[發明專利]一種基于激光雷達的機床防碰撞系統及方法

有效

• 申請號: 202010550944.1
• 申請日: 2020-06-16
• 公開（公告）號: CN111993155B
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發明（設計）人: 吳玉香;萬福璽
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: B23Q17/00
• 分類號: B23Q17/00;B23Q17/24;B23Q5/58
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;隆翔鷹

1.一種基于激光雷達的機床防碰撞系統，應用在機床上，其特征在于，包括反光膜組和激光雷達旋轉平臺，所述反光模組包括兩個反光膜，兩個所述反光膜間隔設置在機床刀具夾具(3)的末端，按照反光強度遞增的順序排布，所述激光雷達旋轉平臺固定設置在機床的靠近操作臺側的上頂角處，所述激光雷達旋轉平臺包括電機(21)、二維激光雷達(22)和加速度計(23)，所述電機(21)與機床固定連接，所述二維激光雷達(22)與所述電機(21)固定連接，所述加速度計(23)與所述二維激光雷達(22)固定連接。

2.根據權利要求1所述的一種基于激光雷達的機床防碰撞系統，其特征在于，還包括安裝框架，所述安裝框架與機床固定連接，所述電機(21)、二維激光雷達(22)和加速度計(23)均固定在所述安裝框架上。

3.一種基于激光雷達的機床防碰撞方法，其特征在于，基于權利要求1-2任一所述的機床防碰撞系統，包括以下步驟：

通過激光雷達獲取機床內部環境的點云數據；

通過激光雷達接收每個反光膜的反光信號，得到每個反光膜所在位置坐標，并計算得到反光膜組中心位置的坐標；

根據反光膜組中心位置的坐標，對一定范圍內的點云數據進行處理，識別出當前刀具類型；

若當前刀具類型與設定的不符，則系統判斷為換刀出錯，有撞機風險，發出停機指令；

若刀具類型與設定的相符，則對兩個反光膜坐標進行直線擬合，獲得當前刀具的方向，并調用存儲在數控機床存儲器中公式，根據兩個反光膜中心坐標，計算出當前刀尖的三維坐標；

計算刀具刀尖的三維坐標與設定刀具軌跡的歐式距離，選取歐式距離d₁作為特征值，與設定的第二閾值對比，若大于第二閾值，則系統判斷有撞機風險，發出停機指令。

4.根據權利要求3所述的一種基于激光雷達的機床防碰撞方法，其特征在于，所述得到每個反光膜所在位置坐標，并計算得到反光膜組中心位置的坐標，具體包括：根據激光雷達旋轉平臺測得的點云數據與加速度計測得的俯仰角，采用坐標轉換公式，演算出反光膜所在位置的各個點在激光雷達坐標系下的三維坐標，然后計算出反光膜組中心位置的坐標，并將中心位置的坐標轉化為機床坐標系下的三維坐標。

5.根據權利要求3所述的一種基于激光雷達的機床防碰撞方法，其特征在于，所述對一定范圍內的點云數據進行處理，識別出當前刀具類型，具體包括：

通過點云正交投影輪廓特征(PCF)獲得候選刀具類型；

在PCF的基礎上利用迭代最近點算法(ICP)將目標與離線模型庫點云匹配，并綜合利用特征匹配和點云匹配信息構建相似性度量，實現當前刀具類型的識別。

6.根據權利要求5所述的一種基于激光雷達的機床防碰撞方法，其特征在于，所述一定范圍內的點云數據為，反光膜組中心位置的坐標周圍長方體范圍內的點云Q，所述長方體以反光膜組中心位置作為上底面中心，沿著反光膜反光強度由弱到強的方向延伸，長方體的高所在的直線平行于兩個反光膜所擬合直線，長寬高數據按照能包含最大刀具尺寸給出。

7.根據權利要求6所述的一種基于激光雷達的機床防碰撞方法，其特征在于，所述通過點云正交投影輪廓特征(PCF)獲得候選刀具類型，具體包括：

所述點云Q包含N個點，將點云Q分別投影到XY、XZ、YZ坐標平面中，相應得到投影點云Q-xy、投影點云yz和投影點云xz，并分別轉換為點云Q在XY、XZ、YZ三個投影平面的一維的輪廓描述向量PCF，

將三個一維的輪廓描述向量PCF分別與離線模型庫每個刀具類型對應的三個PCF向量進行匹配獲得候選刀具類型，所述離線模型庫是預先獲得的，包含所有刀具的PCF圖以及各種刀具的尺寸和形狀信息。