CN111376272B - 用于壳体结构三维扫描过程的机器人测量路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于壳体结构三维扫描过程的机器人测量路径规划方法，包括如下步骤：确定壳体结构、机器人和扫描设备的相关参数；当机器人运动至扫描设备的测量范围内时，修正机器人的姿态、运动方向；扫描壳体结构且监控、修正扫描设备的扫描姿态和扫描方向；当识别到壳体结构的测量范围存在边缘点时，沿壳体结构的轴线方向扫描测量；当边缘点构成闭合曲线且重叠率大于设定的第一阈值时，结束机器人的路径规划。该机器人测量路径规划方法的目的是解决机器人扫描过程中测量效率低的问题。

Description

用于壳体结构三维扫描过程的机器人测量路径规划方法

技术领域

本发明属于机器人应用技术领域，具体涉及一种用于壳体结构三维扫描过程的机器人测量路径规划方法。

背景技术

机器人在搬运、喷涂、生产、装配、测量等方面有着十分广泛的应用，其多轴结构、多自由度及运动学方程多解、局部工作空间受限等特性使得机器人作业过程的路径规划成为一项必要需求。通过机器人夹持测量设备对零部件外形进行检测时，需要考虑机器人在移动过程中测量设备与被测物件的角度、距离等因素，相比机器人的定位精度，机器人的运动路径才是提高测量效率和精度的主要依据。

机器人激光三维扫描系统主要由六轴机器人、双目光学跟踪仪、激光扫描仪、变位机构和其他扫描辅助配件组成，将激光扫描仪固定在机器人末端执行自动扫描工作，双目光学跟踪仪架设在机器人和变位机构前方，通过仪器上左右平行对齐的摄像跟踪系统定位扫描头，通过三角测量的方法将激光扫描仪匹配点视差情况转变为深度，从而实时获取其位置信息。

机器人的扫描运动轨迹程序一般通过DELMIA(Digital Enterprise LeanManufacturing Interactive Application，数字化企业的互动制造应用)软件的Robotics模块离线生成，根据待测产品的外形特征，控制机器人末端的激光扫描仪行走位置，生成路径结点标签，DELMIA软件会自动存储tag点并生成列表。在建立标签点时需要考虑机器人的可达域，视觉传感器的视场范围等因素。

现有的机器人扫描路径的规划主要依据仿真软件进行手动设置，对于批量生产且外形较为复杂的产品，具有较大的优势，而对于航空、航天部件小批量零部件，则效率相对低下。现有三维扫描设备的主要结构为手持式和关节臂，其工作方式依靠手工操作。由于扫描过程要求设备与被测物体保持一定的距离和角度，且为保证整个表面的完全测量，对手工操作的规范与合理性要求较高，且存在漏测、测量无效等问题，因此测量效率较低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是机器人扫描过程中测量效率低。

(二)技术方案

根据本发明提供了一种用于壳体结构三维扫描过程的机器人测量路径规划方法，包括如下步骤：

确定壳体结构、机器人和扫描设备的相关参数；

当所述机器人运动至所述扫描设备的测量范围内时，修正所述机器人的姿态、运动方向；

扫描所述壳体结构且监控、修正所述扫描设备的扫描姿态和扫描方向；

当识别到所述壳体结构的测量范围存在边缘点时，沿所述壳体结构的轴线方向扫描测量；

当所述边缘点构成闭合曲线且重叠率大于设定的第一阈值时，结束所述机器人的路径规划。

可选的，所述确定壳体结构、机器人和扫描设备的相关参数，具体包括：

确定所述扫描设备的景深范围、单次测量点数量、测量宽度范围和扫描采样频率；以及，

确定所述壳体结构的半径范围、长度；和，

确定所述机器人的自由度限制。

可选的，所述当识别到所述壳体结构的测量范围存在边缘点时，沿所述壳体结构的轴线方向扫描测量，具体包括以下步骤：

当识别到所述壳体结构的测量范围存在边缘点时，确定所述边缘点的位置；

沿所述壳体结构的周向进行调整；

当满足设定重叠率时，沿所述壳体结构的轴线方向扫描测量。

可选的，所述重叠率为σ＝n/N，其中，N为测量点的总数量，n为已测量点的数量。

可选的，所述当识别到所述壳体结构的测量范围存在边缘点时，确定所述边缘点的位置，具体包括以下步骤：

获取当前测量点的数量，计算测量点占比；其中，所述占比为rate＝N₁/N₀，N₁为所述当前测量点的数量，N₀为所述扫描设备的单次最大测量点的数量；

当所述占比小于设定的第二阈值时，确定所述当前测量点的端点为所述边缘点。

可选的，所述当所述占比小于设定的第二阈值时，确定所述当前测量点的端点为所述边缘点，具体包括以下步骤：

当所述占比小于所述设定的第二阈值时，确定部分所述当前测量点处于边界外；

当第一测量点P与任意两个测量点M₁、N₁之间满足

确定所述第一测量点P为所述当前测量点组成的线段的第一端点；

当确定第二测量点Q为所述当前测量点组成的线段的第二端点时，以所述第一测量点P和所述第二测量点Q为中心、半径为r的圆周区域内存在任意两个测量点M₂、N₂，满足

确定所述第二测量点Q为所述边缘点。

修正所述扫描设备的扫描姿态和扫描方向所述扫描所述壳体结构且监控、修正所述扫描设备的扫描姿态和扫描方向，包括：

修正所述扫描方向的圆周方向；其中，所述圆周方向依据所述重叠率修正；

可选的，修正所述扫描设备的扫描方向还包括修正所述扫描方向的轴线方向，具体包括以下步骤：

拟合返回测量点为拟合圆；

对比所述返回测量点与已测边界，形成当前测量方向与历史测量方向的第一夹角；

依据所述拟合圆和所述第一夹角共同修正所述轴线方向上的扫描路径。

可选的，所述拟合返回测量点为拟合圆，具体包括以下步骤：

将当前测量点通过数值计算成m阶曲线，将已测端点计算成n阶曲线；

联立m阶曲线和n阶曲线，求解所述m阶曲线和所述n阶曲线的交点S；

在所述已测端点中获取以所述交点S为圆心、半径为R的圆周区域内的点；在所述当前测量点中获取以所述交点S为圆心、所述半径为R的圆周区域内的点。

可选的，所述第一阈值为99.5％。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明提供的机器人测量路径规划方法依据当前测量点模型以及比较当前测量点与历史测量点的位置关系，规划路径并调整姿态，当测量范围包含被测结构边界时自动识别边界方向，并调整路径，最终在满足扫描设备的条件下能完整扫描整个壳体零件；该路径规划方法可以减少机器人路径规划的人工参与度，利用测量点本身坐标及壳体结构的自身规律特性自动调整扫描距离、姿态和法矢，提高了机器人作业过程的自动化程度，提高了三维扫描测量效率和准确度。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于壳体结构三维扫描过程的机器人测量路径规划方法的流程示意图；

图2为本发明提供的另一用于壳体结构三维扫描过程的机器人测量路径规划方法的流程示意图；

图3a为本发明提供的机器人测量路径规划方法中获取当前测量点的中间点的示意图；

图3b为本发明提供的机器人测量路径规划方法中获取当前测量点的端点的示意图；

图4为本发明提供的机器人测量路径规划方法中获取边缘点的示意图；

图5为本发明提供的机器人测量路径规划方法中曲线拟合的示意图；

图6为本发明提供的机器人测量路径规划方法中获取景深调整角的示意图；

图7为本发明提供的机器人测量路径规划方法中获取γ角的示意图。

图中：A、边界外；B、待测区；C、已测区。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

现有三维扫描设备的主要结构为手持式和关节臂，其工作方式依靠手工操作。由于扫描过程要求设备与被测物体保持一定的距离和角度，且为保证整个表面的完全测量，对手工操作的规范与合理性要求较高，且存在漏测、测量无效等问题，因此测量效率较低。

基于机器人和自动转台的扫描方式多用于自动化生产线上，测量前需根据被测产品的外形设计测量路径，测量路径规划依靠手工进行，主要依据外形分段设计起始点和结束点，以及该段路径的直线或曲线路径，在保证完全覆盖和一定景深要求和角度要求的条件下，完成整个扫描路径的手动编辑。

壳体结构扫描路径的自动规划是在具有一定规律特性的结构上，依据扫描头返回的数据计算景深、角度和方向，并按一定的路径规则对壳体进行扫描，且具备边缘识别功能，在边界范围内进行扫描方向的转变，保证测量的全面性和完整性，省去扫描路径的手动规划过程，提高测量效率和测量精度。

如图1所示，根据本发明实施例提供了一种用于壳体结构三维扫描过程的机器人测量路径规划方法，包括如下步骤：

S100、确定壳体结构、机器人和扫描设备的相关参数；

S200、当机器人运动至扫描设备的测量范围内时，修正机器人的姿态、运动方向；

S300、扫描壳体结构且监控、修正扫描设备的扫描姿态和扫描方向；

S400、当识别到壳体结构的测量范围存在边缘点时，沿壳体结构的轴线方向扫描测量；

S500、当边缘点构成闭合曲线且重叠率大于设定的第一阈值时，结束机器人的路径规划。

在该实施方式中，对于光栅式线扫描系统，在扫描设备安装时，保证当机器人第六轴为零度时，扫描线(密集离散点)与Z轴的角度不大于±1°。在满足扫描设备景深、角度约束的条件下，返回测量点坐标值，依据当前测量点模型以及比较当前测量点与历史测量点的位置关系，规划路径并调整姿态、修正景深，当测量范围包含被测结构边界时自动识别边界方向，并调整路径，最终在满足扫描设备的条件下能完整扫描整个壳体零件。

在一些可选的实施例中，在步骤S100中，确定壳体结构、机器人和扫描设备的相关参数，具体包括：

确定扫描设备的景深范围、单次测量点数量、测量宽度范围和扫描采样频率；以及，

确定壳体结构的半径范围、长度；和，

确定机器人的自由度限制。

在该实施方式中，扫描设备的景深范围为(H₁，H₂)，H₁为扫描设备与被测物体之间保持的最小距离，H₂为扫描设备与被测物体之间的最大距离，N₀为单次最大测量点数量；壳体结构的半径范围(R₁，R₂)，R₁为最小半径，R₂为最大半径，最大长度为L；机器人末端姿态限制α不大于arctan[(R₂-R₁)/L]+10°；以及相关机器人运动参数等。

在一些可选的实施例中，在步骤S400中，当识别到所述壳体结构的测量范围存在边缘点时，沿壳体结构的轴线方向扫描测量，具体包括以下步骤：

S401、当识别到壳体结构的测量范围存在边缘点时，确定边缘点的位置；

S402、沿壳体结构的周向进行调整；

S403、当满足设定重叠率时，沿壳体结构的轴线方向扫描测量。

在该实施方式中，返回当前测量点个数N₁，计算测量点占比rate＝N₁/N₀，N₀为扫描设备单次最大测量点数量；当占比rate小于阈值95％时，表明部分测量点处于边界外，提取端点作为边缘点。

如图2所示，根据本发明实施例提供了另一用于壳体结构三维扫描过程的机器人测量路径规划方法，包括如下步骤：

S201、确定壳体结构、机器人和扫描设备的相关参数；

S202、当机器人运动至扫描设备的测量范围内时，修正机器人的姿态、运动方向；

S203、扫描壳体结构且监控、修正扫描设备的扫描姿态和扫描方向；

S204、当识别到壳体结构的测量范围存在边缘点时，确定边缘点的位置；

S205、沿壳体结构的周向进行调整；

S206、当满足设定重叠率时，沿壳体结构的轴线方向扫描测量；

S207、当边缘点构成闭合曲线且重叠率大于99.5％时，结束机器人的路径规划。

在一些可选的实施例中，所述重叠率为σ＝n/N，其中，N为测量点的总数量，n为已测量点的数量。

在该实施方式中，获取当前测量点的总数量N，及测量值P_i(X_i，Y_i，Z_i)(0<i<N)；

其次，进行对已测点进行初步筛选，筛选条件为Q_j满足P_iQ_j的距离小于阈值d_max；

重复进行对已测点进行初步筛选，记录满足筛选条件的当前测量点个数n；

当重叠率小于阈值γ时，表明漏测，即测量点全部落在待测区域，未形成重叠区域。重叠率越大，表明本次测量点落在已测区域的数量多，落在待测区域的数量少，因此测量效率越低。

对于重叠率σ的调整具体为：

为已测部分，

为待测区域，

为最后一次测量区域，其光栅位置为

激光器的零点为O点；

为下一次待测区域，其光栅位置为

激光器的零点为O′点。

与

是直径为r₁的圆上的等长弦，O点、O′点是半径为r₂的圆上的点；

为了保证一定的重叠率σ，

与

的重叠区域为

则从

到

之间夹角为：

在一些可选的实施例中，在步骤S401中，当识别到壳体结构的测量范围存在边缘点时，确定边缘点的位置，具体包括以下步骤：

S4011、获取当前测量点的数量，计算测量点占比；其中，占比为rate＝N₁/N₀，N₁为当前测量点的数量，N₀为扫描设备的单次最大测量点的数量；

S4012、当占比小于设定的第二阈值时，确定当前测量点的端点为边缘点。

需要说明的是，设定的第一阈值参考范围为97.5-99.5％；第二阈值参考范围为93-95％。在一些可选的实施例中，如图3a、3b所示，当占比小于设定的第二阈值时，确定当前测量点的端点为边缘点，具体包括以下步骤：

设定的第二阈值为95％，当占比小于设定的第二阈值95％时，确定部分当前测量点处于边界外；

如图3a、3b所示，当第一测量点P与任意两个测量点M₁、N₁之间满足

确定第一测量点P为当前测量点组成的线段的第一端点；

如图4所示，当确定第二测量点Q为当前测量点组成的线段的第二端点时，以第一测量点P和第二测量点Q为中心、半径为r的圆周区域内存在任意两个测量点M₂、N₂，满足

确定第二测量点Q为边缘点。

修正扫描设备的扫描姿态和扫描方向扫描壳体结构且监控、修正扫描设备的扫描姿态和扫描方向，包括：

修正扫描方向的圆周方向；其中，圆周方向依据重叠率修正；

在一些可选的实施例中，修正扫描设备的扫描方向还包括修正扫描方向的轴线方向，具体包括以下步骤：

拟合返回测量点为拟合圆；

对比返回测量点与已测边界，形成当前测量方向与历史测量方向的第一夹角；

依据拟合圆和第一夹角共同修正轴线方向上的扫描路径。

在一些可选的实施例中，拟合返回测量点为拟合圆，具体包括以下步骤：

将当前测量点通过数值计算成m阶曲线，将已测端点计算成n阶曲线；

联立m阶曲线和n阶曲线，求解m阶曲线和n阶曲线的交点S；

在已测端点中获取以交点S为圆心、半径为R的圆周区域内的点；在当前测量点中获取以交点S为圆心、半径为R的圆周区域内的点。

具体地，如图5-7所示，扫描方向的检测与修正包括以下步骤：

①曲线拟合：将当前的测量值通过数值计算成m阶曲线，将已测端点的测量值计算成n阶曲线；

②交点求解：联立m阶曲线和n阶曲线，求解交点S；

③在已测端点中获取以交点S为圆心、半径为R的圆周区域内的点：P1、P2…Pi；在当前测量点中获取以交点S为圆心、半径为R的圆周区域内的点：Q1、Q2…Qj；

④将点P1、P2…Pi拟合成直线PP′,将点Q1、Q2…Qj拟合成直线QQ′,直线PP′与直线QQ′的夹角为90°-α(α为锐角)，则α为平行于扫描方向的调整量角度调整量；

⑤P点、Q点为当前测量线段的端点，O点为测量设备的零点，M点和N点为光栅位置，根据激光测量原理三角形△OMN为等腰三角形，当MP长度大于NQ表明，径向角度偏大，为调整测量角度，同时在测量时保证最佳景深H要求，则以P点和Q点为圆心分别作景深H的圆，两圆的交点为S，光栅位置M′N′过S点，O′点为调整后设备的零点。MN与M′N′的夹角为景深调整角，即绕轴线的调整β角。

⑥绕Z轴的γ角：剩余γ角为扇形激光平面O′PQ与平面O′MN之间的角度，当调整完设备的α和β角后，平面O′MN与坐标系的YOZ面平行。

将PQ线段中间的测量点拟合成平面O′PQ的方程为：Ax+By+Cz+D＝0，法向量n＝(A，B，C)；

平面O′MN的方程：A′x+D′＝0，法向量s＝(A′，0，0)；

γ角可表示为：

在一些可选的实施例中，第一阈值为99.5％。当边缘点构成闭合曲线时，且测量点的重叠率大于99.5％时，判定系统完成整体扫描，终止运动和测量。

本发明实施例提供的用于壳体结构三维扫描过程的机器人测量路径自动规划方法的技术效果为：

(1)自动调整机器人姿态和位置，保证扫描设备在测量过程中处于较优的状态；

(2)自动识别边缘并调整扫描路径，且在考虑一定的扫描重叠条件下完成壳体结构内的型面扫描；

(3)实现自动化路径规划，消除手动规划工作量和误差，提高测量效率和测量精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于壳体结构三维扫描过程的机器人测量路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

确定壳体结构、机器人和扫描设备的相关参数；

当所述机器人运动至所述扫描设备的测量范围内时，修正所述机器人的姿态、运动方向；

扫描所述壳体结构且监控、修正所述扫描设备的扫描姿态和扫描方向；

当识别到所述壳体结构的测量范围存在边缘点时，沿所述壳体结构的轴线方向扫描测量；

当所述边缘点构成闭合曲线且重叠率大于设定的第一阈值时，结束所述机器人的路径规划；

所述当识别到所述壳体结构的测量范围存在边缘点时，沿所述壳体结构的轴线方向扫描测量，具体包括以下步骤：

当识别到所述壳体结构的测量范围存在边缘点时，确定所述边缘点的位置；

沿所述壳体结构的周向进行调整；

当满足设定重叠率时，沿所述壳体结构的轴线方向扫描测量；

所述当识别到所述壳体结构的测量范围存在边缘点时，确定所述边缘点的位置，具体包括以下步骤：

获取当前测量点的数量，计算测量点占比；其中，所述占比为rate＝N₁/N₀，N₁为所述当前测量点的数量，N₀为所述扫描设备的单次最大测量点的数量；

当所述占比小于设定的第二阈值时，确定所述当前测量点的端点为所述边缘点。

2.根据权利要求1所述的机器人测量路径规划方法，其特征在于，所述确定壳体结构、机器人和扫描设备的相关参数，具体包括：

确定所述扫描设备的景深范围、单次测量点数量、测量宽度范围和扫描采样频率；以及，

确定所述壳体结构的半径范围、长度；和，

确定所述机器人的自由度限制。

3.根据权利要求1所述的机器人测量路径规划方法，其特征在于，所述重叠率为σ＝n/N，其中，N为测量点的总数量，n为已测量点的数量。

4.根据权利要求1所述的机器人测量路径规划方法，其特征在于，所述当所述占比小于设定的第二阈值时，确定所述当前测量点的端点为所述边缘点，具体包括以下步骤：

当所述占比小于所述设定的第二阈值时，确定部分所述当前测量点处于边界外；

当第一测量点P与任意两个测量点M₁、N₁之间满足

确定所述第一测量点P为所述当前测量点组成的线段的第一端点；

当确定第二测量点Q为所述当前测量点组成的线段的第二端点时，以所述第一测量点P和所述第二测量点Q为中心、半径为r的圆周区域内存在任意两个测量点M₂、N₂，满足

确定所述第二测量点Q为所述边缘点。

5.根据权利要求1所述的机器人测量路径规划方法，其特征在于，所述扫描所述壳体结构且监控、修正所述扫描设备的扫描姿态和扫描方向，包括：

修正所述扫描方向的圆周方向；其中，所述圆周方向依据所述重叠率修正。

6.根据权利要求5所述的机器人测量路径规划方法，其特征在于，还包括修正所述扫描方向的轴线方向，具体包括以下步骤：

拟合返回测量点为拟合圆；

对比所述返回测量点与已测边界，形成当前测量方向与历史测量方向的第一夹角；

依据所述拟合圆和所述第一夹角共同修正所述轴线方向上的扫描路径。

7.根据权利要求6所述的机器人测量路径规划方法，其特征在于，所述拟合返回测量点为拟合圆，具体包括以下步骤：

将当前测量点通过数值计算成m阶曲线，将已测端点计算成n阶曲线；

联立m阶曲线和n阶曲线，求解所述m阶曲线和所述n阶曲线的交点S；

在所述已测端点中获取以所述交点S为圆心、半径为R的圆周区域内的点；在所述当前测量点中获取以所述交点S为圆心、所述半径为R的圆周区域内的点。

8.根据权利要求1所述的机器人测量路径规划方法，其特征在于，所述第一阈值为99.5％。

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