CN110645916A - 基于基准标定板校正位姿的自由曲面测量方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于自由曲面测量、机器视觉测量领域，涉及一种基于基准标定板校正位姿的自由曲面测量方法与装置，解决大型自由曲面测量过程中存在的回转工作台回转误差、机械臂空间运动误差和点云拼接基准等问题，可用于提高自由曲面表面形貌的检测精度。本发明通过将被测自由曲面安装在基准标定板表面，在自由曲面测量传感器采集自由曲面表面高度的同时，通过摄像机采集基准标定板的图像，提取基准标定板图像的特征点，从而计算出基准标定板相对于基准标定板摄像机的变换矩阵，进而得到被测自由曲面相对于自由曲面测量传感器之间的位姿变化。解决自由曲面测量过程中存在的回转工作台回转误差和机械臂空间运动误差等问题，为自由曲面多位姿测量提供基准，分离测量过程中的运动误差，实现自由曲面的高精度检测。同时提供被测自由曲面表面高度数据融合和数据拼接的参考基准，从而提高自由曲面的拟合精度。

Description

基于基准标定板校正位姿的自由曲面测量方法与装置
技术领域
本发明属于自由曲面测量、机器视觉测量领域，涉及一种基于基准标定板校正位姿的自由曲面测量方法与装置，解决大型自由曲面测量过程中存在的回转工作台回转误差、机械臂空间运动误差和点云拼接基准等问题。
技术背景
自由曲面是工程中最复杂而又经常遇到的曲面，在航空、造船、汽车、家电、机械制造等部门中许多零件外形，如飞机机翼或汽车外形曲面，以及模具工件表面等均为自由曲面。自由曲面的形状大致上可分为两类或由这两类组成：一类是仅由初等解析曲面例如平面、圆柱面、圆锥面、球面等组成。大多数机械零件属于这一类。可以用画法几何与机械制图完全清楚表达和传递所包含的全部形状信息。另一类是不能由初等解析曲面组成，而由复杂方式自由变化的曲线曲面即所谓的自由曲线曲面组成。例如飞机、汽车、船舶的外形零件。自由曲面元件具有最大的表面形貌自由度，可极大地改善飞机、汽车、船舶等装备的性能，在工业设计领域已经越来越受到人们重视。
但是自由型曲线曲面因不能由画法几何与机械制图表达清楚，给设计、加工和检测提出了更高的要求，随着数控加工技术的日益成熟，克服了自由曲面的设计与加工的难题，但测量却成为限制自由曲面零件广泛应用的瓶颈。自由曲面的在位、在线视觉测量已经越来越受人们重视，快速、准确地对这些自由曲面部件进行三维测量，不仅可以缩短生产周期，还能及时对产品的生产加工过程进行反馈，提高加工精度，对数字化制造有着无可替代的作用。
如果采用传统的三坐标测量机进行测量，则存在测量速度慢、变换实物的装夹位置和测量找正工作量大、测量数据点过少而无法描述实物制造依据外形情况等不足之处。摄影测量、结构光扫描测量等视觉测量手段是近年来发展较快的新型测量技术，具有测量速度快、精度高、现场适应性好等优点，是自由曲面零件三维数字化测量的首选方法。但对自由曲面进行测量时，不但要求能够快速获得设计要素数据，而且需要解决大型实物数据拼接误差累积、细节描述、表面暗或反光、浅刻线等多个难题，单一的测量位姿无法实现自由曲面的高精度测量。而将自由曲面安装在回转轴上转动或将测量传感器安装在机械臂上移动改变测量传感器和自由曲面之间的相对位姿又会引入回转轴的回转误差和机械臂的空间运动误差，导致测量基准的改变，会极大的降低自由曲面的测量精度。
针对现有测量方法中影响测量精度的主要问题，本发明提出了一种基于基准标定板校正位姿的自由曲面测量方法与装置，本发明利用高精度基准标定板作为回转轴和机械臂的空间运动的基准，通过测量基准标定板的位姿变化对回转轴和机械臂运动误差进行实时校正，实现自由曲面多位姿测量过程中的运动误差分离，提高自由曲面的测量精度。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有自由曲面检测技术的不足，提高自由曲面的检测精度，提出一种基于基准标定板校正位姿的自由曲面测量方法与装置。
本发明属于自由曲面测量领域，涉及一种基于基准标定板校正位姿的自由曲面测量方法与装置，解决自由曲面测量过程中存在的回转工作台回转误差和机械臂空间运动误差等问题。
本发明的技术解决方案：基于基准标定板校正位姿的自由曲面测量方法与装置，由以下步骤实现：
步骤一：将自由曲面测量传感器安装在机械臂末端执行器中央，将基准标定板摄像机安装在机械臂末端执行器两侧，通过激光跟踪仪分别测量自由曲面测量传感器和基准标定板摄像机之间的位姿，计算得到基准标定板摄像机相对于自由曲面测量传感器的变换矩阵；
步骤二：将高精度基准标定板安装在回转工作台上，并将被测自由曲面固定安装在基准标定板的表面，将回转工作台和机械臂安装在光学平台上，保证测量过程中回转工作台和机械臂底座之间的相对位姿保持不变，同时降低地表的随机振动对测量过程的影响；
步骤三：使用自由曲面测量传感器采集被测自由曲面的表面高度信息，同时使用基准标定板摄像机采集基准标定板的图像，提取基准标定板图像的特征角点，利用EPnP算法计算此时基准标定板相对于基准标定板摄像机的位姿，得到此时基准标定板相对于基准标定板摄像机的变换矩阵；
步骤四：通过伺服电机带动回转工作台回转或通过机械臂的空间运动改变被测自由曲面与自由曲面测量传感器之间的相对位姿，重复步骤三，使用自由曲面测量传感器采集被测自由曲面不同位姿时的表面高度信息，同时得到被测自由曲面不同位姿时的基准标定板相对于基准标定板摄像机的变换矩阵；
步骤五：利用得到的不同位姿时基准标定板相对于基准标定板摄像机的变换矩阵与回转工作台的回转角度进行数据融合，分离回转工作台的回转角度、轴向跳动和径向跳动等误差或机械臂的空间运动误差，将不同位姿时被测自由曲面的表面高度信息通过坐标变换计算得到多组初始位姿下的被测自由曲面的表面高度信息；
步骤六：将得到的不同位姿时被测自由曲面表面高度信息进行数据融合后拟合出被测自由曲面的整体面型轮廓，求解出被测自由曲面表面轮廓的表征多项式，实现自由曲面的高精度测量。
本发明的基于基准标定板校正位姿的自由曲面测量装置，包括：光学平台、伺服电机、回转工作台、基准标定板、被测自由曲面、自由曲面测量传感器、基准标定板摄像机和机械臂。其中，将自由曲面测量传感器安装在机械臂末端执行器中央，将基准标定板摄像机安装在机械臂末端执行器两侧，高精度基准标定板安装在回转工作台上，并将被测自由曲面固定安装在基准标定板的表面，将回转工作台和机械臂安装在光学平台上，保证测量过程中回转工作台和机械臂底座之间的相对位姿保持不变，同时降低地表的随机振动对测量过程的影响。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：
图1为本发明基于基准标定板校正位姿的自由曲面测量方法与装置的示意图；
图2为本发明基于基准标定板校正位姿的自由曲面测量方法与装置的空间采样位置示意图；
图3为本发明基于基准标定板校正位姿的自由曲面测量方法与装置的基准标定板示意图；
图中标号，1-光学平台，2-伺服电机、3-回转工作台、4-基准标定板、5-被测自由曲面、6-自由曲面测量传感，7-基准标定板摄像机，8-机械臂，9-子孔径采样位置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的基于基准标定板误差校正的自由曲面测量方法与装置，利用高精度基准标定板作为回转轴和机械臂的空间运动的基准，通过测量基准标定板的位姿变化对回转轴和机械臂运动误差进行实时校正，实现自由曲面多位姿测量过程中的运动误差分离，解决自由曲面测量过程中存在的回转工作台回转误差和机械臂空间运动误差等问题，提高自由曲面的测量精度。
实施例1
如图1所示，本发明的基于基准标定板误差校正的自由曲面测量方法与装置，具体包括以下步骤：
步骤一：将自由曲面测量传感器6安装在机械臂8末端执行器中央，将基准标定板摄像机7安装在机械臂8末端执行器两侧，通过激光跟踪仪分别测量自由曲面测量传感器6和基准标定板摄像机7之间的位姿，计算得到基准标定板摄像机7相对于自由曲面测量传感器6的变换矩阵；
步骤二：将高精度基准标定板4安装在回转工作台3上，并将被测自由曲面5固定安装在基准标定板4的表面，将回转工作台3和机械臂8安装在光学平台1上，保证测量过程中回转工作台3和机械臂8底座之间的相对位姿保持不变，同时降低地表的随机振动对测量过程的影响；
步骤三：使用自由曲面测量传感器6采集被测自由曲面5的表面高度信息，同时使用基准标定板摄像机7采集基准标定板4的图像，提取基准标定板4图像的特征角点，利用EPnP算法计算此时基准标定板4相对于基准标定板摄像机7的位姿，得到此时基准标定板4相对于基准标定板摄像机7的变换矩阵；
步骤四：通过伺服电机2带动回转工作台3回转改变被测自由曲面5与自由曲面测量传感器6之间的相对位姿，重复步骤三，使用自由曲面测量传感器6采集被测自由曲面5不同位姿时的表面高度信息，同时得到被测自由曲面不同位姿时的基准标定板4相对于基准标定板摄像机7的变换矩阵；
步骤五：利用得到的不同位姿时基准标定板4相对于基准标定板摄像机7的变换矩阵与回转工作台3的回转角度进行数据融合，分离回转工作台3的回转角度、轴向跳动和径向跳动等误差，将不同位姿时被测自由曲面5的表面高度信息通过坐标变换计算得到初始状态下的被测自由曲面5的表面高度信息；
步骤六：将得到的不同位姿时被测自由曲面5表面信息进行数据融合后拟合出被测自由曲面5的整体面型轮廓，求解出被测自由曲面5表面轮廓的表征多项式，实现自由曲面的高精度测量。
实施例2
如图1和图2所示，本发明的基于基准标定板误差校正的自由曲面测量方法与装置，具体包括以下步骤：
步骤一：将自由曲面测量传感器6安装在机械臂8末端执行器中央，将基准标定板摄像机7安装在机械臂8末端执行器两侧，通过激光跟踪仪分别测量自由曲面测量传感器6和基准标定板摄像机7之间的位姿，计算得到基准标定板摄像机7相对于自由曲面测量传感器6的变换矩阵；
步骤二：将高精度基准标定板4安装在回转工作台3上，并将被测自由曲面5固定安装在基准标定板4的表面，将回转工作台3和机械臂8安装在光学平台1上，保证测量过程中回转工作台3和机械臂8底座之间的相对位姿保持不变，同时降低地表的随机振动对测量过程的影响；
步骤三：使用自由曲面测量传感器6采集被测自由曲面5的表面高度信息，同时使用基准标定板摄像机7采集基准标定板4的图像，提取基准标定板4图像的特征角点，利用EPnP算法计算此时基准标定板4相对于基准标定板摄像机7的位姿，得到此时基准标定板4相对于基准标定板摄像机7的变换矩阵；
步骤四：通过机械臂8带动自由曲面测量传感器6沿如图2所示的子孔径采样位置9进行空间运动，改变被测自由曲面5与自由曲面测量传感器6之间的相对位姿，重复步骤三，使用自由曲面测量传感器6采集被测自由曲面5不同位姿时的表面高度信息，同时得到被测自由曲面不同位姿时的基准标定板4相对于基准标定板摄像机7的变换矩阵；
步骤五：利用得到的不同位姿时基准标定板4相对于基准标定板摄像机7的变换矩阵与回转工作台3的回转角度进行数据融合，分离回转工作台3的回转角度、轴向跳动和径向跳动等误差，将不同位姿时被测自由曲面5的表面高度信息通过坐标变换计算得到初始状态下的被测自由曲面5的表面高度信息；
步骤六：将得到的不同位姿时被测自由曲面5表面信息进行数据拼接后拟合出被测自由曲面5的整体面型轮廓，求解出被测自由曲面5表面轮廓的表征多项式，实现自由曲面的高精度测量。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上进行的改动都是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.基于基准标定板校正位姿的自由曲面测量方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：将自由曲面测量传感器(6)安装在机械臂(8)末端执行器中央，将基准标定板摄像机(7)安装在机械臂(8)末端执行器两侧，通过激光跟踪仪分别测量自由曲面测量传感器(6)和基准标定板摄像机(7)之间的位姿，计算得到基准标定板摄像机(7)相对于自由曲面测量传感器(6)的变换矩阵；
步骤二：将高精度基准标定板(4)安装在回转工作台(3)上，并将被测自由曲面(5)固定安装在基准标定板(4)的表面，将回转工作台(3)和机械臂(8)安装在光学平台(1)上，保证测量过程中回转工作台(3)和机械臂(8)底座之间的相对位姿保持不变，同时降低地表的随机振动对测量过程的影响；
步骤三：使用自由曲面测量传感器(6)采集被测自由曲面(5)的表面高度信息，同时使用基准标定板摄像机(7)采集基准标定板(4)的图像，提取基准标定板(4)图像的特征角点，利用EPnP算法计算此时基准标定板(4)相对于基准标定板摄像机(7)的位姿，得到此时基准标定板(4)相对于基准标定板摄像机(7)的变换矩阵；
步骤四：通过伺服电机(2)带动回转工作台(3)回转或通过机械臂(8)的空间运动改变被测自由曲面(5)与自由曲面测量传感器(6)之间的相对位姿，重复步骤三，使用自由曲面测量传感器(6)采集被测自由曲面(5)不同位姿时的表面高度信息，同时得到被测自由曲面(5)不同位姿时的基准标定板(4)相对于基准标定板摄像机(7)的变换矩阵；
步骤五：利用得到的不同位姿时基准标定板(4)相对于基准标定板摄像机(7)的变换矩阵与回转工作台(3)的回转角度进行数据融合，分离回转工作台(3)的回转角度、轴向跳动和径向跳动等误差，将不同位姿时被测自由曲面(5)的表面高度信息通过坐标变换计算得到初始状态下的被测自由曲面(5)的表面高度信息；
步骤六：将得到的不同位姿时被测自由曲面(5)表面信息进行数据融合后拟合出被测自由曲面(5)的整体面型轮廓，求解出被测自由曲面(5)表面轮廓的表征多项式，实现自由曲面的高精度测量。
2.如权利要求1所述的基于基准标定板校正位姿的自由曲面测量方法与装置，其特征在于，基于基准标定板(4)的位姿校正方法，通过基准标定板摄像机(7)采集基准标定板(4)的图像，计算基准标定板(4)相对于基准标定板摄像机(7)的位姿，分离回转工作台(3)的回转角度、轴向跳动和径向跳动误差，为被测自由曲面(5)表面信息数据融合提供基准，提高被测自由曲面(5)表面信息数据融合的精度。
3.如权利要求1所述的基于基准标定板校正位姿的自由曲面测量方法与，其特征在于，基于基准标定板(4)的位姿校正方法，通过基准标定板摄像机(7)采集基准标定板(4)的图像，计算基准标定板(4)相对于基准标定板摄像机(7)的位姿，分离机械臂(8)的空间运动误差，为被测自由曲面(5)表面信息数据拼接提供基准，提高被测自由曲面(5)表面信息数据拼接的精度。
4.基于基准标定板校正位姿的自由曲面测量装置，其特征在于包括：光学平台(1)、伺服电机(2)、回转工作台(3)、基准标定板(4)、被测自由曲面(5)、自由曲面测量传感器(6)、基准标定板摄像机(7)和机械臂(8)。其中，将自由曲面测量传感器(6)安装在机械臂(8)末端执行器中央，将基准标定板摄像机(7)安装在机械臂(8)末端执行器两侧，高精度基准标定板(4)安装在回转工作台(3)上，并将被测自由曲面(5)固定安装在基准标定板(4)的表面，将回转工作台(3)和机械臂(8)安装在光学平台(1)上，保证测量过程中回转工作台(3)和机械臂(8)底座之间的相对位姿保持不变，同时降低地表的随机振动对测量过程的影响。
5.如权利要求4所述的基于基准标定板校正位姿的自由曲面测量装置，其特征在于，将基准标定板(4)的位姿作为基准，通过基准标定板摄像机(7)采集基准标定板(4)的图像，计算基准标定板(4)相对于基准标定板摄像机(7)的位姿，分离回转工作台(3)和机械臂(8)的空间运动误差。
6.如权利要求4所述的基于基准标定板校正位姿的自由曲面测量装置，其特征在于，本装置的自由曲面测量方式包括：回转工作台(3)扫描和机械臂(8)扫描；回转工作台扫描(3)利用伺服电机(2)带动回转工作台(3)回转，改变被测自由曲面(5)与自由曲面测量传感器(6)之间的相对位姿，实现自由曲面的多位姿表面高度数据融合测量；机械臂(8)扫描通过机械臂(8)带动自由曲面测量传感器(6)沿如图3所示的子孔径采样位置(9)进行空间运动，改变被测自由曲面(5)与自由曲面测量传感器(6)之间的相对位姿，实现自由曲面的多位姿表面高度数据拼接测量。
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