[發明專利]基于機器人的快速自動化三維形貌在線測量方法和系統

無效

• 申請號: 200810052775.8
• 申請日: 2008-04-17
• 公開（公告）號: CN101261118A
• 公開（公告）日: 2008-09-10
• 發明（設計）人: 邾繼貴;劉常杰;吳斌;郭磊;任永杰
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;B25J9/00;B25J9/22
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所
• 代理人: 張宏祥

技術領域

本發明涉及精密測量方法和系統，特別涉及一種基于機器人運動平臺的、能夠快速、高度自動化地實現工業產品三維形貌在線測量的方法和系統。

背景技術

自由型體三維形貌測量是逆向工程、產品數字化設計和生產的基礎支撐技術，也是一種先進的產品質量檢測手段。在現代工業制造中，大規模連續的生產方式對產品的在線檢測有著十分迫切的要求。在對產品三維形貌精度要求較高的工業制造領域，實現快速、高度自動化的工業產品三維形貌在線測量具有非常廣泛的應用背景和十分重要的應用價值。

傳統的實現自由型體三維形貌測量方法主要有兩大類：直接利用坐標測量機(CMM)和間接利用CMM測量原理。前者直接應用CMM，將被測物體放在CMM上，用CMM測頭對物體進行采樣，得到物體的形貌數據。這種方法受到CMM直線導軌運動形式的限制，效率非常低，測量一個較大的物體通常需要幾天甚至十幾天時間，并且不能應用于現場環境。后者間接利用CMM原理，將標準的CMM用運動形式靈活(包含旋轉自由度)、成本較低的簡化結構代替，配合高精度的激光掃描系統(相當于CMM測頭)。測量時，被測物置于工作臺上，工作臺帶動被測物體旋轉或激光掃描系統繞工作臺旋轉，實現物體多個側面快速掃描測量。較之直接利用CMM，后者速度快，成本低，但不適用于大型物體和精度要求較高的場合。

近年來發展了一種基于數字近景攝影測量的便攜式測量方法。這種方法利用非接觸光學測頭對被測物的不同區域進行單元測量，然后結合立體拼接技術，將各單元測量數據拼接在一起(統一在一個全局坐標系中)，形成完整的三維形貌。在這種測量方法中，單元測量數據的拼接精度是影響形貌測量精度的關鍵因素。目前，利用全局控制手段實現高精度的拼接是常用的方法，其中包括基于粘性標記點和不基于粘性標記點兩種。這兩種方法均需要在測量前在被測物表面或被測物周圍設置全局控制點和基準尺等輔助設備，然后利用高精度數碼相機從多個不同角度，以不同的姿態拍攝包含全局標記點和基準尺的圖像，實現整體拼接。

上述測量方法具有明顯局限性：1)或受測頭運動形式的限制，或受測量柔性的制約，測量速度慢；2)測量過程中需要人為操作干預，自動化程度低；工業產品三維形貌在線檢測具有速度快，柔性高，高度自動化的測量要求，因此，上述方法不能滿足在線測量的要求。

發明內容

本發明的目的正是為了克服上述現有技術中的不足，提供一種測量速度快，柔性好，精度高，自動化程度高，能夠滿足在線檢測的要求基于機器人的快速自動化三維形貌在線測量方法和系統。

本發明的一個技術方案是：一種基于機器人的快速自動化三維形貌在線測量方法，包括以下步驟：

①定義測頭測量坐標系O_sX_sY_sZ_s；測頭上安裝測頭控制點，定義測頭控制坐標系O_cX_cY_cZ_c；確定測頭控制坐標系O_cX_cY_cZ_c與測頭測量坐標系O_sX_sY_sZ_s之間的關系M_sc；將測頭安裝在機器人關節臂的末端工具上，示教機器人；

②標定全局控制相機；全局控制相機的安裝位置應滿足三維測頭在空間所有測量位置下，三維測頭上至少三個測頭控制點出現在相機的公共視場中；相機坐標系之間的轉換關系預先標定好，定義全局坐標系O_gX_gY_gZ_g；

③測頭在機器人的帶動下運動到測量位置，測頭采集被測物的三維形貌數據，同時全局控制相機對測頭控制點拍照，確定當前測量位置下測頭控制坐標系O_ciX_ciY_ciZ_ci與全局坐標系O_gX_gY_gZ_g之間的關系M_cig；重復上述過程，直到數據采集完畢；

④測頭和全局控制相機將采集的數據傳送給控制計算機，控制計算機對所有圖像數據進行處理，獲得統一在全局控制坐標系O_gX_gY_gZ_g下的被測物表面的整體三維形貌。