CN112428265A - 一种测量系统以及测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种测量系统以及测量方法，该测量系统包括：测量模组，包括相机和激光位移传感器；所述激光位移传感器用于测量从其测量基准点沿其激光出射方向到第一装配面上的一个测量点之间的距离；所述计算装置用于根计算出为使得所述第一装配面和所述第二装配面重叠所述第二部件需绕x轴转动的转角、绕y轴转动的转角以及沿z轴方向平移的平移量；所述相机用于拍摄所述特征组的特征组图片；所述计算装置还用于计算出为使得所述中点与所述参照点重合所述第二部件需沿x轴方向平移的平移量和沿y轴方向平移的平移量以及在所述中点和所述参照点重合后将所述特征组移动预设位置需绕z轴转动的转角。该测量系统测量精度高。

Description

一种测量系统以及测量方法
技术领域
本文涉及机器人技术，尤指一种测量系统以及测量方法。
背景技术
目前大负载、大尺寸的高精设备采用人工的方式完成最终的装配。传统的人工为主的装配模式存在装配设备落后、精度一致性差、风险不可控等问题，这种装配模式仅适用于单件小批量、小型、结构简单的航天器装配，但远无法满足现代大型高精尖设备对总装的高精度、高效率、柔性化的要求。机器人自主装配为提升高精尖设备装配精度、效率和柔性化程度提供了有效解决方案，可以极大地提升设备的综合质量和制造企业的生产水平。随着航天制造、飞机制造、导弹制造、汽车制造、大型机床制造等领域的飞速发展，传统的依赖于人工的装配模式已无法满足海量的制造需求，因此需要大力发展利用机器人自主装配技术。
机器人自主装配技术作为智能工厂的成功应用，利用测量系统和机器人所组成的机器人系统按照装配工艺的需求自动地完成装配任务。该技术完全脱离了人工干预，能够根据装配技术要求、装配对象和装配特征等的变化灵活地调整工作模式。在机器人自主装配系统的装配工作中，两装配件之间状态信息测量直接影响到装配的效率、精度和柔性化，因此机器人自主装配系统的测量系统是影响装配质量的重要因素之一。然而目前的机器人自主装配系统通常采用构建在末端坐标系下、构建在安装基座坐标系下和构建在全局坐标系下这三种构建方式，这三种坐标系构建方式会存在变形影响精度、空间狭小导致采集信息残缺和无法使用装配任务多样化需求等问题。
发明内容
本申请提供了一种测量系统，这种测量系统可以精确的测出第一部件的第一装配面和第二部件的第二装配面之间的空间相对姿态。
与相关技术相比，本申请包括一种测量系统，用于测量第一部件的第一装配面和第二部件的第二装配面之间的相对空间姿态，所述第一装配面具有一个中点，所述第二装配面上具有需要与所述中点重叠的参照点以及多个特征组，每个特征组都具有沿直线排布的多个特征；
该测量系统包括：测量组件以及能与该测量组件通讯的计算装置；
测量组件包括用于安装在所述第二部件上的多个测量模组，每个测量模组均包括相机和激光位移传感器；
所述计算装置，与所述测量模组之间电连接，配置有与第二装配面相对固定的第一坐标系，所述第一坐标系具有相互垂直的x、y、z轴，第一坐标系的原点与第二装配面的中点重合，第二装配面垂直于第一坐标系的z轴；
其中，所述激光位移传感器用于测量从其测量基准点沿其激光出射方向到第一装配面上的一个测量点之间的距离；所述计算装置用于根据至少3个激光位移传感器测得的所述距离、各个激光位移传感器的激光出射方向以及各个所述激光位移传感器的测量基准点与所述第二装配面之间的相对位置关系来计算出为使得所述第一装配面和所述第二装配面重叠所述第二部件需绕x轴转动的转角、绕y轴转动的转角以及沿z轴方向平移的平移量；
所述相机用于在所述第二装配面绕其中心转动到与所述第一装配面平行后拍摄所述特征组的特征组图片；
所述计算装置还用于根据至少2个所述相机所拍摄的特征组图片，所述特征与所述参照点之间的相对位置关系，以及所述第二装配面与每个所述相机的测量基准点的相对位置关系，计算出为使得所述中点与所述参照点重合所述第二部件需沿x轴方向平移的平移量和沿y轴方向平移的平移量以及在所述中点和所述参照点重合后将所述特征组移动预设位置需绕z轴转动的转角。
将第二部件绕x轴转动上述转角、绕y轴转动上述转角、绕z轴转动上述转角、沿x轴方向平移上述平移量、沿y轴方向平移上述平移量、沿z轴方向平移上述平移量即可将第一部件的第一装配面和第二部件的第二装配面对准。
本发明还提出了一种测量方法，用于测量第一部件的第一装配面和第二部件的第二装配面之间的相对空间姿态，所述第一装配面具有一个中点，所述第二装配面上具有需要与所述中点重叠的参照点以及多个特征组，每个特征组都具有沿直线排布的多个特征，该测量方法包括：
建立与第二装配面相对固定的第一坐标系，第一坐标系的原点与第二装配面的中点重合，第二装配面垂直于第一坐标系的z轴；
通过固定在所述第二部件上的至少3个激光位移传感器测量每个激光位移传感器的测量基准点沿其激光出射方向到第一装配面上的一个测量点之间的测量距离；
根据至少3个激光位移传感器测得的所述测量距离、各个激光位移传感器的激光出射方向以及各个所述激光位移传感器的测量基准点与所述第二装配面之间的相对位置关系来计算出为使得所述第一装配面和所述第二装配面重叠所述第二部件需绕x轴转动的转角、绕y轴转动的转角以及沿z轴方向平移的平移量；
将所述第二装配面转动到与所述第一装配面平行；
通过固定在所述第二部件上的至少2个相机分别对多个特征组进行拍摄以获得每个特征组的特征组图片；
根据至少2个所述相机所拍摄的特征组图片，所述特征与所述参照点之间的相对位置关系，以及所述第二装配面与每个所述相机的测量基准点的相对位置关系，计算出为使得所述中点与所述参照点重合所述第二部件需沿x轴方向平移的平移量和沿y轴方向平移的平移量以及在所述中点和所述参照点重合后将所述特征组移动预设位置需绕z轴转动的转角。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本申请实施例中的装配系统、第一部件和第二部件的结构示意图；
图2为本申请实施例中的第一部件和第二部件的结构示意图；
图3为本申请实施例中的测量模组的结构示意图；
图4为本申请实施例中的激光位移传感器测量过程运动学模型；
图5为本申请实施例中的相机测量过程运动学模型。
具体实施方式
如图1所示，图1显示了本实施例中需要被组装在一起的第一部件1和第二部件2的结构示意图。
第一部件1包括底座11和座舱12。座舱12固定安装在底座11的上方。底座11坐落在地面上。底座11支撑起座舱12。座舱12呈大致的箱状。座舱12包括第一装配板121。第一装配板121为座舱12的一个侧板。第一装配板121为大致的框形，例如方框形。
如图2所示，第一装配板121的中部具有一个窗口120，该窗口120可以是方形窗口120。第一装配板121的内缘向内凹陷形成一个凹形台阶123。该凹形台阶123环设于窗口120周围。即，第一装配板121包括框形板122以及设置在框形板122的内缘的凹形台阶123。框形板122为框形平板。凹形台阶123的外缘连接于框形板122的内缘。
框形板122包括多个特征组124。多个特征组124均匀地分布在框形板122的周围。每个特征组124包括多个特征125。特征125贯穿框形板122。特征125可以是螺孔。每个特征组124中的所有特征125均沿直线排列。特征组124至少设置两组，该两组特征组124中的特征125排列方向相互垂直。在本实施例中，特征组124设置有四组，四组特征组124分布位于窗口120的四周。特征组124具有五个特征125。位于窗口120上、下两侧的特征组124中的特征125均水平排列。位于窗口120左、右两侧的特征组124中的特征125均竖直排列。
框形板122朝外的表面为第一装配面126。第一装配面126为平面，可以是竖直放置的平面。
第二部件2包括第二装配板22和插入部21。第二装配板22构造为平板结构，例如矩形平板。第二装配板22包括第二装配面221以及与第二装配面221相对的安装面222。插入部21可以设置成筒状结构。插入部21的一端固定在第二装配板22的第二装配面221上。
第二装配板22上设置有多个通孔组224和多个螺孔223。通孔组224的数量与特征组124的数量相同。每个通孔组224中的通孔225数量和特征组124中的特征125数量相同。在本实施例中，通孔组224设置有四组，分别设置在第二装配板22的四边的边缘上。通孔组224与特征组124一一对应设置。
组装第一部件1和第二部件2时，第二部件2的插入部21从第一装配板121的窗口120插入到座舱12内，并使得第一装配板121的第一装配面126与第二装配板22的第二装配面221相抵，通孔组224中的多个通孔225能分别与该通孔组224相对应的特征组124中的特征125相互对齐。螺钉可以穿过通孔而拧入到作为特征125的螺孔中，而将第一部件1和第二部件2连接起来。
如图2所示，图2显示了本实施例中的一种自动化的装配系统。装配系统用于将第一部件1和第二部件2进行高精度装配。该装配系统包括测量系统和执行装置4。测量系统包括测量组件3和计算装置。测量组件3和执行装置4均电连接于计算装置。计算装置可以是计算机。
测量组件3用于测量第一部件1和第二部件2之间的多个位置参数。测量模组将各自所测量的各类位置参数发送到计算装置。计算装置根据所接收到的位置参数计算出第一部件1和第二部件2之间的相对姿态。执行装置4能根据第一部件1和第二部件2之间的相对姿态来移动第二部件2以使得第二部件2能准确装配到第一部件1上。执行装置4可以是多轴工业机器人。
如图1所示，执行装置4包括机械臂41以及夹持器42。夹持器42设置在机械臂41的末端。夹持器42用于夹持第二部件2。在本实施例中，夹持器42与第二部件2的第二装配板22之间采用可拆卸连接，例如，通过螺钉
将夹持器42连接到第二装配板22的螺孔223处。夹持器42位于第二装配板22的安装面222上。
如图3所示，测量组件3包括多个测量模组31，多个测量模组31均能插装在第二装配板22的安装面222上，可以是分别位于第二装配板22的多个侧边上。测量模组31的数量与特征组124的数量相同，测量模组31与通孔组224一一对应设置。测量模组31可以是4个，分别装配在4个通孔组224上。
测量模组31包括安装座311、相机318和激光位移传感器317。激光位移传感器317的数量可以是两个。激光位移传感器317和相机318均固定在安装座311上。安装座311包括基板312、连接件316、第一支架314和第二支架313。基板312构造成平板。连接件316设置在基板312的一个板面上，第一支架314和第二支架313设置在基板312的另一个板面上。
连接件316用于连接基板312和第二装配板22。连接件316构造为凸出于基板312的锥形结构。连接件316靠近基板312的一端的直径比另一端的直径大。连接件316能插入到通孔中而将基板312固定在第二装配板22上。连接件316可以是设置两个，两个连接件316分别插入到同一个通孔组224中的两个通孔中。基板312的一个板面与第二装配板22的安装面222紧贴在一起。
第一支架314可以构造为条形弯板。第一支架314的底端固定在基板312上。第一支架314的顶端向基板312的斜后方延伸。相机318包括主机319和镜头320。主机319安装在第一支架314的顶端上，镜头320安装在主机319上。镜头320的朝向与基板312设置有连接件316的板面的朝向大致相同。第一支架314的顶端与低端之间具有一个让位弯折部315，让位弯折部315向背离镜头320的方向凹陷，以对镜头320进行让位，从而避免第一支架314与镜头320之间产生干涉。
第二支架313可以构造为V形弯板。第一支架314包括第一连接板3131和第二连接板3132。第一连接板3131的边缘连接于第二连接板3132的边缘。第一连接板3131与第二连接板3132之间大致垂直。第一连接板3131与第二连接板3132之间的夹角可以是90～110°。第一连接板3131螺钉连接于基板312。激光位移传感器317安装在第二连接板3132背离第一连接板3131的板面上。激光位移传感器317与第二连接板3132之间可以是螺钉连接。激光位移传感器317出射激光的方向与镜头320的朝向大致相同。
测量模组31安装在第二装配板22的边缘上时，激光位移传感器317和相机318均位于第二装配板22的外侧，使得基板312和第二装配板22均不遮挡激光位移传感器317和相机318的镜头320。激光位移传感器317出射激光的方向与镜头320的朝向第二装配面221所朝向的一侧。
本实施例还提出了一种测量方法，该测量方法基于该测量系统实施。该测量方法包括步骤S1～S6。该测量方法中所涉及的计算均由计算装置完成。
步骤S1：建立与第二装配面221相对固定的第一坐标系，第一坐标系的原点与第二装配面221的中点重合，第二装配面221垂直于第一坐标系的z轴；
建立与测量模组31数量相同的第二坐标系，第二坐标系与测量模组31一一相对固定；
建立与激光位移传感器317数量相同的第三坐标系，第三坐标系与激光位移传感器317一一相对固定；
建立与相机318数量相同的第四坐标系，第四坐标系与相机318一一相对固定；
其中，第二装配面221在第一坐标系中的位置已知，第一坐标系到每个第二坐标系的第一旋转矩阵已知，与测量模组31相对固定的第二坐标系到与该测量模组31内的激光位移传感器317相对固定的每个第三坐标系的第二旋转矩阵已知，与测量模组31相对固定的第二坐标系到与该测量模组31内的相机318相对固定的每个第四坐标系的第三旋转矩阵已知。
在本实施例中，如图4所示，第一坐标系为{M}，第一坐标系为直角坐标系，第一坐标系的原点为点M，该点M为第二装配面221的中点。第一坐标系的z轴垂直于第二装配面221，第一坐标系的x轴和y轴均在第二装配面221内。
第二坐标系为{OZi}，第二坐标系为直角坐标系，第二坐标系的原点为点OZi，该点OZi为第i个测量模组31的中心。点OZi在第一坐标系下的坐标为(xOZi,yOZi,zOZi)。为简化计算，可以将第二坐标系的z轴设置成与第一坐标系的z轴平行。在本实施例中，第二坐标系设置四个，四个第二坐标系分别与四个测量模组31对应设置，这四个第二坐标系分别为{OZ1}、{OZ2}、{OZ3}和{OZ4}，这四个第二坐标系的原点OZ1、OZ2、OZ3和OZ4在第一坐标系下的坐标分别为(xOZ1,yOZ1,zOZ1)、(xOZ2,yOZ2,zOZ2)、(xOZ3,yOZ3,zOZ3)和(xOZ4,yOZ4,zOZ4)。
第三坐标系{Li}，第三坐标系的原点为Li，该点Li为第i个激光位移传感器317测量基准点。第三坐标系的原点Li在与该第三坐标系所对应的第二坐标系{OZi}下的坐标为(xLi,yLi,zLi)。为简化计算，可以将第三坐标系的z轴设置成与其对应的第二坐标系的z轴相互平行。每个激光位移传感器317从测量基准点出射激光。在本实施例中，第三坐标系设置有八个，八个第三坐标系分别与八个激光位移传感器317对应设置。这八个第三坐标系分别为{L1}、{L2}、{L3}、{L4}、{L5}、{L6}、{L7}、{L8}。
步骤S2：采用至少3个激光位移传感器317对第一装配面126进行测量，获得每个激光位移传感器317的测量基准点到其所照射的第一装配面126上的测量点之间的测量距离。
第i个激光位移传感器317在第一装配面126上的测量点为点Bi。在本实施例中，8个激光位移传感器317中的4个激光位移传感器317照射到第一装配面126上，4个激光位移传感器317在第一装配面126上的四个测量点分别为点B1、B2、B3、B4。这4个激光位移传感器317从各自测量基准点分别到各自的测量点的线段分别为L1B1、L2B2、L3B3和L4B4。L1B1、L2B2、L3B3和L4B4的长度分别为这4个激光位移传感器317所测量到的测量距离。
步骤S3：根据至少3个激光位移传感器317测得的测量距离、各个激光位移传感器317的激光出射方向以及各个所述激光位移传感器317的测量基准点与所述第二装配面221之间的相对位置关系来计算出为使得所述第一装配面126和所述第二装配面221重叠所述第二部件2需绕x轴转动的转角、绕y轴转动的转角以及沿z轴方向平移的平移量；
步骤S3包括步骤S31～S33。
步骤S31：根据每个激光位移传感器317的测量基准点到其所照射的第一装配面126上的测量点之间的测量距离，每个激光位移传感器317的测量基准点在与该激光位移传感器317所在的测量模组31相对应的第二坐标系下的坐标，每个测量模组31的中心在第一坐标系下的坐标，每个第二旋转矩阵，以及每个第一旋转矩阵，来求得每个测量点在第一坐标系下的坐标。
在各个第三坐标系下，第三坐标系所对应的激光位移传感器317所的激光出射角度是已知的。为简化计算，L1B1在第一坐标系的M-yz平面内；L2B2在第一坐标系的M-xz平面内；L3B3在第一坐标系的M-yz平面内；L4B4在第一坐标系的M-xz平面内。αi为第i个激光位移传感器317所发射的激光与其所对应的第三坐标系的z轴之间的夹角。α1、α2、α3和α4可以均为10°。
采用下列算式求得每个测量点Bi在第一坐标系{M}下的坐标(xBi,yBi,zBi)：
Figure BDA0002742767690000091
其中，di为第i个激光位移传感器317所测量到的测量距离，MROZi是第一坐标系{M}到第i个激光位移传感器317所在的测量模块所对应的第二坐标系{OZi}的第一旋转矩阵，OZiRLi是第i个激光位移传感器317所在的测量模块所对应的第二坐标系{OZi}到第i个激光位移传感器317所对应的第三坐标系{Li}的第二旋转矩阵，
Figure BDA0002742767690000092
为该第二坐标系{OZi}的原点在第一坐标系{M}下的坐标向量，
Figure BDA0002742767690000093
为该第坐标系{Li}的原点在该第二坐标系{OZi}下的坐标向量。
步骤S32：根据至少3个测量点在第一坐标系下的坐标计算出第一装配面126在第一坐标系中的平面方程；
在求得第一装配面126上的至少3个测量点在第一坐标系下的坐标后，可以根据这些坐标来求得第一装配面126在第一坐标系下的平面方程。该平面方程显然不过第一坐标系{M}的原点，因此，该平面方程可以是ax+by+cz＝1。
在本实施例中，测得4个测量点在第一坐标系下的坐标，这4个测量点在第一坐标系下的坐标分别为(xB1,yB1,zB1)、(xB2,yB2,zB2)、(xB3,yB3,zB3)和(xB4,yB4,zB4)，将这四个测量点在第一坐标系下的坐标分别代入到平面方程ax+by+cz＝1中可得：
Figure BDA0002742767690000101
即可求得：
Figure BDA0002742767690000102
从而可以求得第一装配面126在第一坐标系中的平面方程ax+by+cz＝1。
步骤S33：根据第一装配面126和第二装配面221分别在第一坐标系中的平面方程，计算出在第一坐标系下第二装配面221需绕x轴转动的转角、第二装配面221需绕y轴转动的转角以及第二装配面221需沿z轴方向平移的平移量。
在本实施例中，第一装配面126在第一坐标系中的平面方程为ax+by+cz＝1，第二装配面221在第一坐标系中的平面方程为z＝0，根据下列算式计算在第一坐标系下第二装配面221需绕x轴转动的转角β、第二装配面221需绕y轴转动的转角γ以及第二装配面221需沿z轴方向平移的平移量D：
Figure BDA0002742767690000111
步骤S4：转动第二部件2使得第二装配面221与所述第一装配面126平行。
执行装置4转动第二部件2使第二装配面221绕第一坐标系的x轴转动转角β、绕绕第一坐标系的y轴转动转角γ后，第一装配面126与第二装配面221相互平行。执行装置4移动第二部件2使第二装配面221沿z轴方向平移的平移量D后，第一装配面126和第二装配面221处于同一平面。
步骤S5：多个相机318分别对多个特征组124进行拍摄，获得多个特征组124图片；
在本实施例中，四个相机318分别对四个特征组124进行拍摄，获得四个特征组124图片。每个特征组124图片中都具有5个特征125的图案。
步骤S6：根据至少2个相机318所拍摄的特征组124图片，特征125与参照点之间的相对位置关系，以及第二装配面221与每个相机318的测量基准点的相对位置关系，计算出为使得第二装配面221的中点与第一装配面126的参照点重合第二部件2需沿x轴方向平移的平移量、沿y轴方向平移的平移量以及在该中点和该参照点重合后将特征组124移动预设位置需绕z轴转动的转角。
步骤S6包括步骤S61～66。
步骤S61：识别出每个特征组124图片中的特征125在第一装配面126上的端部图案；
通过对特征组124图片进行图像滤波、图像分隔和边缘检测等处理后，可以识别出该端部图案的轮廓。从图片中识别某种特定的图案是现有技术，在此不再赘述。
每个特征125的端部在第一装配面126上形成一个圆孔，在不同的角度下对该圆孔进行拍摄会得到不一样的端部图案，例如，相机318的光轴与特征125的轴线重合时相机318所拍摄到的端部图案为正圆形，相机318的光轴偏离特征125的轴线时则相机318所拍摄到的端部图案为椭圆形。
步骤S62：确定每个端部图案的几何中心在拍摄该端部图案的相机318所对应的第四坐标系中的坐标。
如图5所示，第四坐标系{Ci}是一直角坐标系，第四坐标系的原点为点Ci，点Ci为第i个相机318的测量基准点。
建立为每个特征组124图片建立一个图像像素坐标系。图像像素坐标系为一个二维直角坐标系。图像像素坐标系以每个特征组124图片的左上角的顶点为坐标原点，图像像素坐标系还包括U轴和V轴，U轴和V轴分别平齐于特征组124图片相邻的两条的边。
在识别出每个特征125的端部图案后，可以获得该端部图案的各个点在图像像素坐标系下的坐标。再根据端部图案的各个点在在图像像素坐标系下的坐标可以采用自小二乘法计算出每个端部图案的几何中心在图像像素坐标系下的坐标值。
根据每个端部图案的几何中心在像素坐标系下的坐标，能计算出每个端部图案的几何中心在拍摄该端部图案的相机318所对应的第四坐标系中的坐标。具体计算算式如下：
Pi＝[(FT)TFT]-1ZCui
其中，Pi是第i个端部图案的几何中心在拍摄该端部图案的相机318所对应的第四坐标系中的坐标向量，ZC是深度信息，ui是第i个端部图案的几何中心在图像像素坐标系中的坐标向量，F是该相机318的内参矩阵，T是该相机318的外参矩阵。深度信息ZC、相机318的内参矩阵F、相机318的外参矩阵T都能在测量之前进行标定，因此都是已知量。
步骤S63：根据每个几何中心在其所对应的第四坐标系下的坐标、与该第四坐标系对应的第二坐标系到该第四坐标系的第三旋转矩阵以及第一坐标系到该第二坐标系的第二旋转矩阵，计算出每个几何中心在第一坐标系中的坐标。
在本实施例中，可以根据下列算式计算出每个几何中心在第一坐标系下的坐标：
Ei＝OZi+MROZiCi+MROZi OZiRCiPi
其中，Pi是第i个端部图案的几何中心在拍摄该端部图案的相机318所对应的第四坐标系中的坐标向量，MROZi是第一坐标系{M}到拍摄该端部图案的相机318所在的测量模块所对应的第二坐标系{OZi}的第一旋转矩阵，OZiRCi是该第二坐标系{OZi}到该相机318所对应的第四坐标系{Ci}的第二旋转矩阵，OZi为该第二坐标系{OZi}的原点在第一坐标系下的坐标向量，Ci为该第四坐标系的原点在该第二坐标系下的坐标向量。
步骤S64：第一装配面126上具有一个拟与第二装配面221的中点重叠的参照点N，在每个特征组124中选取一个与该参照点N相对位置确定的几何中心，根据所有被选取的几何中心在第一坐标系中的坐标以及各个该几何中心与该参照点N的相对位置，计算出参照点N在第一坐标系中的x坐标值和y坐标值，根据该x坐标值确定第二装配面221需在x轴方向上的平移量，根据该y坐标值确定第二装配面221需在y轴方向上的平移量；
参照点N是在第一装配面126和第二装配面221完全对准后，第一装配面126上与第二装配面221的中点相重合的一点。该参照点N可以是第一装配面126的中点。该参照点N为预设点，参照点N与每个特征125的几何中心的相对位置关系是已知的。因此，根据几何中心在第一坐标系下的坐标以及几何中心与参照点N之间的相对位置，可以确定参照点N在第一坐标系下的坐标。
在本实施例中，参照点N位于四个特征组124的第三个特征125的中间。即，参照点N位于上、下两个特征组124的第三特征125的正中间，以及左、右两个特征组124的第三特征125的正中间。
这样，将四个特征组124的第三个特征125对应的几何中心在第一坐标系下的x坐标值求平均，能得到该参照点N在第一坐标系下的x坐标值；将四个特征组124的第三个特征125对应的几何中心在第一坐标系下的y坐标值求平均，能得到该参照点N在第一坐标系下的y坐标值。计算算式如下：
Figure BDA0002742767690000141
其中，xE3 F1、xE3 F2、xE3 F3、xE3 F4分别为四个特征组124的第三特征125对应的几何中心在第一坐标系下的x坐标值，yE3 F1、yE3 F2、yE3 F3、yE3 F4分别为四个特征组124的第三特征125对应的几何中心在第一坐标系下的y坐标值，Dx为参照点N在第一坐标系下的x坐标值，Dy为参照点N在第一坐标系下的y坐标值。
该参照点N的x坐标值Dx即为第二装配面221需在x轴方向上的平移量，该参照点N的y坐标值Dy即为第二装配面221需在y轴方向上的平移量。
步骤S65：根据每个特征组124中的所有几何中心在第一坐标系中的坐标拟合出该特征组124中的所有几何中心所构成的直线在第一坐标系中的直线方程；
在本实施例中，每个特征组124中的所有几何中心构成的直线方程为：
Figure BDA0002742767690000142
其中，xE3、yE3、zE3分别为该特征组124中第三个特征125的x、y、z坐标值。
将每个特征组124中的5个特征125点带入到上述直线方程中，即可通过最小二乘法得出m、n、p。
步骤S66：根据所有直线方程，计算出在第一坐标系下第二装配面221需绕z轴转动的转角。
根据第一个、第四个特征组124所对应的直线分别与第一坐标系的x轴夹角以及第二个、第三个特征组124所对应的直线分别与第一坐标系的y轴夹角，计算出在第一坐标系下第二装配面221需绕z轴转动的转角。计算过程如下：
Figure BDA0002742767690000151
Figure BDA0002742767690000152
其中，δ1为第一个特征组124所对应的直线与第一坐标系的x轴夹角，δ2为第一个特征组124所对应的直线与第一坐标系的y轴夹角，δ3为第一个特征组124所对应的直线与第一坐标系的y轴夹角，δ4为第四个特征组124所对应的直线与第一坐标系的x轴夹角，δ为在第一坐标系下第二装配面221需绕z轴转动的转角。
在执行装置4将第二部件2绕第一坐标系的z轴转动转角δ后，特征组124达到预设位置，使得第一装配面126和第二装配面221完全对齐。在本实施例中，每个特征组124中的特征125能达到与该特征组124相对应的通孔组224中的通孔一一对齐的预设位置。这样，可以采用螺钉穿过通孔而拧入到作为特征125的螺孔中，而将第一部件1和第二部件2连接起来。
通常情况下，只需要相邻2个相机318能正常工作，就能获得计算出在第一坐标系下第二装配面221需绕z轴转动的转角、第二装配面221需在x轴方向上的平移量和第二装配面221需在y轴方向上的平移量所需的信息。
在本发明中，特征125并不限于螺孔这类螺纹连接特征125。该特征125还可以是销钉连接特征125、铆钉连接特征125、卡勾连接特征125。该特征125不依赖于连接第一部件1和第二部件2的连接件的外貌形状。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

Claims (10)

1.一种测量系统，其特征在于，用于测量第一部件的第一装配面和第二部件的第二装配面之间的相对空间姿态，所述第一装配面具有一个中点，所述第二装配面上具有需要与所述中点重叠的参照点以及多个特征组，每个特征组都具有沿直线排布的多个特征；
该测量系统包括：测量组件以及能与该测量组件通讯的计算装置；
测量组件包括用于安装在所述第二部件上的多个测量模组，每个测量模组均包括相机和激光位移传感器；
所述计算装置，与所述测量模组之间电连接，配置有与第二装配面相对固定的第一坐标系，所述第一坐标系具有相互垂直的x、y、z轴，第一坐标系的原点与第二装配面的中点重合，第二装配面垂直于第一坐标系的z轴；
其中，所述激光位移传感器用于测量从其测量基准点沿其激光出射方向到第一装配面上的一个测量点之间的距离；所述计算装置用于根据至少3个激光位移传感器测得的所述距离、各个激光位移传感器的激光出射方向以及各个所述激光位移传感器的测量基准点与所述第二装配面之间的相对位置关系来计算出为使得所述第一装配面和所述第二装配面重叠所述第二部件需绕x轴转动的转角、绕y轴转动的转角以及沿z轴方向平移的平移量；
所述相机用于在所述第二装配面绕其中心转动到与所述第一装配面平行后拍摄所述特征组的特征组图片；
所述计算装置还用于根据至少2个所述相机所拍摄的特征组图片，所述特征与所述参照点之间的相对位置关系，以及所述第二装配面与每个所述相机的测量基准点的相对位置关系，计算出为使得所述中点与所述参照点重合所述第二部件需沿x轴方向平移的平移量和沿y轴方向平移的平移量以及在所述中点和所述参照点重合后将所述特征组移动预设位置需绕z轴转动的转角。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，
所述测量模组还包括安装座，所述相机和所述激光位移传感器均安装在所述安装座上。
3.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于，每个所述测量模组中具有两个所述激光位移传感器，所述相机位于两个所述激光位移传感器之间。
4.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述安装座包括基板，设置在所述基板的一个板面上的连接件，以及均设置在所述基板的另一板面上的第一支架和第二支架；
所述连接件用于连接所述第二部件，所述第一支架用于安装所述相机，所述第二支架用于安装所述激光位移传感器。
5.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述相机的镜头和所述激光位移传感器的朝向相同，所述镜头的朝向与基板设置有连接件的板面的朝向相同，所述基板不遮挡所镜头和所述激光位移传感器。
6.一种测量方法，其特征在于，用于测量第一部件的第一装配面和第二部件的第二装配面之间的相对空间姿态，所述第一装配面具有一个中点，所述第二装配面上具有需要与所述中点重叠的参照点以及多个特征组，每个特征组都具有沿直线排布的多个特征，该测量方法包括：
建立与第二装配面相对固定的第一坐标系，第一坐标系的原点与第二装配面的中点重合，第二装配面垂直于第一坐标系的z轴；
通过固定在所述第二部件上的至少3个激光位移传感器测量每个激光位移传感器的测量基准点沿其激光出射方向到第一装配面上的一个测量点之间的测量距离；
根据至少3个激光位移传感器测得的所述测量距离、各个激光位移传感器的激光出射方向以及各个所述激光位移传感器的测量基准点与所述第二装配面之间的相对位置关系来计算出为使得所述第一装配面和所述第二装配面重叠所述第二部件需绕x轴转动的转角、绕y轴转动的转角以及沿z轴方向平移的平移量；
将所述第二装配面转动到与所述第一装配面平行；
通过固定在所述第二部件上的至少2个相机分别对多个特征组进行拍摄以获得每个特征组的特征组图片；
根据至少2个所述相机所拍摄的特征组图片，所述特征与所述参照点之间的相对位置关系，以及所述第二装配面与每个所述相机的测量基准点的相对位置关系，计算出为使得所述中点与所述参照点重合所述第二部件需沿x轴方向平移的平移量和沿y轴方向平移的平移量以及在所述中点和所述参照点重合后将所述特征组移动预设位置需绕z轴转动的转角。
7.根据权利要6所述的测量方法，其特征在于，
单个测量模组中具有一个所述相机和两个所述激光位移传感器；
在建立与第二装配面相对固定的第一坐标系时，还建立与测量模组数量相同的第二坐标系、与激光位移传感器数量相同的第三坐标系、与相机数量相同的第四坐标系；
其中，第二坐标系与测量模组一一相对固定，第三坐标系与激光位移传感器一一相对固定；
各个所述激光位移传感器的测量基准点与所述第二装配面之间的相对位置关系包括激光位移传感器的测量基准点在第三坐标系中的坐标、第一坐标系到每个第二坐标系的第一旋转矩阵、与测量模组相对固定的第二坐标系到与该测量模组内的激光位移传感器相对固定的每个第三坐标系的第二旋转矩阵。
8.根据权利要7所述的测量方法，其特征在于，在建立与第二装配面相对固定的第一坐标系时，还建立与相机数量相同的第四坐标系，第四坐标系与相机一一相对固定；
所述第二装配面与每个所述相机的测量基准点的相对位置关系包括相机的测量基准点在第四坐标系中的坐标、第一坐标系到每个第二坐标系的第一旋转矩阵、与测量模组相对固定的第二坐标系到与该测量模组内的相机相对固定的每个第四坐标系的第三旋转矩阵。
9.根据权利要8所述的测量方法，其特征在于，
根据至少3个激光位移传感器测得的所述测量距离、各个激光位移传感器的激光出射方向以及各个所述激光位移传感器的测量基准点与所述第二装配面之间的相对位置关系来计算出为使得所述第一装配面和所述第二装配面重叠所述第二部件需绕x轴转动的转角、绕y轴转动的转角以及沿z轴方向平移的平移量，包括：
根据每个激光位移传感器的测量基准点到其所照射的第一装配面上的测量点之间的测量距离，每个激光位移传感器的测量基准点在与该激光位移传感器所在的测量模组相对应的第二坐标系下的坐标，每个测量模组的中心在第一坐标系下的坐标，每个第二旋转矩阵，以及每个第一旋转矩阵，来求得每个测量点在第一坐标系下的坐标；
根据至少3个测量点在第一坐标系下的坐标计算出第一装配面在第一坐标系中的平面方程；
根据第一装配面和第二装配面分别在第一坐标系中的平面方程，计算出在第一坐标系下第二装配面需绕x轴转动的转角、第二装配面需绕y轴转动的转角以及第二装配面需沿z轴方向平移的平移量。
10.根据权利要8所述的测量方法，其特征在于，
根据至少2个所述相机所拍摄的特征组图片，所述特征与所述参照点之间的相对位置关系，以及所述第二装配面与每个所述相机的测量基准点的相对位置关系，计算出为使得所述中点与所述参照点重合所述第二部件需沿x轴方向平移的平移量和沿y轴方向平移的平移量以及在所述中点和所述参照点重合后将所述特征组移动预设位置需绕z轴转动的转角，包括：
识别出每个特征组图片中的特征在第一装配面上的端部图案；
确定每个端部图案的几何中心在拍摄该端部图案的相机所对应的第四坐标系中的坐标；
根据每个几何中心在其所对应的第四坐标系下的坐标、与该第四坐标系对应的第二坐标系到该第四坐标系的第三旋转矩阵以及第一坐标系到该第二坐标系的第二旋转矩阵，计算出每个几何中心在第一坐标系中的坐标；
在每个特征组中选取一个与该参照点相对位置确定的几何中心，根据所有被选取的几何中心在第一坐标系中的坐标以及各个该几何中心与该参照点的相对位置，计算出参照点在第一坐标系中的x坐标值和y坐标值，根据该x坐标值确定第二装配面需在x轴方向上的平移量，根据该y坐标值确定第二装配面需在y轴方向上的平移量；
根据每个特征组中的所有几何中心在第一坐标系中的坐标拟合出该特征组中的所有几何中心所构成的直线在第一坐标系中的直线方程；
根据所有直线方程，计算出在第一坐标系下第二装配面需绕z轴转动的转角。
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