CN110672029A - 大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于复杂曲面测量技术领域，提供了一种大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统，所述系统包括：光感扫描跟踪装置，用于采集具有复杂曲面物体的被测区域表面的局部三维点云数据，该光感扫描跟踪装置固定于所述机器人的末端；若干点云空间位姿跟踪单元，其包括驱动机构、传动机构、基座及激光跟踪靶标，用于获取点云位姿，并转换到光感扫描跟踪装置坐标系统下处理分析；所述空间位姿跟踪单元设于所述机器人末端；机器人，用于搭载所述光感扫描跟踪装置及空间位姿跟踪单元，用于对复杂曲面进行摄像及数据测量获取；移动平台，用于搭载所述机器人，根据控制指令移动所述机器人。借此，本发明灵活性高，能实现复杂曲面的在线高效测量。

Description

大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统

技术领域

本发明涉及大型复杂曲面测量技术领域，尤其涉及一种大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统。

背景技术

大型复杂曲面构件，如航空结构件、大型风电叶片、高铁车体结构件等，在航空航天、能源和交通等领域有着广泛应用，其形状复杂，成形精度控制难度高，对其整体型面进行完整的三维测量和精度分析，可为其成形工艺优化提供基础的测量数据，对提高复杂零件的成形精度具有至关重要的作用。这些曲面一般具有尺寸巨大、形状复杂的特点，针对这些特性，提供一种大型复杂曲面三维形貌快速高精度的自动化测量方法就显得尤为重要。

传统的大型曲面复杂构件测量方法主要有：专用夹具检测、三坐标测量机、激光跟踪仪以及摄影测量等。这些方法都存在各自的局限性，如专用夹具检测只能对零件的关键位置尺寸进行检测且不具有通用性；三坐标测量机测量精度高但是属于接触式测量方法，测量效率低且测量范围不大；激光跟踪仪测量的测量范围大但只能逐点测量，测量效率不高；摄影测量需要在被测对象表面粘贴大量标记点且只能得到稀疏数据，无法完成零件整体型面的三维测量和精度分析，因此难以为成形工艺优化提供完整全面的数据支持。

为了获取零件表面完整的三维型面数据，近年来以面结构光三维测量技术和手持激光三维测量技术为代表的光学三维测量技术发展迅速，并在锻造、铸造、钣金等多个材料加工领域得到广泛应用，取得了良好的应用效果。光学三维扫描虽然是一种精确且高效的表面三维数据获取方式，然而由于受到测量范围的限制，此类光学三维测量技术单次测量只能得到零件表面的局部三维点云数据。为了获取零件表面完整的三维数据，需要在测量过程中不断变换测量设备的空间位姿，将不同视点下测量得到的局部三维数据拼接融合到统一的坐标系中。因而，全局定位与局部测量的组合方式成为新的趋势。

综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

发明内容

针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统，其灵活性高，能实现在线高效测量。

为了实现上述目的，本发明提供一种大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统，所述系统包括：

光感扫描跟踪装置，用于采集具有复杂曲面物体的被测区域表面的局部三维点云数据，该光感扫描跟踪装置固定于所述机器人的末端；

若干点云空间位姿跟踪单元，其包括驱动机构、传动机构、基座及激光跟踪靶标，用于获取点云位姿，并转换到光感扫描跟踪装置坐标系统下处理分析；所述空间位姿跟踪单元设于所述机器人末端；

机器人，用于搭载所述光感扫描跟踪装置及空间位姿跟踪单元，用于对复杂曲面进行摄像及数据测量获取；

移动平台，用于搭载所述机器人，根据控制指令移动所述机器人。

根据本发明的大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统，所述光感扫描跟踪装置包括：

设置模块，用于在复杂曲面上设置测量点和编码点；所述测量点和编码点的反光率高于所述曲面的反光率，设置基准尺，所述基准尺的两端设置有测量点；

影象获取模块，用于对包括曲面上的测量点、编码点和基准尺上的测量点进行拍摄，获取曲面表面及基准尺的数字影像信息；

计算处理模块，用于根据获取的测量点影像信息进行拟合处理计算，得到被测复杂曲面上所有测量点和编码点的三维坐标值；

定位点处理模块，用于将测量点和编码点的三维坐标值导入三维扫描模块，并将三维坐标值设定为三维扫描仪的定位点；

三维扫描模块，用于对复杂曲面的轮廓进行扫描，得到复杂曲面上的点云坐标值。

根据本发明的大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统，所述激光跟踪靶标至少包括三个3个定位靶标和不少于3个跟踪靶标。

本发明还提供一种大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量方法，至少包括以下步骤：

通过光感扫描跟踪装置采集具有复杂曲面物体的被测区域表面的局部三维点云数据，该光感扫描跟踪装置固定于所述机器人的末端；

通过若干点云空间位姿跟踪单元，其包括驱动机构、传动机构、基座及激光跟踪靶标，用于获取点云位姿，并转换到光感扫描跟踪装置坐标系统下处理分析；所述空间位姿跟踪单元设于所述机器人末端；

通过机器人搭载所述光感扫描跟踪装置及空间位姿跟踪单元，用于对复杂曲面进行摄像及数据测量获取；

通过移动平台搭载所述机器人，根据控制指令移动所述机器人。

根据本发明的大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量方法，所述通过光感扫描跟踪装置采集具有复杂曲面物体的被测区域表面的局部三维点云数据步骤包括：

在复杂曲面上设置测量点和编码点；所述测量点和编码点的反光率高于所述曲面的反光率，设置基准尺，所述基准尺的两端设置有测量点；

对包括曲面上的测量点、编码点和基准尺上的测量点进行拍摄，获取曲面表面及基准尺的数字影像信息；

根据获取的测量点影像信息进行拟合处理计算，得到被测复杂曲面上所有测量点和编码点的三维坐标值；

将测量点和编码点的三维坐标值导入三维扫描模块，并将三维坐标值设定为三维扫描仪的定位点；

对复杂曲面的轮廓进行扫描，得到复杂曲面上的点云坐标值。

本发明适用于复杂曲面测量技术领域，提供了一种大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统，所述系统包括：光感扫描跟踪装置，用于采集具有复杂曲面物体的被测区域表面的局部三维点云数据，该光感扫描跟踪装置固定于所述机器人的末端；若干点云空间位姿跟踪单元，其包括驱动机构、传动机构、基座及激光跟踪靶标，用于获取点云位姿，并转换到光感扫描跟踪装置坐标系统下处理分析；所述空间位姿跟踪单元设于所述机器人末端；机器人，用于搭载所述光感扫描跟踪装置及空间位姿跟踪单元，用于对复杂曲面进行摄像及数据测量获取；移动平台，用于搭载所述机器人，根据控制指令移动所述机器人。借此，本发明灵活性高，能实现复杂曲面的在线高效测量。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明一实施例的光感扫描跟踪装置结构示意图；

图3是本发明的方法流程图；

图4是本发明一实施例的数据处理方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明提供了一种大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统，所述系统包括：

光感扫描跟踪装置10，用于采集具有复杂曲面物体的被测区域表面的局部三维点云数据，该光感扫描跟踪装置固定于所述机器人的末端。一般实施例中，若干点云空间位姿跟踪单元20，其包括驱动机构、传动机构、基座及激光跟踪靶标，用于获取点云位姿，并转换到光感扫描跟踪装置坐标系统下处理分析；所述空间位姿跟踪单元设于所述机器人末端。为保证数据采集的全面性，本发明采用的激光跟踪靶标至少包括三个定位靶标和本个跟踪靶标。当然，根据实际的使用场景，用户可以设置其它适当数量的靶标。

机器人30，用于搭载所述光感扫描跟踪装置及空间位姿跟踪单元，用于对复杂曲面进行摄像及数据测量获取；

移动平台40，用于搭载所述机器人，根据控制指令移动所述机器人。

一实施例中，结合图2，光感扫描跟踪装置10包括：

设置模块11，用于在复杂曲面上设置测量点和编码点；所述测量点和编码点的反光率高于所述曲面的反光率，设置基准尺，所述基准尺的两端设置有测量点；

影象获取模块12，用于对包括曲面上的测量点、编码点和基准尺上的测量点进行拍摄，获取曲面表面及基准尺的数字影像信息；

计算处理模块13，用于根据获取的测量点影像信息进行拟合处理计算，得到被测复杂曲面上所有测量点和编码点的三维坐标值；

定位点处理模块14，用于将测量点和编码点的三维坐标值导入三维扫描模块，并将三维坐标值设定为三维扫描仪的定位点；

三维扫描模块15，用于对复杂曲面的轮廓进行扫描，得到复杂曲面上的点云坐标值。

再参见图3，本发明提供了一种大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量方法，其通过如图1所示的系统实现，具体的，该方法包括：

步骤S301，通过光感扫描跟踪装置采集具有复杂曲面物体的被测区域表面的局部三维点云数据，该光感扫描跟踪装置固定于所述机器人的末端；

步骤S302，通过若干点云空间位姿跟踪单元，其包括驱动机构、传动机构、基座及激光跟踪靶标，用于获取点云位姿，并转换到光感扫描跟踪装置坐标系统下处理分析；所述空间位姿跟踪单元设于所述机器人末端；

步骤S303，通过机器人搭载所述光感扫描跟踪装置及空间位姿跟踪单元，用于对复杂曲面进行摄像及数据测量获取；

步骤S304，通过移动平台搭载所述机器人，根据控制指令移动所述机器人。

基于上述方法，本发明可以针对较大型的复杂曲面进行数据测量，获取其参数，从而对曲面性进行分析。

一优选实施例中，结合图4，步骤S301具体包括：

步骤S3011，在复杂曲面上设置测量点和编码点；所述测量点和编码点的反光率高于所述曲面的反光率，设置基准尺，所述基准尺的两端设置有测量点；

步骤S3012，对包括曲面上的测量点、编码点和基准尺上的测量点进行拍摄，获取曲面表面及基准尺的数字影像信息；

步骤S3013，根据获取的测量点影像信息进行拟合处理计算，得到被测复杂曲面上所有测量点和编码点的三维坐标值；

步骤S3014，将测量点和编码点的三维坐标值导入三维扫描模块，并将三维坐标值设定为三维扫描仪的定位点；

步骤S3015，对复杂曲面的轮廓进行扫描，得到复杂曲面上的点云坐标值。

综上所述，本发明适用于复杂曲面测量技术领域，提供了一种大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统，所述系统包括：光感扫描跟踪装置，用于采集具有复杂曲面物体的被测区域表面的局部三维点云数据，该光感扫描跟踪装置固定于所述机器人的末端；若干点云空间位姿跟踪单元，其包括驱动机构、传动机构、基座及激光跟踪靶标，用于获取点云位姿，并转换到光感扫描跟踪装置坐标系统下处理分析；所述空间位姿跟踪单元设于所述机器人末端；机器人，用于搭载所述光感扫描跟踪装置及空间位姿跟踪单元，用于对复杂曲面进行摄像及数据测量获取；移动平台，用于搭载所述机器人，根据控制指令移动所述机器人。借此，本发明灵活性高，能实现复杂曲面的在线高效测量。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统，其特征在于，所述系统包括：

光感扫描跟踪装置，用于采集具有复杂曲面物体的被测区域表面的局部三维点云数据，该光感扫描跟踪装置固定于所述机器人的末端；

若干点云空间位姿跟踪单元，其包括驱动机构、传动机构、基座及激光跟踪靶标，用于获取点云位姿，并转换到光感扫描跟踪装置坐标系统下处理分析；所述空间位姿跟踪单元设于所述机器人末端；

机器人，用于搭载所述光感扫描跟踪装置及空间位姿跟踪单元，用于对复杂曲面进行摄像及数据测量获取；

移动平台，用于搭载所述机器人，根据控制指令移动所述机器人。

2.根据权利要求1所述的大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统，其特征在于，所述光感扫描跟踪装置包括：

设置模块，用于在复杂曲面上设置测量点和编码点；所述测量点和编码点的反光率高于所述曲面的反光率，设置基准尺，所述基准尺的两端设置有测量点；

影象获取模块，用于对包括曲面上的测量点、编码点和基准尺上的测量点进行拍摄，获取曲面表面及基准尺的数字影像信息；

计算处理模块，用于根据获取的测量点影像信息进行拟合处理计算，得到被测复杂曲面上所有测量点和编码点的三维坐标值；

定位点处理模块，用于将测量点和编码点的三维坐标值导入三维扫描模块，并将三维坐标值设定为三维扫描仪的定位点；

三维扫描模块，用于对复杂曲面的轮廓进行扫描，得到复杂曲面上的点云坐标值。

3.根据权利要求1所述的大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量系统，其特征在于，所述激光跟踪靶标至少包括三个3个定位靶标和不少于3个跟踪靶标。

4.一种大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

通过光感扫描跟踪装置采集具有复杂曲面物体的被测区域表面的局部三维点云数据，该光感扫描跟踪装置固定于所述机器人的末端；

设置若干点云空间位姿跟踪单元，其包括驱动机构、传动机构、基座及激光跟踪靶标，用于获取点云位姿，并转换到光感扫描跟踪装置坐标系统下处理分析；所述空间位姿跟踪单元设于所述机器人末端；

通过机器人搭载所述光感扫描跟踪装置及空间位姿跟踪单元，用于对复杂曲面进行摄像及数据测量获取；

通过移动平台搭载所述机器人，根据控制指令移动所述机器人。

5.根据权利要求4所述的大型复杂曲面三维形貌机器人柔性测量方法，其特征在于，所述通过光感扫描跟踪装置采集具有复杂曲面物体的被测区域表面的局部三维点云数据步骤包括：

在复杂曲面上设置测量点和编码点；所述测量点和编码点的反光率高于所述曲面的反光率，设置基准尺，所述基准尺的两端设置有测量点；

对包括曲面上的测量点、编码点和基准尺上的测量点进行拍摄，获取曲面表面及基准尺的数字影像信息；

根据获取的测量点影像信息进行拟合处理计算，得到被测复杂曲面上所有测量点和编码点的三维坐标值；

将测量点和编码点的三维坐标值导入三维扫描模块，并将三维坐标值设定为三维扫描仪的定位点；

对复杂曲面的轮廓进行扫描，得到复杂曲面上的点云坐标值。

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