CN113945152A - 利用立体块恢复单线结构光三维传感器测量功能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用立体块恢复单线结构光三维传感器测量功能的方法，单线结构光三维传感器发生位姿变化后，激光器投射单线激光，激光平面与立体块上孔的中心所在平面重合；相机采集包含经立体块上孔调制后激光线条的图像，计算各孔中心的三维坐标，求取法兰坐标系下单线结构光三维传感器相对于机器人末端法兰发生位姿变化后，其位姿相对于标准位姿的变化关系T_s ^o；利用其进一步获取单线结构光三维传感器相对于机器人末端法兰发生位姿变化后的被测点j的坐标P_j‑obj‑s；进行测量功能的快速恢复；本方法无需做比对工作，直接利用立体块即可完成测量功能的快速恢复，有效提高工作效率。

Description

利用立体块恢复单线结构光三维传感器测量功能的方法

技术领域

本发明涉及视觉测量领域，具体涉及一种利用立体块恢复单线结构光三维传感器测量功能的方法。

背景技术

在汽车工业、轨道交通、飞机制造等精密加工领域，零部件的三维尺寸需要严格控制，其中，利用结构光传感器进行三维测量是一种常见的三维尺寸测量方法，此类结构光传感器连接在机器人末端，在工作过程中，由机器人带动传感器到工件的被测位置进行三维尺寸测量；由于机器人自身的重复性精度很高，但绝对定位精度有限，测量结果与真实值存在一个固定的偏差，因此需要通过更高精度的设备(如三坐标、激光跟踪仪)测量同一工件，以其测量值作为基准，修正每一个测量结果的偏差，这个修正的过程称之为比对。

由于工业现场环境复杂，结构光传感器的位置会因碰撞、设备检修等发生移动，令结构光传感器与机器人末端的相对位置变动。传统方法是对位置变动后的结构光传感器的测量结果重新进行比对，修正每个测点的偏差值。此过程需要对多个工件进行多设备的测量，直到结构光传感器的测量结果与基准设备的测量结果在一个合理范围之内；整个过程耗时长，严重拖慢了工业生产进度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种利用立体块恢复单线结构光三维传感器测量功能的方法，在传感器位置变化后，无需再次做比对工作，直接利用立体块即可解算位姿相对于标准位姿的变化关系，进而使被测点的计算坐标与传感器位置变化前保持一致，本方法有效提高了工作效率，实现了测量现场传感器状态的快速恢复。

技术方案如下：

一种利用立体块恢复单线结构光三维传感器测量功能的方法，所述单线结构光三维传感器固定于机器人末端；

所述立体块固定设置于工位内，包括两个或多个高度不同的平面，各平面相互平行且分别设有一个或两个孔，所述立体块上孔的总数至少为三个，且所有孔的中心不共线；

包括如下步骤：

1)单线结构光三维传感器相对于机器人末端法兰发生位姿变化后，机器人按照预设轨迹运动，激光器投射单线激光，形成一个激光平面，所述激光平面与立体块上孔相交；

2)相机采集包含经立体块上孔调制后激光线条的图像，计算各孔中心的三维坐标，求取法兰坐标系下单线结构光三维传感器相对于机器人末端法兰发生位姿变化后，其位姿相对于标准位姿的变化关系

式中，C_O表示标准位姿时立体块上孔在传感器坐标系下的测量值集合；C_O＝[C_1OC_2OC_3O…C_nO]，n代表立体块上孔的总数量，C_iO代表齐次坐标列向量，i＝1,2,3……n；

C_S代表单线结构光三维传感器相对于机器人末端法兰发生位姿变化后，立体块上孔在传感器坐标系下的测量值的集合，C_S＝[C_1SC_2SC_3S…C_nS]，C_iS代表此刻的齐次坐标列向量；

3)按照如下公式获取单线结构光三维传感器相对于机器人末端法兰发生位姿变化后的被测点j在工件坐标系下的的坐标P_j-obj-s；

其中，C_js表示单线结构光三维传感器相对于机器人末端法兰发生位姿变化后的被测点j在传感器坐标系下测得的坐标；

表示标准位姿时传感器坐标系与机器人法兰坐标系之间的旋转平移关系；

表示法兰坐标系到机器人坐标系的旋转平移关系；

表示机器人坐标系与工件坐标系之间的旋转平移关系；

E_j表示初始位姿时被测点j在工件坐标系下的坐标与三坐标测量仪或激光跟踪仪测得结果比对后的修正偏差。

进一步，所述立体块上孔的形状为椭圆、圆、长条孔、矩形或多边形。

进一步，所述立体块包括的多个高度不同的平面呈阶梯状，逐次升高或逐次降低、或先升高再降低，或先降低再升高，或高低上呈无规律分布。

进一步，

利用机器人运动学模型获得。

进一步，所述标准位姿、预设轨迹通过如下方式获得：

标准位姿示教完成后，将立体块上n个孔所对应的采图位姿记为分别该点对应的标准位姿；

记录示教过程中单线结构光三维传感器测量立体块时的运动轨迹为预设轨迹。

使用本方法，当结构光传感器位置变动，需要重新恢复测量功能时，只需对立体块上的孔进行测量，求取法兰坐标系下单线结构光三维传感器相对于机器人末端法兰发生位姿变化后，其位姿相对于标准位姿的变化关系；即可借助公式获取单线结构光传感器相对于法兰位姿变化后被测点在工件坐标系下的坐标，恢复结构光传感器的测量功能。无需借助其他高精度设备协调测量、做大量的比对工作，节省了多次测量、比对的时间。

将本方法用于汽车生产线的测量过程，在不同的测量工位，结构光传感器恢复测量功能所需时间对比，表格如下：

以上表格为单一车型比对过程所需耗时，如多车型比对时间则会等量增加。从表格中可以看出：当工位的被测工件数量增多，测点增加，特别是车型众多的情况下，现有方式比对过程的时间成倍数增长。而采用本方法，由于不再需要进行比对工作，只需要几分钟便可恢复，大大缩减了结构光传感器碰撞或更换后恢复测量功能所用的时间。在相同的时间内，本方法可大大提高生产节拍，为工厂带来极大的经济效益。

附图说明

图1为实施例中使用的立体块的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

一种利用立体块恢复单线结构光三维传感器测量功能的方法，单线结构光三维传感器固定于机器人末端；

立体块固定设置于工位内，包括两个或多个高度不同的平面，各平面相互平行且分别设有一个或两个孔，立体块上孔的总数至少为三个，且所有孔的中心不共线；在以下实施过程中，如图1所示，我们使用四层阶梯状、六孔的立体块；

包括如下步骤：

1)单线结构光三维传感器相对于机器人末端法兰发生位姿变化后，机器人按照预设轨迹运动，激光器投射单线激光，形成一个激光平面，激光平面与立体块上孔相交；

2)相机采集包含经立体块上孔调制后激光线条的图像，计算各孔中心的三维坐标，分别标记第i(i从1～6中的自然数中取值)个孔中心在传感器坐标系下的测量值的集合为C_s，求取法兰坐标系下单线结构光三维传感器相对于机器人末端法兰发生位姿变化后，其位姿相对于标准位姿的变化关系

式中，C_O表示标准位姿时立体块上孔在传感器坐标系下的测量值集合；C_O＝[C_1OC_2OC_3O…C_nO]，n代表立体块上孔的总数量，C_iO代表齐次坐标列向量，i＝1,2,3……n；

C_S代表单线结构光三维传感器相对于机器人末端法兰发生位姿变化后，立体块上孔在传感器坐标系下的测量值的集合，C_S＝[C_1SC_2SC_3S…C_nS]，C_iS代表此刻的齐次坐标列向量；

以第一个孔来说明该方案的设计思路(i＝1)：

标准位姿时，1号孔在工件坐标系下的测量结果记为P_1-obj-O，其可用以下公式表示：

C_1O代表1号孔在初始位姿时，其在传感器坐标系下的测量值；

表示标准位姿时传感器坐标系与机器人法兰坐标系之间的旋转平移关系；

表示法兰坐标系到机器人坐标系的旋转平移关系；

表示机器人坐标系与工件坐标系之间的旋转平移关系；E₁表示标准位姿时1号孔在工件坐标系下的坐标与三坐标测量仪或激光跟踪仪测得结果比对后的修正偏差；

当单线结构光三维传感器相对于机器人末端法兰发生位姿变化后：1号孔在工件坐标系下的测量结果记为P_1-obj-S，其可用以下公式表示：

C_1S代表单线结构光三维传感器相对于机器人末端法兰发生位姿变化后，1号孔在传感器坐标系下的测量值；

代表法兰坐标系下单线结构光三维传感器相对于机器人末端法兰发生位姿变化后，其位姿相对于标准位姿的变化关系；此处假定单线结构光三维传感器相对于机器人末端法兰发生位姿变化前、后1号孔在工件坐标系下的坐标与三坐标测量仪或激光跟踪仪测得结果比对后的修正偏差不变；

令单线结构光三维传感器相对于机器人末端法兰发生位姿变化前、后1号孔在传感器坐标系下的坐标相等，即：P_1S＝P_1O；略去公因式，得到

此步骤六个孔中心可得到六个公式，联立计算，求取

(立体块上至少设置3个孔孔原因就是3个公式的联立即能求取

)

3)按照如下公式获取单线结构光三维传感器相对于机器人末端法兰发生位姿变化后的被测点j在工件坐标系下的的坐标P_j-obj-s；

其中，C_js表示单线结构光三维传感器相对于机器人末端法兰发生位姿变化后的被测点j在传感器坐标系下测得的坐标；

表示标准位姿时传感器坐标系与机器人法兰坐标系之间的旋转平移关系；

表示法兰坐标系到机器人坐标系的旋转平移关系；

表示机器人坐标系与工件坐标系之间的旋转平移关系；

E_j表示初始位姿时被测点j在工件坐标系下的坐标与三坐标测量仪或激光跟踪仪测得结果比对后的修正偏差。

(初始位姿，就是标定完成后，第一次完整、正确的测试工件上不同被测点的位姿。)

初始位姿时，利用测量精度更高的三坐标测量仪或激光跟踪仪分别测得各被测点的坐标，分别比较P_jo与其差值，记为E_j；

具体设计时，立体块上孔的形状为椭圆、圆、长条孔、矩形或多边形。

为了便于区分，立体块包括的多个高度不同的平面呈阶梯状，逐次升高或逐次降低、或先升高再降低，或先降低再升高，或高低上呈无规律分布。

本实施例中，立体块呈阶梯状，包括8个高低不同的台阶，每层台阶上表面设置圆孔。

其中，

利用机器人运动学模型获得。

实施本方法时，机器人首先示教标准位姿、预设轨迹，具体的：

标准位姿示教完成后，将立体块上n个孔所对应的采图位姿分别记为该点对应的标准位姿；

记录示教过程中单线结构光三维传感器测量立体块时的运动轨迹为预设轨迹。

此过程仅需进行一次。

当单线结构光三维传感器发生碰撞或者维修拆卸后，其相对于机器人末端法兰发生位姿变化，需要进行测量功能恢复时，利用立体块，执行步骤1)～3)。

在工业测量现场，当位于机器人末端的结构光传感器位置变动，需要重新恢复测量功能时，只需对立体块上的孔进行测量，即可利用孔心计算出传感器变动前、后的位姿变化，将新传感器的测量结果与初始传感器的测量结果保持一致，无需做大量的比对工作，节省了多次测量比对时间。在相同的时间内，本方法可大大提高生产节拍，为工厂带来极大的经济效益。

前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。

Claims (5)

1.一种利用立体块恢复单线结构光三维传感器测量功能的方法，所述单线结构光三维传感器固定于机器人末端；

所述立体块固定设置于工位内，包括两个或多个高度不同的平面，各平面相互平行且分别设有一个或两个孔，所述立体块上孔的总数至少为三个，且所有孔的中心不共线；

其特征在于，包括如下步骤：

1)单线结构光三维传感器相对于机器人末端法兰发生位姿变化后，机器人按照预设轨迹运动，激光器投射单线激光，形成一个激光平面，所述激光平面与立体块上孔相交；

2)相机采集包含经立体块上孔调制后激光线条的图像，计算各孔中心的三维坐标，求取法兰坐标系下单线结构光三维传感器相对于机器人末端法兰发生位姿变化后，其位姿相对于标准位姿的变化关系

式中，C_O表示标准位姿时立体块上孔在传感器坐标系下的测量值集合；C_O＝[C_1OC_2OC_3O…C_nO]，n代表立体块上孔的总数量，C_iO代表齐次坐标列向量，i＝1,2,3……n；

C_S代表单线结构光三维传感器相对于机器人末端法兰发生位姿变化后，立体块上孔在传感器坐标系下的测量值的集合，C_S＝[C_1S C_2SC_3S…C_nS]，C_iS代表此刻的齐次坐标列向量；

3)按照如下公式获取单线结构光三维传感器相对于机器人末端法兰发生位姿变化后的被测点j在工件坐标系下的的坐标P_j-obj-s；

其中，C_js表示单线结构光三维传感器相对于机器人末端法兰发生位姿变化后的被测点j在传感器坐标系下测得的坐标；

表示标准位姿时传感器坐标系与机器人法兰坐标系之间的旋转平移关系；

表示法兰坐标系到机器人坐标系的旋转平移关系；

表示机器人坐标系与工件坐标系之间的旋转平移关系；

E_j表示初始位姿时被测点j在工件坐标系下的坐标与三坐标测量仪或激光跟踪仪测得结果比对后的修正偏差。

2.如权利要求1所述利用立体块恢复单线结构光三维传感器测量功能的方法，其特征在于：所述立体块上孔的形状为椭圆、圆、长条孔、矩形或多边形。

3.如权利要求1所述利用立体块恢复单线结构光三维传感器测量功能的方法，其特征在于：所述立体块包括的多个高度不同的平面呈阶梯状，逐次升高或逐次降低、或先升高再降低，或先降低再升高，或高低上呈无规律分布。

4.如权利要求1所述利用立体块恢复单线结构光三维传感器测量功能的方法，其特征在于：

利用机器人运动学模型获得。

5.如权利要求1所述利用立体块恢复单线结构光三维传感器测量功能的方法，其特征在于：所述标准位姿、预设轨迹通过如下方式获得：

标准位姿示教完成后，将立体块上n个孔所对应的采图位姿分别记为该点对应的标准位姿；

记录示教过程中单线结构光三维传感器测量立体块时的运动轨迹为预设轨迹。

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