CN111929300A - 三维图像扫描机器人自动检测线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开三维图像扫描机器人自动检测线，包括：托盘，用于安装待测物品；滚筒输送线，用于运输托盘；所述滚筒输送线上设有测量工位和出位区；机器人，固定安装于测量工位附近，搭载三维图像扫描仪和自动识别摄像头，用于对被测物体进行自动识别，判断被测物体的类别，自动执行设定好的相应机器人扫描路径和姿态运动程序，同时驱动三维图像扫描仪进行扫描检测；三维图像扫描仪，用于通过自动识别摄像头拍摄待测物品的每个角度来获取三维数据，并自动获取物体全表面的三维完整数据；生产线控制器，用于控制滚筒输送线按照需要将托盘传输至所需位置和用于控制机器人运行。本发明不贴点、不喷粉、能够自动批量在线测量、能够自动进行拼接、低成本。

Description

三维图像扫描机器人自动检测线
技术领域
本发明涉及机械自动化技术领域，为本发明涉及机械自动化技术领域，是计算机视觉、计算机图像处理、工业机器人、机械传动、电气控制等多项技术的集成应用，更具体地，涉及三维图像扫描机器人自动检测线。
背景技术
目前物体三维扫描技术主要分接触式（如三坐标和机械臂测量仪）和非接触式扫描仪（如穿透式CT和光学反射式）。接触式扫描仪使用触头接触被测物体表面以获取被测点的三维空间坐标，该方式只能依次得到被测位置的三维数据，测量效率低；光学反射式非接触扫描仪主要有图像三维图像扫描仪和激光三维图像扫描仪，激光三维图像扫描仪只能沿激光线单线扫描，使用时需要配合运动机构均匀移动扫描仪或被测物体，使用场景有一定要求，通过发射器实时追踪扫描仪位置的，整体设备价格十分昂贵，使用范围有限。图像类扫描仪价格便宜，用途非常广泛。
图像类扫描仪一般通过单目或多目相机同时拍照的方式，通过多相机已知位置，逆向反求物体三维表面数据，可一次性获取视野内被测件的表面数据，测量速度快，适用性广。但该测量方法只能获取物体单角度单方向的三维表面数据（物体背面因不在相机范围内，无法测量）。需要获取物体全表面三维数据式时，需要多角度拍摄，并且拍摄前需要在物体表面粘贴均匀的标志点，在全表面数据复原时，对多角度重复出现的标志点进行位置对齐，才能获得完整的表面数据。由于测量前需要对被测物体表面进行贴标志点等前处理，对大尺寸、多重复结构的物体贴点数量较多，对表面颜色深、光学反射率低的被测物体还要进行喷反射粉处理，存在辅助测量准备时间长、后处理人工干预耗时多、自动化程度低等问题。而且经过贴点、喷粉处理的物体，表面会受到损伤丧失精度，甚至不能继续使用。如铸造砂芯，贴点后表面易脱落，喷粉后铸造易产生气泡，测量后就不能使用。因此，亟需一种能够解决上述生产线产品质量检测难题的产品。
发明内容
本发明提出一种将常用的单机手动的三维图像扫描仪与机器人组合，不贴点、不喷粉、能够自动批量在线测量、能够自动进行拼接、低成本的三维图像扫描机器人自动检测线。
为达到上述目的，提出的三维图像扫描机器人自动检测线，其特征在于：包括：
托盘，用于安装待测物品；
滚筒输送线，用于运输托盘；所述滚筒输送线上设有测量工位和出位区；
机器人，固定安装于测量工位附近，搭载三维图像扫描仪和自动识别摄像头，用于对被测物体进行自动识别，判断被测物体的类别，自动执行设定好的相应机器人扫描路径和姿态运动程序，同时驱动三维图像扫描仪进行扫描检测；所述扫描路径由若干个测量点组成；
三维图像扫描仪，用于通过自动识别摄像头拍摄待测物品的每个角度来获取三维数据，并自动获取物体全表面的三维完整数据；
生产线控制器，用于控制滚筒输送线按照需要将托盘传输至所需位置和用于控制机器人运行；所述滚筒输送线、机器人、三维图像扫描仪和自动识别摄像头分别电连接生产线控制器。
特别的，所述滚筒输送线包括测量间；所述测量间设有能够使托盘从测量工位进入和出去的两个开口；所述测量工位进入的开口上设有测量门；所述测量门为电子门，电连接生产线控制器。
特别的，所述滚筒输送线在托盘从测量工位进入的位置上设有光电式检测传感器。
特别的，所述测量工位的下部设有能够升降的阻挡器，所述测量工位靠近机器人的一边设有定位块，所述测量工位远离机器人的一边设有推杆气缸。
特别的，所述机器人为采用关节臂工业机器人的六自由度机器人；所述机器人上设有旋转手臂，所述旋转手臂能承载的负载为6kg以内，用于安装三维图像扫描仪；所述机器人的重复定位精度为0.05mm。
特别的，所述三维图像扫描仪采用白色结构光，分辨率/精度为0.05mm；所述自动识别摄像头采用LED背景光源、230万像素的摄像头，其分辨率为752*480、传输速度为10M/s。
特别的，所述三维图像扫描仪内设有自动图像拼接软件，该软件能够利用自动图像拼接自动获取物体全表面的三维完整数据，所述自动图像拼接方法包括以下步骤：
（1）三维图像扫描仪根据机器人的扫描路径和姿态运动来确定三维空间的拍摄位置和角度；由三维图像扫描仪在多个扫描角度分别对待测物品进行表面数据拍摄扫描，完成后获得各局部表面数据；
（2）以托盘的中心为坐标原点建立托盘坐标系，将步骤（1）中的三维空间位置切换到托盘坐标系，通过三维图像扫描仪扫描时所在的空间绝对坐标对三维图像扫描仪所获得的局部表面数据进行空间位置和姿态调整，使三维数据调整为待测物品在托盘正面的姿态和位置；
（3）调整完成后，再依据对待测物品的多个扫描角度扫描中存在重叠的表面数据进行精细对齐，利用三维拼接算法，自动完成全表面数据拼接和还原，最终获得被测物体全表面的三维完整数据。
一种使用上述三维图像扫描机器人自动检测线对被测物体进行检测的方法，包括以下步骤：
（1）被测物体安装在托盘上，将托盘放置于滚筒输送线上；
（2）滚筒输送线将托盘运送至测量工位，并使托盘在机器人前面保持静止；
（3）机器人搭载三维图像扫描仪并运动至扫描路径中的一个测量点；
（4）三维图像扫描仪扫描获取该拍摄角度的局部表面数据；
（5）重复步骤（3）及步骤（4）直至获得所有测量点的局部表面数据；
（6）通过自动图像拼接方法，最终自动获取物体全表面的三维完整数据；
（7）滚筒输送线将托盘运送至出料区，经过出料区后返回滚筒输送线的前端即可结束。
本发明的有益效果：
本发明集成了计算机光学三维图像扫描及处理、计算机视觉自动识别、工业机器人、滚筒输送线运输多种技术，通过机器人上搭载的三维图像扫描仪和自动识别摄像头实现自动识别滚筒线输送的上被测量物体，对被测物品的表面结构进行光学三维自动扫描拍摄，拍摄完成后对单方向多角度的多幅表面数据结果进行自动拼接，自动完成全表面数据复原，从而自动获得被测物体的完整三维点云数据的系统。本发明成本低廉，能够自动批量在线测量，不需要贴点、喷粉处理，解决一般三维检测存在的需要贴点、喷粉处理存在的辅助测量准备时间长、后处理人工干预耗时多、自动化程度低、被测物品表面会受到损伤丧失精度甚至不能继续使用的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例三维图像扫描机器人自动检测线的整体结构图；
图2为本发明实施例的六自由度机器人和托盘的结构图；
图3为本发明实施例使用三维图像扫描机器人自动检测线检测方法的流程图。
图4为本发明实施例的的局部数据处理结果图，其中，（a1）为一个拍摄角度下获得的局部表面数据显示图，（a2）为另一个拍摄角度下获得的局部表面数据显示图，（b）为对局部表面数据进行空间位置和姿态调整后的表面数据显示图。
图中：1.机器人；2.滚筒输送线；3.被测物体；4.测量间；5.自动识别摄像头；6.三维图像扫描仪。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明实施例的三维图像扫描机器人自动测量生产线应用于大型发动机的砂芯在线检测。砂芯翻模铸造工艺，需要批量生产制造砂芯，砂芯的外表面三维尺寸和质量直接影响最终铸件的质量，特别是铸造件内腔等非加工部位直接决定最终成品件的整体性能和废品率。因此在铸造前，对砂芯进行全表面的尺寸检测就非常重要，但由于砂芯铸造工艺的要求，砂芯表面不得进行反光粉喷敷或者胶粘其他材料，以免影响铸造时产生气泡影响铸造质量，且因生产效率要求，产品停留在表面质量检测区域的时间很短，因此对自动化表面质量检测提出了较高的要求。
如图1、图2所示，本发明实施例的三维图像扫描机器人自动检测线，包括：
托盘，用于安装待测物品。
滚筒输送线2，用于运输托盘。滚筒输送线上设有测量工位和出位区。滚筒输送线包括测量间4。测量间4设有能够使托盘从测量工位进入和出去的两个开口。测量工位进入的开口上设有测量门。测量门为电子门，电连接生产线控制器。滚筒输送线在托盘从测量工位进入的位置上设有光电式检测传感器。测量工位的下部设有能够升降的阻挡器。测量工位靠近机器人1的一边设有定位块。测量工位远离机器人1的一边设有推杆气缸。
生产线控制器，用于控制滚筒输送线2按照需要将托盘传输至所需位置和用于控制机器人1运行。
机器人1，固定安装于测量工位附近，搭载三维图像扫描仪6和自动识别摄像头5，用于对被测物体3进行自动识别，判断被测物体3的类别，自动执行设定好的相应机器人1扫描路径和姿态运动程序，同时驱动三维图像扫描仪6进行扫描检测。扫描路径由若干个测量点组成。机器人1为采用关节臂工业机器人的六自由度机器人。机器人1上设有旋转手臂，旋转手能承载的负载为6kg以内，用于安装三维图像扫描仪6。机器人1的重复定位精度为0.05mm。
三维图像扫描仪6，三维图像扫描仪6内设有自动图像拼接软件，该软件能够利用自动图像拼接自动获取物体全表面的三维完整数据。三维图像扫描仪6通过自动识别摄像头5拍摄待测物品的每个角度来获取三维数据，并利用自动图像拼接方法，最终自动获取物体全表面的三维完整数据。三维图像扫描仪6采用白色结构光，分辨率/精度为0.05mm。自动识别摄像头5采用LED背景光源、230万像素的摄像头，其分辨率为752*480、传输速度为10M/s。
生产线控制器，用于控制滚筒输送线2按照需要将托盘传输至所需位置和用于控制机器人1运行。滚筒输送线2、机器人1、三维图像扫描仪6和自动识别摄像头5分别电连接生产线控制器。
本实施例的各个驱动装置均包括电机、减速机和控制系统。
如图3所示，使用上述三维图像扫描机器人自动检测线对被测物体3进行检测的方法，包括以下步骤：
（1）被测物体3安装在托盘上，将托盘放置于滚筒输送线2上。
（2）滚筒输送线2将托盘运送至测量工位，生产线控制器根据光电式检测传感器的信号控制测量门关闭；阻挡器内设有升降气缸，生产线控制器控制阻挡器上升，使得阻挡器挡住托盘一段时间后，生产线控制器控制滚筒输送线2停止继续前进，推杆气缸从侧面推托盘的侧面直至定位块上，使得托盘定位在所需的位置上并在机器人1前面保持静止。
（3）机器人1搭载三维图像扫描仪6并运动至扫描路径中的一个测量点。
（4）三维图像扫描仪6扫描获取该拍摄角度的局部表面数据。
（5）重复步骤（3）及步骤（4）直至获得所有测量点的局部表面数据。
（6）通过自动图像拼接方法，最终自动获取物体全表面的三维完整数据。自动图像拼接方法包括以下步骤：
a.三维图像扫描仪6根据机器人1的扫描路径和姿态运动来确定三维空间的拍摄位置和角度；由三维图像扫描仪6在多个扫描角度分别对待测物品进行表面数据拍摄扫描，完成后获得各局部表面数据，如图4中的（a1）和（a2）。
b.以托盘的中心为坐标原点建立托盘坐标系，将步骤（1）中的三维空间位置切换到托盘坐标系，通过三维图像扫描仪6扫描时所在的空间绝对坐标对三维图像扫描仪6所获得的局部表面数据进行空间位置和姿态调整，使三维数据调整为待测物品在托盘正面的姿态和位置，如图4中的（b）。
c.调整完成后，再依据对待测物品的多个扫描角度扫描中存在重叠的表面数据进行精细对齐，利用三维拼接算法，自动完成全表面数据拼接和还原，最终获得被测物体3全表面的三维完整数据。
（7）生产线控制器控制推杆气缸和阻挡器收回，并控制滚筒输送线2将托盘运送至出料区，经过出料区后返回滚筒输送线2的前端，即可结束该被测物品的检测。
同时，控制器开启测量门，重复步骤（1）-步骤（7），迎接下一个托盘上的被测物品进行检测。
本发明省时省力，很好的满足了大尺寸表面检查要求，三维图像扫描机器人自动测量生产线被测物体3最大尺寸可达1000mm×800mm×300mm，整体检查时间短，自动化程度高。本发明的整套系统能够将姿态矫正结果保证在0.05mm的误差范围内，且通过多角度扫描将已有重复出现的表面点云数据进行算法匹配，进一步降低姿态矫正误差，保证了整体测量误差在所使用扫描仪的精度范围内，并在多角度表面重叠区域精度还能够有所提升。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.三维图像扫描机器人自动检测线，其特征在于：包括：
托盘，用于安装待测物品；
滚筒输送线，用于运输托盘；所述滚筒输送线上设有测量工位和出位区；
机器人，固定安装于测量工位附近，搭载三维图像扫描仪和自动识别摄像头，用于对被测物体进行自动识别，判断被测物体的类别，自动执行设定好的相应机器人扫描路径和姿态运动程序，同时驱动三维图像扫描仪进行扫描检测；所述扫描路径由若干个测量点组成；
三维图像扫描仪，用于通过自动识别摄像头拍摄待测物品的每个角度来获取三维数据，并自动获取物体全表面的三维完整数据；
生产线控制器，用于控制滚筒输送线按照需要将托盘传输至所需位置和用于控制机器人运行；所述滚筒输送线、机器人、三维图像扫描仪和自动识别摄像头分别电连接生产线控制器。
2.根据权利要求1所述的三维图像扫描机器人自动检测线，其特征在于：所述滚筒输送线包括测量间；所述测量间设有能够使托盘从测量工位进入和出去的两个开口；所述测量工位进入的开口上设有测量门；所述测量门为电子门，电连接生产线控制器。
3.根据权利要求1所述的三维图像扫描机器人自动检测线，其特征在于：所述滚筒输送线在托盘从测量工位进入的位置上设有光电式检测传感器。
4.根据权利要求1所述的三维图像扫描机器人自动检测线，其特征在于：所述测量工位的下部设有能够升降的阻挡器，所述测量工位靠近机器人的一边设有定位块，所述测量工位远离机器人的一边设有推杆气缸。
5.根据权利要求1所述的三维图像扫描机器人自动检测线，其特征在于：所述机器人为采用关节臂工业机器人的六自由度机器人；所述机器人上设有旋转手臂，所述旋转手臂能承载的负载为6kg以内，用于安装三维图像扫描仪；所述机器人的重复定位精度为0.05mm。
6.根据权利要求1所述的三维图像扫描机器人自动检测线，其特征在于：所述三维图像扫描仪采用白色结构光，分辨率/精度为0.05mm；所述自动识别摄像头采用LED背景光源、230万像素的摄像头，其分辨率为752*480、传输速度为10M/s。
7.根据权利要求1所述的三维图像扫描机器人自动检测线，其特征在于：所述三维图像扫描仪内设有自动图像拼接软件，该软件能够利用自动图像拼接自动获取物体全表面的三维完整数据，所述自动图像拼接方法包括以下步骤：
（1）三维图像扫描仪根据机器人的扫描路径和姿态运动来确定三维空间的拍摄位置和角度；由三维图像扫描仪在多个扫描角度分别对待测物品进行表面数据拍摄扫描，完成后获得各局部表面数据；
（2）以托盘的中心为坐标原点建立托盘坐标系，将步骤（1）中的三维空间位置切换到托盘坐标系，通过三维图像扫描仪扫描时所在的空间绝对坐标对三维图像扫描仪所获得的局部表面数据进行空间位置和姿态调整，使三维数据调整为待测物品在托盘正面的姿态和位置；
（3）调整完成后，再依据对待测物品的多个扫描角度扫描中存在重叠的表面数据进行精细对齐，利用三维拼接算法，自动完成全表面数据拼接和还原，最终获得被测物体全表面的三维完整数据。
8.一种使用权利要求1-7中任意一种三维图像扫描机器人自动检测线对被测物体进行检测的方法，包括以下步骤：
（1）被测物体安装在托盘上，将托盘放置于滚筒输送线上；
（2）滚筒输送线将托盘运送至测量工位，并使托盘在机器人前面保持静止；
（3）机器人搭载三维图像扫描仪并运动至扫描路径中的一个测量点；
（4）三维图像扫描仪扫描获取该拍摄角度的局部表面数据；
（5）重复步骤（3）及步骤（4）直至获得所有测量点的局部表面数据；
（6）通过自动图像拼接方法，最终自动获取物体全表面的三维完整数据；
（7）滚筒输送线将托盘运送至出料区，经过出料区后返回滚筒输送线的前端即可结束。
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