曲面微孔测量的特征识别与位姿提取方法及系统

本技术属于工业机器人自动化测量，更具体地，涉及一种曲面微孔测量的特征识别与位姿提取方法及系统。

背景技术：

1、在航空发动机制造与维护领域，涡轮叶片表面的气膜孔对于冷却效率至关重要，其加工精度直接影响发动机性能与寿命。随着智能制造的发展，利用工业机器人搭载显微测头等传感器代替传统人工检测，实现气膜孔的非接触式、自动化测量已成为行业趋势。然而，涡轮叶片气膜孔具有微尺度、大深径比、空间朝向复杂且密集分布于自由曲面上的特点，这对自动化测量中的特征识别精度与路径规划安全性提出了极高要求。

2、目前，现有的三维cad模型特征识别技术主要面向常规机械加工零件，采用基于图神经网络或基础几何解析的方法进行特征分类与参数提取。这些技术在处理规则零件时表现良好，能够识别孔、槽等标准加工特征，并生成相应的检测点位。在机器人测量应用中，通常依据提取的几何中心生成趋近路径，并结合简单的法向量计算来确定测头姿态，以满足基本的自动化检测需求。

3、然而，直接将上述现有技术应用于涡轮叶片海量气膜孔测量时存在显著缺陷。一方面，气膜孔一端朝向自由空间，另一端连接复杂的内部冷却流道，仅凭几何参数无法准确区分内外端面，极易导致机器人从叶片内部逼近或以错误角度测量，引发严重的碰撞干涉事故；另一方面，现有方法输出的姿态多为欧拉角形式，在复杂曲面测量中易遭遇万向锁奇异性问题，难以满足高精度、无干涉的自动化测量需求。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于提供一种曲面微孔测量的特征识别与位姿提取方法及系统，旨在解决现有技术存在的复杂曲面微孔内外端面判定不准导致测量碰撞风险高的问题，实现无干涉安全测量位姿的精准解算。

2、本技术的第一方面涉及一种曲面微孔测量的特征识别与位姿提取方法，所述方法包括：获取待测工件的三维模型，遍历所述三维模型的拓扑结构，筛选出回转面特征作为微孔候选面，并获取所述微孔候选面的两个端面中心；将所述两个端面中心分别作为起点，沿连接所述两个端面中心的方向分别构造第一射线和第二射线；分别计算所述第一射线和所述第二射线与所述三维模型的实体边界之间的交点数量；根据所述交点数量判定所述微孔候选面的内端面和外端面，并根据所述内端面和所述外端面计算所述微孔的测量位置和测量姿态方向；将所述测量姿态方向转换为无奇异性的姿态表达形式，并基于所述测量位置与所述姿态表达形式输出所述微孔的安全测量位姿。

3、本方案通过遍历三维模型的拓扑结构直接筛选回转面特征作为微孔候选面，无需对海量底层曲面展开拟合，即可从复杂三维cad模型中快速提取微孔几何特征，大幅提升了特征识别效率；通过构建双向射线并统计其与实体边界的交点数量，利用拓扑封闭性原理客观区分微孔的内外部属性，确保测量位姿从外端面方向趋近微孔，从而避免了测头与叶片表面的碰撞干涉，保障了自动化测量的安全性。

4、通过将测量姿态方向转换为无奇异性的姿态表达形式，消除了机器人运动学控制中的万向锁问题，使得测量位姿数据在孔轴线接近竖直方向时仍能保持数值稳定和姿态连续，保障了机器人运动控制的稳定性。

5、在一些实施方式中，所述将所述两个端面中心分别作为起点，沿连接所述两个端面中心的方向分别构造第一射线和第二射线，包括：构造由所述两个端面中心中的一端面中心指向另一端面中心的正向方向向量，以及由所述另一端面中心指向所述一端面中心的反向方向向量；以所述另一端面中心为起点沿所述正向方向向量建立参数化射线方程形成所述第一射线，以所述一端面中心为起点沿所述反向方向向量建立参数化射线方程形成所述第二射线；所述参数化射线方程的延伸参数从预设的正向偏置量开始取值，以避免射线起点的自身曲面被误判为交点。

6、本方案通过构造方向向量并以对侧端面中心为射线起点，使得射线从起点出发时即越过自身曲面进入实体或空腔区域，配合正向偏置量进一步避免自相交误判，确保交点计数结果仅反映射线穿越实体边界的情况，为内外端面判定提供可靠数据。

7、在一些实施方式中，所述分别计算所述第一射线和所述第二射线与所述三维模型的实体边界之间的交点数量，包括：将所述第一射线的参数化射线方程和所述第二射线的参数化射线方程分别与所述三维模型的实体边界进行求交运算，其中所述参数化射线方程的延伸参数的有效取值范围为从所述正向偏置量至预设延伸上限值，所述预设延伸上限值设置为使所述第一射线和所述第二射线能够贯穿所述三维模型的包围盒；统计所述有效取值范围内的求交结果，分别得到所述第一射线对应的第一交点数量和所述第二射线对应的第二交点数量。

8、本方案通过限定射线延伸参数的有效取值范围，既排除了自相交的虚假交点，又确保射线能够贯穿整个包围盒而不遗漏穿越边界的情况，使交点计数结果准确反映射线与实体边界的真实穿越关系。

9、在一些实施方式中，所述根据所述交点数量判定所述微孔候选面的内端面和外端面，包括：当所述第一射线和所述第二射线中任一射线的交点数量为零且另一射线的交点数量大于零时，确定交点数量为零的射线对应的方向向量的起始端点；将所述起始端点对应的端面判定为所述内端面，将另一端面判定为所述外端面；当所述第一射线和所述第二射线的交点数量均大于零时，判定所述微孔候选面为双向干涉特征并予以剔除；当所述第一射线和所述第二射线的交点数量均为零时，判定所述微孔候选面为双向贯通特征并予以剔除。

10、本方案通过建立三种情形的分段判别模型，不仅精准判定有效微孔的内外端面朝向，还自动剔除双向干涉（盲孔或重叠面）和双向贯通（模型破损）两类无效特征，确保后续位姿计算仅针对可安全趋近的有效微孔执行，保证了测量路径的安全性。

11、在一些实施方式中，所述根据所述内端面和所述外端面计算所述微孔的测量位置和测量姿态方向，包括：将所述测量姿态方向确定为从所述外端面的中心指向所述内端面的中心的方向矢量；将所述测量位置确定为以所述外端面的中心为基准，沿所述测量姿态方向偏移预设安全距离后的位置。

12、本方案通过以外端面中心指向内端面中心的方向作为测量姿态方向，确保测头从外端面方向趋近微孔；再以外端面中心为基准偏移安全距离确定测量位置，保证测头在非接触条件下对准孔轴线，使位姿数据同时满足物理避障和光学检测对准的要求。

13、在一些实施方式中，所述将所述测量姿态方向转换为无奇异性的姿态表达形式，包括：构建所述微孔的局部特征系，其中所述局部特征系的原点设定为所述测量位置，所述局部特征系的z轴设定为所述测量姿态方向；基于所述局部特征系，将所述测量姿态方向转换为姿态四元数，作为所述无奇异性的姿态表达形式。

14、本方案通过构建以测量位置为原点、测量姿态方向为z轴的局部特征系，将微孔位姿从世界坐标系映射到孔轴线的局部参考框架中，为后续四元数转换提供稳定的坐标变换基础，确保姿态表达形式与微孔的实际朝向严格对应。

15、在一些实施方式中，所述基于所述局部特征系，将所述测量姿态方向转换为姿态四元数，包括：根据所述局部特征系的z轴方向在世界系z轴方向上的投影分量绝对值与预设阈值的比较结果选择基准参考向量；将所选择的基准参考向量与所述局部特征系的z轴方向进行叉乘运算以构造所述局部特征系的y轴方向，再将所述z轴方向与所述y轴方向进行叉乘运算以构造所述局部特征系的x轴方向；将所述x轴方向、所述y轴方向和所述z轴方向组合为所述局部特征系的旋转矩阵；根据所述旋转矩阵的迹和主对角线元素的值确定动态尺度约束因子，并基于所述动态尺度约束因子将所述旋转矩阵的各分量映射为所述姿态四元数的四个分量；对所述姿态四元数的四个分量进行归一化处理以消除累积计算误差，得到归一化后的姿态四元数。

16、本方案通过根据投影分量自适应选择基准参考向量避免万向锁条件下的叉乘退化，并引入动态尺度约束因子根据旋转矩阵的迹与主对角线元素自适应调整归一化系数以避免除零和精度损失，最终通过归一化消除累积误差，实现了从旋转矩阵到四元数的无奇异稳定转换。

17、在一些实施方式中，所述获取待测工件的三维模型，遍历所述三维模型的拓扑结构，包括：获取所述三维模型表面的顶点集合，根据所述顶点集合中的最大分量和最小分量确定所述三维模型的包围盒，并基于所述包围盒计算所述三维模型的几何中心；根据所述几何中心构建平移变换矩阵，将所述三维模型平移至基准系原点附近，以消除偏置对浮点计算精度的影响；对平移后的所述三维模型执行面片缝合与合并操作，将碎片曲面融合为完整解析曲面；对缝合合并后的所述三维模型基于边界表示法遍历拓扑结构。

18、本方案通过对三维模型进行包围盒计算与平移预处理消除偏置坐标对浮点精度的影响，并通过面片缝合将碎片曲面重构为完整解析曲面，保证了后续拓扑遍历和射线求交运算在几何精度和拓扑完整性两方面均可靠运行，为整个特征识别流程提供了鲁棒性支撑。

19、在一些实施方式中，所述回转面特征为圆柱面特征或圆锥面特征；所述获取所述微孔候选面的两个端面中心，包括：获取所述圆柱面特征或所述圆锥面特征的基准点坐标、轴向矢量和轴向参数范围，其中所述轴向参数范围包括参数最小值和参数最大值；将所述轴向矢量与所述参数最小值和所述参数最大值分别相乘得到第一偏移矢量和第二偏移矢量，将所述基准点坐标分别与所述第一偏移矢量和所述第二偏移矢量相加，得到两个端面中心坐标。

20、本方案通过直接提取回转面特征的基准点坐标、轴向矢量和参数范围等cad原生参数，利用解析公式一次性计算端面中心坐标，无需对底层曲面进行拟合重建，实现了从cad参数到端面中心的直接映射，进一步提升了特征提取的效率和精度。

21、本技术的第二方面涉及一种曲面微孔测量的特征识别与位姿提取系统，所述系统包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序时实现如本技术第一方面任一项所述的方法，以获取待测工件上微孔的安全测量位姿；工业机器人，与所述处理器连接，其末端搭载显微测头，所述工业机器人基于所述处理器输出的所述安全测量位姿，驱动所述显微测头对所述待测工件上的微孔进行自动检测。

22、第三方面，本技术提供一种电子设备，包括：至少一个存储器，用于存储程序；至少一个处理器，用于执行存储器存储的程序，当存储器存储的程序被执行时，处理器用于执行第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所描述的方法。

23、第四方面，本技术提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，当计算机程序在处理器上运行时，使得处理器执行第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所描述的方法。

24、第五方面，本技术提供一种计算机程序产品，当计算机程序产品在处理器上运行时，使得处理器执行第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所描述的方法。

25、可以理解的是，上述第二方面至第五方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

26、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

27、（1）在特征识别效率与精度方面，本技术结合拓扑结构遍历机制，直接利用三维cad模型中回转面特征的拓扑信息进行筛选，无需对海量底层曲面展开拟合计算，即可从复杂曲面模型中快速精准地提取微孔几何特征，极大提升了特征识别的效率与准确率，尤其适用于涡轮叶片上数百个密集微尺度气膜孔的批量提取场景。

28、（2）在测量安全性方面，本技术基于交点计数的分段判别模型能够精准识别微孔的内外端面朝向，确保测头仅从朝向自由空间的外端面方向趋近微孔，避免了测头与叶片高曲率表面发生碰撞干涉的风险；同时自动剔除双向干涉和双向贯通两类无效特征，保证测量路径规划的绝对安全性。

29、（3）在姿态表达稳定性方面，本技术通过构建局部特征系并引入动态尺度约束因子与自适应基准参考向量选择机制，将测量姿态方向转换为无奇异性的姿态四元数，既消除了万向锁导致的姿态奇异问题，又避免了除零和精度损失，输出的位姿数据在数值稳定性和运动学连续性方面均满足机器人平滑轨迹规划的要求，具有工程应用价值。