CN1730248A

CN1730248A - 一种逆向工程机器人系统

Info

Publication number: CN1730248A
Application number: CNA2005100470794A
Authority: CN
Inventors: 马孜; 胡英; 黄进; 李爱国
Original assignee: Dalian Maritime University
Current assignee: Dalian Maritime University
Priority date: 2005-08-20
Filing date: 2005-08-20
Publication date: 2006-02-08

Abstract

一种逆向工程机器人系统属于先进制造技术领域。系统由测头、机器人、计算机、控制柜和变位机组成，用户输入测量基本参数，系统自动进行扫描路径规划，控制机器人、变位机和测头完成测量。系统利用机器人控制的灵活性实现自动一体化的路径规划。利用工业机器人的环境适应能力和抗噪声能力满足工业现场需求。以主动及自动化的检测模式实现后处理自动化和可开发性。已经成为制造业信息传递的重要而简洁途径之一。

Description

一种逆向工程机器人系统

技术领域

本发明属于先进制造技术领域。

背景技术

逆向工程(Reverse Engineering)作为一项新的先进制造技术被提出是在上世纪八十年代末至九十年代初。当时首先由美国汽车龙头—福特汽车公司倡导的汽车“2毫米工程”对传统的制造业提出了前所未有的挑战。它要求将质量控制从最终产品的检验和检测，提前到产品的开发设计阶段，其目的在于减小开发风险，降低开发成本，加快产品成功开发的周期。

随着计算机技术的发展，三维造型技术已被制造业广泛应用于产品及模具设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护各个方面。在实际开发制造过程中，设计人员接收的技术资料可能是各种数据类型的三维模型，但很多时候，却是实物模型。设计人员需要通过一定的途径，将这些实物信息转化为CAD模型，这就应用到了逆向工程技术(Reverse Engineering)。也就是利用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程。

一般来说，在工业领域的实际应用中，逆向工程包括以下几个内容：

(1)新零件的设计，主要用于产品的改型或彷型设计。

(2)已有零件的复制，再现原产品的设计意图。

(3)损坏或磨损零件的还原。

(4)数字化模型的检测，以及进行模型的比较。

逆向工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持，它已经成为制造业信息传递的重要而简洁途径之一。目前，在国际上，具有代表意义的逆向工程系统有：英国雷尼绍公司的第二代高速扫描仪(CYCLON SERIES2)；德国GOM公司的ATOS便携式扫描仪；日本罗兰公司的PIX-30、PIX-4台式扫描仪和福莱德公司的柔性便携式三维坐标机。这些系统在某些应用领域能够有效地提供用于模型重构的点云数据。

以三维激光检测为依托的逆向工程装备极大地推动了企业产品开发、提高设计水平和减少开发周期，取得了很好的经济效益和社会效益。然而，上述装备适用范围是具有局限性的。它们存在下述问题。

1)前三种逆向工程系统只能被固定使用，被测对象是能够被自由移动到检测现场的物体。不能在加工、制造、质量检测背景下应用于诸如轮船、汽车及飞机等大型加工或维修现场使用。对于复杂的待测工件，由于三维坐标机固有的特性，不能一次性完成扫描，需要多次扫描，并进行数据拼合。此外该系统形体笨拙且价格昂贵。这一切严重地阻碍了该类装备的在制造加工和维修业的广泛应用。

2)便携三维坐标机虽能在现场使用，但要人工干预，且该系统只能适用于较小的检测对象，并不适用大型复杂的检测对象。

3)使用上述逆向装备只能测取工件的点云信号，需要使用特殊的逆向工程软件对其进行处理加工才能完成模型重构的整个过程。在现有的检测模式下，难于实现数据检测、识别、处理集成化和模型重构自动化。

4)上述装备功能单一，不具备针对不同的应用背景进行再开发的可能性。

上述分析表明，具有开拓性、实用性和综合性的逆向工程装备在新产品的开发、旧零件的还原以及产品的检测中已占据了重要地位。由于现有装备不能在加工现场完成不易搬动的大型工件的检测任务。面对制造业的飞速发展，一种集成度高，灵活性强，适用于大型工件并能够在加工现场使用的全自动化的逆向工程装备的需求已迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的就是提供一种能够实现逆向工程中数据采集及模型重构的逆向工程机器人系统。

本发明的原理是，结合机器人技术及激光扫描技术，打破常规逆向工程装备的表面数据检测模式，利用关节式机器人的六个自由度，一次性完成整个待测物体的扫描，极大的提高了扫描精度同时有效的缩短了扫描时间。

本发明的技术解决方案是，本系统由激光测头1、工业机器人2、主控计算机3、控制柜4、变位机5和待测工件6组成，其中激光测头1通过数据电缆与工业机器人2连接，传输扫描数据，工业机器人2通过通讯电缆与控制柜3相连，接受运动指令同时传递扫描数据，控制柜3通过网口与主控计算机1相连，传递控制指令和扫描数据，主控计算机1主要完成运动路径规划、数据显示和处理等核心任务。系统的基本工作流程如下：用户通过主控计算机输入待测工件的尺寸范围、材质等基本参数，系统自动进行扫描路径规划，然后控制机器人、变位机和激光测头进行测量。测量数据进行实时三维显示，最终完成整个工件的测量任务。用户也可以根据测量结果，通过交互干预修改测量路径，从而获得满意的测量结果。另外，该系统还可以完成带有孔状特征的待测工件孔内部特征的扫描。测量结束后系统自动保存测量结果，然后用户可以有选择性的在此基础上进行点云数据、曲线重建、曲面重建和模型验证的处理。

测量时间&测量精度：

测量时间由待测工件的表面复杂程度和扫描精度决定。标准测试物体的测量时间为30分钟，空间分辨率1mm。测量精度由激光测头决定，重复定位精度达1μm-10μm。

为实现上述目的，本系统工作的主要步骤包括：

a)输入待测工件的基本几何尺寸(包裹物体的最小包围盒)及基本扫描条件(待测物体的材质、表面粗糙度)。

b)自动路径规划。

c)扫描+实时点云数据三维显示。

d)扫描数据的检定+扫描路径调整+局部二次扫描。

e)数据后处理(点云处理、曲线重建、曲面重建、模型验证)。

自动路径规划的步骤采取基于预测的路径规划方法：

该方法要首先根据已测出曲面上前十点用最小二乘拟合方法近似预测出Q点的坐标。然后计算出P点与Q点在X、Y、Z坐标的平移距离dx、dy、dz和绕X、Y、Z的旋转角度α、β、γ。

将这些计算结果作为机器人腕部的调整变量，得出机器人的腕部位姿，通过机器人运动学的逆运算，得到机器人各关节变量，控制机器人到达新的位置并完成Q点的测量。

这种路径规划方法是实时在线完成的，只需要一次扫描就可以完成整个测量任务，速度较快。缺点是对于曲面形状突变的地方无法准确测量。

自动路径规划的步骤采取基于扫描数据的路径规划方法：

该方法将扫描过程分成两个阶段：粗扫和精扫。首先固定测头的姿态，采用阶梯状预测方法对测头的位置进行调整，完成对待测工件表面的粗略测量过程。预测函数：

Δh＝(M_max+M_min)/2-P_Z

其中M_max和M_min分别是激光测头的最大和最小测量范围，P_Z是P点的Z坐标。

然后根据粗扫的结果估算各测量点的法向量。根据被测点的实际法向量和三维坐标值重新进行一次扫描，以纠正粗扫过程中的测量误差，得到最终的测量结果。被测点的法向量估计函数如下：

n＝ BE CD

实现点云数据三维显示的步骤：

a)获取测头深度数据d；

b)根据测头与机器人腕部的坐标变换矩阵A和机器人的腕部位姿矩阵B得到被测点相对于机器人基座的坐标；

c)利用基于OpenGL的三维引擎实现点云的三维绘制。

由于所有测量点的坐标都是基于机器人基座的，所以对待测工件的各面进行测量时测量数据可实现无缝弥合，不需要点云的配准和融合，有效地提高了测量精度。

本发明所达到的有益效果是：本发明利用机器人控制的灵活性，实现了快速高效的路径规划，使得整个系统具有灵活性和开发性好、适应性强、功能全、集成度高的特点。由于工业机器人具有极强的环境适应能力和抗噪声能力，使得本系统完全可以在工业现场使用。系统以灵活主动及自动化的检测模式打破现有的被动的或手动的检测模式，以此把逆向工程装备推向加工现场使其实时化。从而取得通过逆向工程推动加工设计自动化、加工质量监测自动化和贵重工件修复自动化的结果。作为一种新型的逆向工程装备，该系统将在庞大的国际国内市场上具有强大的竞争力。该装备将推动制造业自动化的发展。与此同时，目前已经成熟的机器人产品的市场将被拓宽。普及机器人应用的步伐将被加快。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1是本发明的系统示意图。

图2是本发明的对测试物体前视扫描姿态图。

图3是本发明的对测试物体后视扫描姿态图。

图4是本发明的对带孔部件孔内部的测量方法图。

图5是本发明的标准测试物体图。

图6是本发明的基于预测的路径规划方法图。

图7是本发明的基于扫描数据的路径规划方法粗扫规划图。

图8是本发明的基于扫描数据的路径规划方法法向量计算图。

图9是本发明的流程图。

图10是本发明的具体实施方式待测工件图。

图11是本发明的扫描结果图。

图12是本发明的扫描结果图。

图13是本发明的扫描结果图。

图14是本发明的扫描结果图。

图1中，1.是激光测头 2.是工业机器人 3.是主控计算机 4.是控制柜 5.是变位机 6.是待测工件。

具体实施方式

通过关节式机器人，采用非接触式激光扫描头或激光传感器对复杂的未知曲面进行数据检测，利用机器人的六个自由度，通过自适应路经规划在扫描过程中对曲面进行跟踪，尽可能的保证激光测头与被测表面距离恒定，激光射入角垂直于被测点表面。在保证检测精度的基础上有效地克服检测盲点问题和不能一次性完成扫描的问题。利用工业机器人的环境适应能力、抗噪声能力和工作空间能力解决传统设备难以适应工业现场的问题，通过一体化的软件设计和系统流程，解决传统系统难于实现数据检测、识别、处理集成化和模型重构自动化。的问题。实践证明本发明设计的系统具有快速性、高效性和可行性，具有极高的应用价值。

本发明主要包括以下三个部分：

(一)扫描路径的规划，主要是待测点的坐标和法向量的估计。

(二)扫描数据的坐标转换和三维显示。

(三)数据后处理，包括点、线、面。

下面结合上述两部分，对一个发动机部件的扫描进行详细的介绍：

步骤1：输入待测工件的基本参数

尺寸：11×20×15cm³，

材质：钛合金

表面粗糙度：≤0.5％。

步骤2：粗扫

采用路径规划的第二种方法即基于扫描数据的路径规划方法。将扫描过程分成两个阶段：粗扫和精扫。首先固定测头的姿态，采用阶梯状预测方法对测头的位置进行调整，完成对待测工件表面的粗略测量过程。预测函数：

Δh＝(M_max+M_min)/2-P_Z＝(250-90)/2-P_z＝80-P_z

其中250和90分别是激光测头的最大和最小测量范围，P_Z是P点的Z坐标。获取待测工件的粗略外形特征。

步骤3：精扫

根据粗扫的结果估算各测量点的法向量。被测点的法向量估计函数如下：

n＝ BE CD

根据被测点的实际法向量和三维坐标值重新进行一次扫描，以纠正粗扫过程中的测量误差，得到最终的测量结果。

运行结果：图10是本次扫描的发动机部件。图11-图13是实物与扫描结果的对比。其中图11是俯视图、图12是左视图、图13是右视图、图14是正视图。

Claims

1.一种逆向工程机器人系统，其特征在于，

a.本系统由激光测头(1)、工业机器人(2)、主控计算机(3)、控制柜(4)、变位机(5)和待测工件(6)组成，其中激光测头(1)通过数据电缆与工业机器人(2)连接，工业机器人(2)通过通讯电缆与控制柜(4)相连，控制柜(4)通过网口与主控计算机(3)相连，待测工件(6)固定在与系统连接的变位机(5)上；

b.系统工作的步骤是：

①通过主控计算机(3)输入待测工件(6)的几何尺寸及扫描条件，

②自动路径规划，

③扫描+实时点云数据三维显示，

④扫描数据的检定+扫描路径调整+局部二次扫描，

⑤数据后处理。

2.根据权利要求1所述的一种逆向工程机器人系统，其特征在于，自动路径规划的步骤采用基于预测的路径规划方法，首先根据已测出曲面上前十点用最小二乘拟合方法近似预测出Q点的坐标；然后计算出P点与Q点在X、Y、Z坐标的平移距离dx、dy、dz和绕X、Y、Z的旋转角度α、β、γ；将这些计算结果作为机器人腕部的调整变量，得出机器人的腕部位姿，通过机器人运动学的逆运算，得到机器人各关节变量，控制机器人到达新的位置并完成Q点的测量。

3.根据权利要求1所述的一种逆向工程机器人系统，其特征在于，自动路径规划的步骤采用基于扫描数据的路径规划方法，将扫描过程分成两个阶段：粗扫和精扫；首先固定测头的姿态，采用阶梯状预测方法对测头的位置进行调整，完成对待测工件表面的粗略测量过程；预测函数：

Δh＝(M_max+M_min)/2-P_Z，

其中M_max和M_min分别是激光测头的最大和最小测量范围，P_Z是P点的Z坐标；

然后根据粗扫的结果估算各测量点的法向量；根据被测点的实际法向量和三维坐标值重新进行一次扫描，以纠正粗扫过程中的测量误差，得到最终的测量结果；被测点的法向量估计函数如下：

n＝ BE CD

4.根据权利要求1所述的一种逆向工程机器人系统，其特征在于，实现点云数据三维显示的步骤是：

a.获取测头深度数据d；

b.根据测头与机器人腕部的坐标变换矩阵A和机器人的腕部位姿矩阵B得到被测点相对于机器人基座的坐标；

c.利用基于OpenGL的三维引擎实现点云的三维绘制。