[發(fā)明專利]一種基于KNN-ICP算法的自由曲面定位方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010748896.7
• 申請(qǐng)日: 2020-07-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111882614A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-11-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 閔康;戴振東;段晉軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京溧航仿生產(chǎn)業(yè)研究院有限公司
• 主分類號(hào): G06T7/73
• 分類號(hào): G06T7/73;G06F30/20;G06F17/16;G06N3/04
• 代理公司: 南京擎天知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32465
• 代理人: 涂春春

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于KNN?ICP算法的自由曲面定位方法，包括以下步驟：（1）利用機(jī)器人，對(duì)曲面進(jìn)行采點(diǎn)，獲得實(shí)際測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)；（2）根據(jù)加工公差，對(duì)曲面的CAD模型進(jìn)行離散，生成理論點(diǎn)云數(shù)據(jù)；（3）利用KNN算法，計(jì)算實(shí)際測(cè)量點(diǎn)云中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)在理論點(diǎn)云中的最近點(diǎn)和最小距離；判斷是否滿足迭代終止條件，是則轉(zhuǎn)到步驟（5），否則轉(zhuǎn)到步驟（4）；（4）利用四元數(shù)法，計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，使得當(dāng)前測(cè)量點(diǎn)集逼近最近點(diǎn)集，得到新的測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的位置，并返回步驟（3）；（5）終止迭代，并輸出工件相對(duì)于機(jī)器人的工件坐標(biāo)系。本發(fā)明提供的自由曲面定位方法，通過(guò)KNN算法，搜索最近點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，計(jì)算效率高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)輔助制造及機(jī)器人加工技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于KNN-ICP算法的自由曲面定位方法。

背景技術(shù)

機(jī)器人離線編程打磨是當(dāng)下最合適的機(jī)器人打磨方式。其具體思路是通過(guò)軟件在電腦上模擬出機(jī)器人周圍的工況，在虛擬的三維工況中，根據(jù)加工零件的材料、大小、形狀配合上操作者的操作，直接在計(jì)算機(jī)內(nèi)部生成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，并產(chǎn)生相應(yīng)的程序，導(dǎo)入機(jī)器人系統(tǒng)中進(jìn)行作業(yè)。

機(jī)器人打磨過(guò)程中，工件坐標(biāo)系定位（建立工件相對(duì)于機(jī)器人的坐標(biāo)系）非常重要。工件自定位指利用計(jì)算機(jī)及傳感器測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)位姿求解算法，實(shí)現(xiàn)工件實(shí)際工況下的精確定位，其本質(zhì)是三維點(diǎn)云的精確配準(zhǔn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者圍繞三維點(diǎn)云匹配問(wèn)題展開(kāi)了系統(tǒng)的研究其中最具代表性的是由Besl和McKay提出的迭代最近點(diǎn)算法（IterativeClosest Point, ICP），該算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、精度高，但是計(jì)算效率低。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，為了更高效準(zhǔn)確的建立工件相對(duì)于機(jī)器人的工件坐標(biāo)系，本發(fā)明采用機(jī)器人系統(tǒng)獲取整個(gè)曲面的實(shí)際測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并提出了基于KNN-ICP算法的自由曲面定位方法；該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，計(jì)算效率高，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出工件坐標(biāo)系。

本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于KNN-ICP算法的自由曲面定位方法，其特征在于，包括以下步驟：

（1）利用機(jī)器人，對(duì)曲面進(jìn)行采點(diǎn)，獲得實(shí)際測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

（2）根據(jù)加工公差，對(duì)曲面的CAD模型進(jìn)行離散，生成理論目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

（3）利用KNN算法，計(jì)算實(shí)際測(cè)量點(diǎn)云中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)在上的最近點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的最短距離，其中表示迭代次數(shù)，初始情況,；設(shè)為給定的迭代終止精度，若，則轉(zhuǎn)到步驟（5），否則轉(zhuǎn)到步驟（4）；

（4）采用四元數(shù)法，計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，得到新的測(cè)量點(diǎn)云位置=，，使得當(dāng)前測(cè)量點(diǎn)云逼近，并返回步驟（3）；

（5）終止迭代，并輸出工件相對(duì)于機(jī)器人的工件坐標(biāo)系。

對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選，步驟（1）中，機(jī)器人對(duì)自由曲面采點(diǎn)，獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)數(shù)量，且。

對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選，步驟（4）中采用四元數(shù)法，計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，假設(shè)實(shí)際測(cè)量點(diǎn)集和理論目標(biāo)點(diǎn)集分別為和，旋轉(zhuǎn)矩陣為，平移矩陣為，則具體計(jì)算步驟為：

(4.1) 計(jì)算點(diǎn)集和的中心和，并進(jìn)行中心化處理：

,,，

(4.2) 根據(jù)中心化后的數(shù)據(jù)點(diǎn)集，計(jì)算協(xié)方差矩陣，并通過(guò)協(xié)方差矩陣構(gòu)造正定矩陣：

(4.3) 計(jì)算出正定矩陣N的特征值，其中對(duì)應(yīng)最大特征值的特征向量對(duì)應(yīng)著旋轉(zhuǎn)四元數(shù)為：