[發明專利]一種管道位姿測量裝置及方法

有效

• 申請號: 202210182068.0
• 申請日: 2022-02-25
• 公開（公告）號: CN114459353B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 侯宇瀚;葉文達;朱海飛;葉鵬程;陳洪佳;管貽生
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 牛念

1.一種管道位姿測量方法，其特征在于，包括管道位姿測量裝置，所述管道位姿測量包括導向動力組件、變徑支架組件、周向旋轉組件、檢測組件和控制器；

三個所述變徑支架組件分布在所述導向動力組件的周側，且由所述導向動力組件驅動進行同步變徑，所述周向旋轉組件設于所述導向動力組件的端部，且與所述導向動力組件同軸設置，所述檢測組件設于所述周向旋轉組件上，由所述周向旋轉組件驅動進行周向旋轉；

所述導向動力組件、周向旋轉組件、檢測組件均與所述控制器電性連接；

應用上述的管道位姿測量裝置對管道進行測量，包括以下步驟：

S1：控制器啟動導向動力組件，導向動力組件驅動變徑支架組件進行變徑，以使整個裝置固定在管道內；

S2：控制器啟動檢測組件開始進行檢測，檢測組件采用激光位移傳感器(21)，激光位移傳感器(21)在管道內壁投射若干激光點；

S3：控制器驅動周向旋轉組件帶動激光位移傳感器(21)進行周向旋轉任意角度后，令激光位移傳感器(21)再次投射若干激光點，激光位移傳感器(21)將數據傳輸給控制器；

S4：控制器以激光位移傳感器(21)所在的平面建立基坐標系{B}，其z軸朝向為管道的軸線方向，進行激光位移傳感器坐標系{C}相對于各自腕部坐標系{W}的轉換、腕部坐標系{W}相對于基坐標系{B}的轉換，以此來獲取打到管道內壁的激光點相對于基坐標系{B}的三維點坐標；

S5：控制器基于激光點相對于基坐標系{B}的三維點坐標，進行橢圓擬合，并根據最小二乘法計算橢圓方程、橢圓的長短軸、以及橢圓與管道橫截面的偏角α，確定橢圓的圓心(x₀,y₀)位置和長短軸的方向，根據長短軸求得旋轉角度θ；

S6：控制器將基坐標系{B}進行平移和旋轉，在橢圓圓心處得到坐標系{1}，坐標系{1}的圓心為橢圓圓心(x₀,y₀)，且x、y軸分別是橢圓的長軸和短軸，因坐標系{1}的原點在管道軸線上，所以把坐標系{1}的z₁軸繞橢圓短軸y₁軸旋轉角度θ即得到管道軸線的坐標系{2}；

S7：控制器將得到的管道軸線的坐標系{2}進行輸出到屏幕，完成管道位姿的測量；

其中，步驟S4所述的激光點相對于基坐標系{B}的三維點坐標需經過激光位移傳感器坐標系{C}相對于各自腕部坐標系{W}的轉換、腕部坐標系{W}相對于基坐標系{B}的轉換，具體過程為：

上式中，為腕部坐標系{W}相對于基坐標系{B}的變換矩陣；R_z(σ)表示腕部坐標系{W}相對于基坐標系{B}的旋轉矩陣，σ表示腕部坐標系{W}相對于基坐標系{B}旋轉的角度；

激光位移傳感器坐標系{C}相對于腕部坐標系{W}的變換矩陣通過手眼標定求出；上式中，腕部坐標系{W}相對于基坐標系{B}進行σ度旋轉后，沿基坐標系{B}的x軸進行平移即得到腕部坐標系{W}；

激光點相對于基坐標系{B}的三維點坐標在進行坐標系的轉換過程中，因激光位移傳感器(21)內部的工具坐標系不能人為設定，因此還需對其進行一個手眼標定；

手眼標定的基本思路是獲取不同拍攝角度下標定板圖像，通過多次觀察結果推導轉換矩陣中旋轉與平移分量，具體過程如下：

將標定板固定，在標定板上取一個靶點，將激光位移傳感器(21)的安裝支架末端連同激光位移傳感器(21)裝在UR3機器手的末端，控制機器手的末端帶動激光位移傳感器(21)運動到不同位置，使激光位移傳感器(21)投射點在標定板靶點處，從而推導計算出手眼系統的R和T，對于標定過程任意兩個拍攝角度，列出如下關系式：

其中，B表示UR3機器人的基坐標系，W表示安裝激光位移傳感器(21)位置的腕部坐標系，T表示UR3機器人的TCP工具的中心坐標系，C表示激光位移傳感器坐標系；

B₁表示UR3機器人在第一次拍攝角度中的基坐標系，W₁表示激光位移傳感器(21)在第一次拍攝角度中的腕部坐標系，T₁表示UR3機器人的TCP工具在第一次拍攝角度中的中心坐標系；

B₂表示UR3機器人在第二次拍攝角度中的基坐標系，W₂表示激光位移傳感器(21)在第二次拍攝角度中的腕部坐標系，T₂表示UR3機器人的TCP工具在第二次拍攝角度中的中心坐標系；

令簡化上式可得：

AX＝DX

上式中X即為需要求解的手眼關系矩陣。