。

图2为本发明用于大尺寸复杂形面的机器人自动测量系统结构示意图，如图2所示，所述虚实融合的扫描路径仿真环境10包含了工业机器人4及机器人控制器3、移动机器人平台2、扫描设备6、待测部件7等要素，根据测量得到的相对位姿关系构建虚实融合的扫描路径规划仿真环境10，通过路径规划算法生成一条无干涉的移动机器人平台2及工业机器人4的扫描运动路径11。

根据本发明的另一方面，还提供一种用于大尺寸复杂形面的机器人自动测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，在测量场地内布置全局测量系统5，在移动平台机器人2、扫描设备6、待测部件7上设置用于全局测量系统测量定位的测量靶标12；

步骤2，全局测量系统5测量得到移动机器人平台2、待测部件7的空间位姿信息，并发送给工控机1；

步骤3，所述扫描路径规划控制器8读取待测部件7、移动机器人平台2、工业机器人4、机器人控制器3、扫描设备6、待测部件7等要素的三维模型，结合步骤2中获得的移动机器人平台2、待测部件7的空间位姿信息，通过最小二乘法计算得到移动机器人平台2、待测部件7的相对位姿关系，进而构建虚实融合的三维扫描路径仿真环境10，识别扫描运动过程中的几何约束，根据对待侧部件的全覆盖扫描需求，通过路径规划算法计算出移动机器人平台2及工业机器人4的无干涉扫描运动路径11；

步骤4，利用工控机1将步骤3得到的无干涉扫描运动路径11转化成机器指令，控制移动机器人平台2移动，并通过机器人控制器3驱动工业机器人4和扫描设备6运动，对待测部件7进行扫描测量；

步骤5，在扫描设备5运动扫描过程中，全局测量系统5实时测量扫描设备5的空间位姿信息，工控机1采集扫描设备6的扫描数据及空间位姿信息，利用所述扫描数据处理器9处理扫描设备6的扫描数据及空间位姿信息，得到待测部件7的三维型面数据。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，本领域的技术人员可以依据本发明的精神对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用在未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.用于大尺寸复杂形面的机器人自动测量系统，该系统包括：工控机、移动机器人平台、机器人控制器、工业机器人、全局测量系统、扫描设备、扫描路径规划控制器、扫描数据处理器，其中：

所述工控机与所述机器人控制器、扫描设备、移动机器人平台进行电气连接，扫描路径规划控制器运行于工控机中，用于根据测量需求规划移动机器人平台的行走路径，以及工业机器人的运动路径，工控机按照扫描路径规划控制器得到的路径，控制移动机器人平台及工业机器人运动，带动扫描设备对待测量部件进行扫描；所述全局测量系统实时跟踪扫描设备的空间位姿，工控机实时采集扫描设备的扫描数据及全局测量系统的跟踪定位数据，扫描数据处理器运行于工控机中，根据全局测量系统的跟踪定位数据，对扫描设备的扫描数据进行拼接处理，得到待测量部件型面的测量数据，其中，所述路径规划控制器集成在工控机上，读取待测部件、移动机器人平台、工业机器人、扫描设备的三维模型，根据测量得到的相对位姿关系构建扫描路径规划仿真环境，通过路径规划方法生成无干涉的移动机器人平台及工业机器人运动路径，所述工业机器人是具有6个自由度的串联式机器人。

2.如权利要求1所述的机器人自动测量系统，其中，所述移动机器人平台与工业机器人、机器人控制器机械连接，用于根据工控机的控制指令实现扫描设备的空间移动扫描。

3.如权利要求1或2所述的机器人自动测量系统，其中，所述扫描设备用于扫描待测部件的三维形貌数据，经过扫描数据处理器处理后形成待测部件曲面的三维模型。

4.用于大尺寸复杂形面的机器人自动测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，在测量场地内布置全局测量系统，在移动平台机器人、扫描设备、待测部件上设置用于全局测量系统测量定位的测量靶标；

步骤2，全局测量系统测量得到移动机器人平台、待测部件的空间位姿信息，并发送给工控机；

步骤3，扫描路径规划控制器读取待测部件、移动机器人平台、工业机器人、机器人控制器、扫描设备、待测部件的三维模型，结合步骤2中获得的机器人平台、待测部件的空间位姿信息，通过最小二乘法计算得到机器人平台、待测部件的相对位姿关系，进而构建虚实融合的三维扫描路径仿真环境，识别扫描运动过程中的几何约束，根据对待侧部件的全覆盖扫描需求，通过路径规划方法计算出移动机器人平台及工业机器人的无干涉扫描运动路径；

步骤4，利用工控机将步骤3得到的无干涉扫描运动路径转化成机器指令，控制移动机器人平台移动，并通过机器人控制器驱动工业机器人和扫描设备运动，对待测部件进行扫描测量；

步骤5，在扫描设备运动扫描过程中，全局测量系统实时测量扫描设备的空间位姿信息，工控机采集扫描设备的扫描数据及空间位姿信息，利用扫描数据处理器处理扫描设备的扫描数据及空间位姿信息，得到待测部件的三维型面数据。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述工业机器人是具有6个自由度的串联式机器人。

6.如权利要求4所述的方法，其中，所述扫描设备为激光扫描仪。

7.如权利要求4所述的方法，其中，所述移动机器人平台是能够在地面实现平移及转动的移动机器人。

8.如权利要求4-7任一项所述的方法，其中，所述扫描路径规划控制器得到的扫描运动路径，既能扫描待测部件，又在运动过程中保证工业机器人、移动机器人平台、扫描部件、待测部件各部分间无碰撞发生。

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