CN116164663A - 一种道岔尖轨型面轨道式机器人测量设备及其三维模型重建方法 - Google Patents

一种道岔尖轨型面轨道式机器人测量设备及其三维模型重建方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种道岔尖轨型面轨道式机器人测量设备与三维模型重建方法，包括设置于测量平台上的机器人驱动单元和尖轨型面测量单元以及设置于测量平台一侧的电气控制单元。另一方面，三维模型重建方法包括使用弦高差法和高斯滤波法分别去除实测尖轨点云中的离散噪点和混杂噪点；使用自适应最小距离法对实测尖轨点云进行精简；根据尖轨型面特点实现实测尖轨点云的粗配准，采用ICP算法对实测尖轨点云进行精配准；最后采用B样条曲线对实测尖轨型面廓形曲线完成曲面重构。本发明可在道岔厂生产尖轨过程中，对铣削加工后的尖轨型面进行测量，精确的廓形测量为后续机器人高效打磨提供保障，提高尖轨加工质量，改善轮轨匹配关系，延长尖轨使用寿命。

Description

一种道岔尖轨型面轨道式机器人测量设备及其三维模型重建 方法
技术领域
本发明属于尖轨型面测量技术领域，尤其涉及一种道岔尖轨型面轨道式机器人测量设备与三维模型重建方法。
背景技术
目前，道岔厂生产制造尖轨主要经过校直、锻压、铣削和打磨抛光等工艺。其中，打磨抛光工序是由工人使用角磨机对铣削等加工后尖轨端面及棱边产生的毛刺进行处理，存在打磨一致性差、漏打磨及打磨效率低等问题。随着对打磨质量和效率要求的提高，利用工业机器人来进行自主打磨是打磨行业发展的必然趋势，尖轨型面测量是尖轨打磨自动化的一个重要依据。本发明针对未来道岔厂采用工业机器人进行自动化打磨需要高精度测量的需求，基于轨道式机器人与非接触式测量等先进技术，根据道岔厂生产过程中实际工况，提出一种道岔尖轨型面轨道式机器人测量设备与三维模型重建方法。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种道岔尖轨型面轨道式机器人测量设备，包括设置于测量平台上的机器人驱动单元和尖轨型面测量单元以设置于测量平台一侧的电气控制单元；
所述机器人驱动单元包括六自由度工业机器人、导轨载物台、直线导轨和直线电机；所述导轨载物台、直线电机和直线导轨均安装于测量平台的上表面；所述导轨载物台和直线电机均安装于直线导轨上；所述六自由度工业机器人安装于导轨载物台上，在直线电机的驱动下实现直线移动；
所述尖轨型面测量单元包括三维柔性工作台、尖轨、非接触式测量仪器；所述三维柔性工作台安装于测量平台的上表面，位于直线电机模组一侧；所述尖轨通过夹具装夹于三维柔性工作台上表面；所述非接触式测量仪器通过法兰盘固联在六自由度工业机器人的末端，通过机器人位姿的改变来完成尖轨型面测量；
所述电气控制单元包括机器人控制柜、工控一体机、远程控制柜、电控柜；所述非接触式测量仪器与远程控制柜电连；所述机器人控制柜、远程控制柜、直线电机与电控柜电连；所述工控一体机分别与非接触式测量仪器、机器人控制柜中安装的机器人控制器通信；所述机器人控制器与电控柜中安装的PLC控制器通信，从而实现工控一体机与PLC控制器之间的通信；所述PLC控制器与远程控制柜安装的分布式I/O模块通信。
另一方面，一种道岔尖轨型面轨道式机器人测量设备的测量方法，所述方法包括：
通过调整机器人的位姿来使用非接触式测量仪器对尖轨进行多次扫描，扫描次数n，其中n≥2；
改变所述六自由度工业机器人末端位姿，进而改变非接触式测量仪器的扫描位置，使其可以测量到尖轨左侧、左上侧、上侧、右上侧和右侧型面；
改变一次位姿，控制直线电机模组驱动六自由度工业机器人在工作台的前后端移动一次从而完成一次尖轨型面扫描，在扫描n次后从而实现了整条尖轨完整的型面测量，其中n≥2。
另一方面，一种道岔尖轨型面轨道式机器人测量设备的三维模型重建方法，所述三维模型重建方法包括以下步骤：
步骤一：使用弦高差法与高斯滤波法分别消除实测尖轨点云中的离散噪点与混杂噪点；
步骤二：采用自适应最小距离法对实测尖轨点云进行精简；
步骤三：根据尖轨型面特征完成实测尖轨点云的粗配准；
步骤四：采用ICP算法完成实测尖轨点云与标准尖轨型面的精配准；
步骤五：采用B样条曲线对实测尖轨廓形曲线进行曲面重构。
进一步的，所述步骤二具体包括以下步骤：
步骤2.1：计算单条扫描线上每个点的曲率值，并进行曲率分区；
步骤2.2：确定高曲率区域和低曲率区域的最小阈值H_dmin和L_dmin；
步骤2.3：令扫描线上第一个点P1作为基准点；
步骤2.4：计算P1和该点后第二个测量点P2的距离d1，判断点P2处于哪个区域，假如处于高曲率区域，那么采用H_dmin为最小阈值。若P2不存在，则表示该条扫描线已处理完成，转步骤步骤2.8；
步骤2.5：如果d1≥H_dmin，则说明P2为保留点，令其为基准点，转步骤2.4；
步骤2.6：如果d1<H_dmin，则说明P2为去除点，那么计算点P1和该点后第三个测量点P3的距离d2，并判断点P3处于哪个区域，假如处于低曲率区域，那么采用L_dmin为最小阈值。若P3不存在，则说明该条扫描线上的数据点已经处理完成，转步骤2.8；
步骤2.7：如果d2≥L_dmin，则说明P3为保留点，并令P3为基准点，转2.4。否则，说明P3为去除点，转步骤2.6。依次类推；
步骤2.8：判断是否所有扫描线均已处理完成，若没有则输入下一条扫描线，转步骤2.1，若已处理完成则精简结束。
进一步的，所述步骤三具体过程如下：
通过内在形状签名ISS算法提取出尖轨表面的关键点；
通过快速点特征直方图FPFH算法对关键点进行描述并配对；
通过随机采样一致性算法RANSAC对特征点对进行筛选过滤；
通过奇异值分解法SVD计算出刚体变换矩阵；
完成实测尖轨点云的粗配准。
进一步的，所述步骤四具体包括以下步骤：
步骤4.1：若Ω为源点云P和目标点云Q的重叠区域，假设对于重叠区域Ω中的任一点在点云P和Q中分别对应着pi、qj；
步骤4.2：对于源点云P中的任一点pi，找出在目标点云Q中的对应点qi，使|qi-pi||＝min；
步骤4.3：利用所有对应点对(pi,qi)计算两片点云的刚体变换矩阵，使误差函最小；
步骤4.4：利用上面获取的刚体变换矩阵对源点云P中的点进行坐标变换，得到新的对应点集；
步骤4.5：计算新点集与对应点集qi之间的欧氏距离；
步骤4.6：如果相邻两次距离之差小于指定阈值或达到最大迭代次数，则迭代结束，否则返回步骤4.2继续迭代直至收敛。
本发明的有益效果：
本发明可在道岔厂生产尖轨过程中，对铣削等加工后的尖轨型面进行测量，提升测量的灵活度与经济性，精确的廓形测量为后续机器人高效打磨提供保障，提高尖轨加工质量，改善轮轨匹配关系，延长尖轨使用寿命。
附图说明
图1是本发明方法的整体流程图；
图2是尖轨型面测量系统结构图；
图3是尖轨型面测量系统结构右视图；
图4是尖轨型面测量系统结构前视图；
图5是直线电机模组结构图；
图6是尖轨扫描位置示意图；
图7是机器人扫描尖轨左侧型面示意图；
图8是机器人扫描尖轨右侧型面示意图；
图9是自适应最小距离法算法流程图；
图10是点云粗配准流程图；
图11是ICP算法流程图；
图中，1、测量平台；2、三维柔性工作台；3、尖轨；4、非接触式测量仪器；5、六自由度工业机器人；61、机器人控制柜；62、工控一体机；63、远程控制柜；64、电控柜；71、导轨载物台；72、直线电机；73、直线导轨。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步详细说明，但本发明的具体实施方式不限于此：
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前端”、“后端”、“左侧”、“右侧”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。
此外，当元件被称为“设置于”、“安装于”、“装夹于”另一个元件，它可以直接在一个元件上或者间接在该另一个元件上。
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”、“装夹”、“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，也可以是通过中间媒介简接相连，可以是两个元件内部的联通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图2-图5所示，一种道岔尖轨型面轨道式机器人测量与三维模型重建方法，其测量系统结构方案包括测量平台1、安装于所述测量平台1上的导轨载物台71、直线导轨72、直线电机73、三维柔性工作台2，安装于所述导轨载物台71上的六自由度工业机器人5、装夹于三维柔性工作台2上的尖轨3、安装于六自由度工业机器人5末端的非接触式测量仪器4，该非接触式测量仪器选为线激光传感器；还包括安装于测量平台1一侧的机器人控制柜61、工控一体机62、远程控制柜63、电控柜64，如此布置既节约空间又方便控制；所述工控一体机62分别与非接触式测量仪器4、机器人控制柜61中安装的机器人控制器通信；所述机器人控制器与所述电控柜64中安装的PLC控制器通信，从而实现所述工控一体机62与所述PLC控制器之间的通信；工作时，将尖轨3固定于三维柔性工作台2上，启动相关控制程序，所述工控一体机62中的上位机控制软件向六自由度工业机器人5控制器发送指令，进而控制六自由度工业机器人5动作，工控一体机62亦可向PLC控制器发送控制指令，控制直线电机72工作；采用六自由度工业机器人5末端固定线激光传感器4对尖轨3进行型面测量的方式，极大地缩短测量时间，提高测量精度与测量效率，保证尖轨加工质量。
所述线激光传感器4与远程控制柜63电连；所述机器人控制柜61、远程控制柜63、直线电机72与电控柜64电连；所述工控一体机62与机器人控制柜61安装的机器人控制器通信；所述机器人控制器与电控柜64中安装的PLC控制器通信，从而实现工控一体机62与PLC控制器之间的通信；所述导轨载物台71可以通过直线电机72驱动，在直线导轨73上直线移动。
如图6-图8所示，所述道岔尖轨型面轨道式机器人测量与三维模型重建，其测量过程如下：
通过工控一体机中的上位机软件控制所述直线电机模组驱动六自由度工业机器人运动，使其移动到测量平台前端，改变所述六自由度工业机器人的位姿，进而改变非接触式测量仪器的扫描位置，使其可以测量到尖轨左侧型面，进一步控制直线电机模组驱动六自由度工业机器人从测量平台的前端移动到后端，在移动过程中完成非接触式测量仪器对整条尖轨左侧的型面测量。扫描得到的左侧尖轨型面点云，改变所述六自由度工业机器人的位姿，进而改变非接触式测量仪器的扫描位置，使其可以测量到尖轨右侧型面，进一步控制直线电机模组驱动六自由度工业机器人从测量平台的后端移动到前端，在移动过程中完成非接触式测量仪器对整条尖轨右侧的型面测量，从而获得尖轨完整型面。
获得尖轨完整型面后，如图1所示，所述点云处理与三维模型重建包括下述步骤：
(1)分别使用弦高差法与高斯滤波法消除实测尖轨点云中的离散噪点与混杂噪点；
(2)采用自适应最小距离法对实测尖轨点云数据进行精简；
(3)根据尖轨型面特征完成实测尖轨点云的粗配准；
(4)采用ICP算法完成实测尖轨点云与标准尖轨型面的精配准；
(5)将实测尖轨点云与标准型面进行精配准后，采用B样条曲线对实测断面廓线进行重构。
如图9所示，采用自适应最小距离法对尖轨点云进行精简具体包括以下步骤：
(1)计算单条扫描线上每个点的曲率值，并进行曲率分区；
(2)确定高曲率区域和低曲率区域的最小阈值H_dmin和L_dmin；
(3)令扫描线上第一个点P1作为基准点；
(4)计算P1和该点后第二个测量点P2的距离d1，判断点P2处于哪个区域，假如处于高曲率区域，那么采用H_dmin为最小阈值。若P2不存在，则表示该条扫描线已处理完成，转步骤(8)；
(5)如果d1≥H_dmin，则说明P2为保留点，令其为基准点，转步骤(4)；
(6)如果d1<H_dmin，则说明P2为去除点，那么计算点P1和该点后第三个测量点P3的距离d2，并判断点P3处于哪个区域，假如处于低曲率区域，那么采用L_dmin为最小阈值。若P3不存在，则说明该条扫描线上的数据点已经处理完成，转步骤(8)；
(7)如果d2≥L_dmin，则说明P3为保留点，并令P3为基准点，转步骤(4)。否则，说明P3为去除点，转步骤(6)。依次类推；
(8)判断是否所有扫描线均已处理完成，若没有则输入下一条扫描线，转步骤(1)；若已处理完成则说明精简结束。
如图10所示，所述根据尖轨型面特征完成实测尖轨点云的粗配准具体过程如下：
通过内在形状签名(ISS)算法提取出尖轨表面的关键点，然后通过快速点特征直方图(FPFH)算法对关键点进行描述并配对，接着通过随机采样一致性算法(RANSAC)对特征点对进行筛选过滤，最后通过奇异值分解法(SVD)计算出刚体变换矩阵，完成实测尖轨点云的粗配准。
如图11所示，采用ICP算法完成实测尖轨点云与标准尖轨型面的精配准具体包括以下步骤：
(1)若Ω为源点云P和目标点云Q的重叠区域，假设对于重叠区域Ω中的任一点在点云P和Q中分别对应着pi、qj；
(2)对于源点云P中的任一点pi，找出在目标点云Q中的对应点qi，使||qi-pi||＝min；
(3)利用所有对应点对(pi,qi)计算两片点云的刚体变换矩阵，使误差函最小
Figure BDA0003978055360000101
(4)利用上面获取的刚体变换矩阵对源点云P中的点进行坐标变换，得到新的对应点集p′i＝{p′i＝Rpi+t,pi∈P}；
(5)计算新点集与对应点集qi之间的欧氏距离
Figure BDA0003978055360000102
(6)如果相邻两次距离之差小于指定阈值或达到最大迭代次数，则迭代结束，否则返回步骤(2)继续迭代直至收敛。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出各种变形与改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种道岔尖轨型面轨道式机器人测量设备，其特征在于：包括设置于测量平台(1)上的机器人驱动单元和尖轨型面测量单元以及设置于测量平台(1)一侧的电气控制单元；
所述机器人驱动单元包括六自由度工业机器人(5)、导轨载物台(71)、直线导轨(73)和直线电机(72)；所述导轨载物台(71)、直线电机(72)和直线导轨(73)均安装于测量平台(1)的上表面；所述导轨载物台(71)和直线电机(72)均安装于直线导轨(73)上；所述六自由度工业机器人(5)安装于导轨载物台(71)上，在直线电机(72)的驱动下实现直线移动；
所述尖轨型面测量单元包括三维柔性工作台(2)、尖轨(3)、非接触式测量仪器(4)；所述三维柔性工作台(2)安装于测量平台(1)的上表面，位于直线电机模组一侧；所述尖轨(3)通过夹具装夹于三维柔性工作台(2)上表面；所述非接触式测量仪器(4)通过法兰盘固联在六自由度工业机器人(5)的末端，通过机器人位姿的改变来完成尖轨型面测量；
所述电气控制单元包括机器人控制柜(61)、工控一体机(62)、远程控制柜(63)、电控柜(64)；所述非接触式测量仪器(4)与远程控制柜(63)电连；所述机器人控制柜(61)、远程控制柜(63)、直线电机(72)与电控柜(64)电连；所述工控一体机(62)分别与非接触式测量仪器(4)、机器人控制柜(61)中安装的机器人控制器通信；所述机器人控制器与电控柜(64)中安装的PLC控制器通信，从而实现工控一体机(62)与PLC控制器之间的通信；所述PLC控制器与远程控制柜(63)安装的分布式I/O模块通信。
2.一种道岔尖轨型面轨道式机器人测量设备的测量方法，其特征在于，所述方法包括：
通过调整机器人的位姿来使用非接触式测量仪器对尖轨进行多次扫描，扫描次数n，其中n≥2；
改变六自由度工业机器人的末端位姿，进而改变非接触式测量仪器的扫描位置，使所述六自由度工业机器人测量到尖轨左侧、左上侧、上侧、右上侧和右侧型面；
改变一次位姿，控制直线电机模组驱动六自由度工业机器人在工作台的前后端移动一次从而完成一次尖轨型面扫描，在扫描n次后从而实现了整条尖轨完整的型面测量，其中n≥2。
3.一种道岔尖轨型面轨道式机器人测量设备的三维模型重建方法，其特征在于：所述三维模型重建方法包括以下步骤：
步骤一：使用弦高差法与高斯滤波法分别消除实测尖轨点云中的离散噪点与混杂噪点；
步骤二：采用自适应最小距离法对实测尖轨点云进行精简；
步骤三：根据尖轨型面特征完成实测尖轨点云的粗配准；
步骤四：采用ICP算法完成实测尖轨点云与标准尖轨型面的精配准；
步骤五：采用B样条曲线对实测尖轨廓形曲线进行曲面重构。
4.如权利要求3所述的一种道岔尖轨型面轨道式机器人测量设备的三维模型重建方法，其特征在于，所述步骤二具体包括以下步骤：
步骤2.1：计算单条扫描线上每个点的曲率值，并进行曲率分区；
步骤2.2：确定高曲率区域和低曲率区域的最小阈值H_dmin和L_dmin；
步骤2.3：令扫描线上第一个点P1作为基准点；
步骤2.4：计算P1和P1点后第二个测量点P2的距离d1，判断点P2处于哪个区域，假如处于高曲率区域，那么采用H_dmin为最小阈值；若P2不存在，则表示该条扫描线已处理完成，转步骤2.8；
步骤2.5：如果d1≥H_dmin，则说明P2为保留点，令其为基准点，转步骤2.4；
步骤2.6：如果d1<H_dmin，则说明P2为去除点，那么计算点P1和该点后第三个测量点P3的距离d2，并判断点P3处于哪个区域，假如处于低曲率区域，那么采用L_dmin为最小阈值；若P3不存在，则说明该条扫描线上的数据点已经处理完成，转步骤2.8；
步骤2.7：如果d2≥L_dmin，则说明P3为保留点，并令P3为基准点，转步骤2.4；否则，说明P3为去除点，转步骤2.6；
步骤2.8：判断是否所有扫描线均已处理完成，若没有则输入下一条扫描线，转步骤2.1；若已处理完成则精简结束。
5.如权利要求3所述的一种道岔尖轨型面轨道式机器人测量设备的三维模型重建方法，其特征在于，所述步骤三具体过程如下：
通过内在形状签名ISS算法提取出尖轨表面的关键点；
通过快速点特征直方图FPFH算法对关键点进行描述并配对；
通过随机采样一致性算法RANSAC对特征点对进行筛选过滤；
通过奇异值分解法SVD计算出刚体变换矩阵；
完成实测尖轨点云的粗配准。
6.如权利要求3所述的一种道岔尖轨型面轨道式机器人测量设备的三维模型重建方法，其特征在于，所述步骤四具体包括以下步骤：
步骤4.1：若Ω为源点云P和目标点云Q的重叠区域，假设对于重叠区域Ω中的任一点在点云P和Q中分别对应着pi、qj；
步骤4.2：对于源点云P中的任一点pi，找出在目标点云Q中的对应点qi，使|qi-pi||＝min；
步骤4.3：利用所有对应点对(pi,qi)计算两片点云的刚体变换矩阵，使误差函最小；
步骤4.4：利用上面获取的刚体变换矩阵对源点云P中的点进行坐标变换，得到新的对应点集；
步骤4.5：计算新点集与对应点集qi之间的欧氏距离；
步骤4.6：如果相邻两次距离之差小于指定阈值或达到最大迭代次数，则迭代结束，否则返回步骤4.2继续迭代直至收敛。
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