一种用于大型装备表面形貌测量的龙门架式结构光扫描机器人和方法

1.本发明属于大型装备数字化测量技术领域，具体涉及一种用于大型装备表面形貌测量的龙门架式结构光扫描机器人和方法。


背景技术：

2.随着航空航天军工和民用领域中大型和巨型产品制造的精细化、产品外形设计的复杂化、以及对安装调试精度的高标准化，传统的人工检测已经不再满足检测需求，其由人工完成的工作模式非常耗费人力，不仅工人身体十分劳累，而且容易出现失误造成产品不必要的损耗。由于操作人员的劳动强度大，人工进行操作的速率也远远跟不上生产线的生产速率，严重影响了生产效率。三维坐标测量自动化程度较高，但它不仅需要更大的测量范围和更高的测量精度，还需要更简洁有效的测量方法和更快的测量速度。
3.双目立体视觉技术是机器视觉的一种重要形式，它是基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体三维几何信息的方法。双目立体视觉测量方法具有效率高、精度合适、系统结构简单、成本低等优点，非常适合于制造现场的在线、非接触产品检测和质量控制。对运动物体(包括动物和人体形体)测量中，由于图像获取是在瞬间完成的，因此立体视觉方法是一种更有效的测量方法。双目立体视觉系统是计算机视觉的关键技术之一，获取空间三维场景的距离信息也是计算机视觉研究中最基础的内容。
4.龙门架由于其可全方位移动性，可快速拆卸安装，占地面积小。宽度、高度可分级调节，钢架构设计合理，能承受从100～5000kg重量。尤其适用于车间设备的安装、搬运、调试而得到了广泛应用。搭配高精度机械臂，可以完成更复杂的任务。机械臂是指高精度，多输入多输出、高度非线性、强耦合的复杂系统。因其独特的操作灵活性，已在工业装配、安全防爆等领域得到广泛应用。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种用于大型装备表面形貌测量的龙门架式结构光扫描机器人和方法，综合利用龙门架、机械臂、激光跟踪仪、结构光扫描仪完成大型装备的表面微光特征检测任务，不受人为主观因素影响，可以高效、精确地对大型装备的表面形貌进行测量，较大程度地提高了生产效率。
6.为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
7.一种用于大型装备表面形貌测量的龙门架式结构光扫描机器人，所述机器人包括龙门架、机械臂、结构光扫描仪和光学动态跟踪系统；
8.所述龙门架包括横梁和两个立柱，且龙门架下方放置大型装备；
9.所述横梁和两个立柱上均装有导轨和滑块；
10.所述滑块连接机械臂，机械臂末端装有结构光扫描仪，用于扫描大型装备，从而测
量其表面形貌；
11.所述横梁和两个立柱上对应的机械臂跟随滑块沿导轨进行移动，可确保结构光扫描仪扫描视野覆盖整个大型装备；
12.所述光学动态跟踪系统的视野范围覆盖整个机器人装置，用于与结构光扫描仪配合进行大型装备表面形貌测量。
13.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
14.上述的结构光扫描仪包括安装支架以及安装在安装支架上的视觉传感器、数据传输接口、反光点粘贴凸台、电源开关、提手、光源发射器、散热孔；
15.所述安装支架与机械臂末端配合，并延伸一定长度防止机械臂与结构光扫描仪发生干涉；
16.所述反光点粘贴凸台上粘贴有反光点；
17.所述光学动态跟踪系统根据反光点的相对位置可确定结构光扫描仪在坐标系中的位置和姿态从而配准每一帧扫描得到的点云获得整体形貌；
18.所述数据传输接口，用于视觉传感器扫描数据的传输；
19.所述光源发射器，可选择使用，用于在扫描物体表面投影数据处理结果；
20.所述电源开关、提手和散热孔，分别用于结构光扫描仪的电源开关、移动和散热。
21.上述的机械臂型号为库卡kr 6r900 sixx c-wp，光学动态跟踪系统为形创c-track。
22.用于大型装备表面形貌测量的方法，包括：
23.s1、安装机器人硬件装置并设置编码点和反光点；
24.s2、结合编码点和反光点，确定扫描仪位姿并定位大型装备；
25.s3、根据大型装备的定位信息进行机械臂及滑块协同路径规划；
26.s4、根据路径规划结果移动结构光扫描仪并进行扫描；
27.s5、结束形貌测量并移出大型装备。
28.上述的s1中，安装机器人硬件装置并设置编码点和反光点，包括：
29.安装所述机器人的硬件装置，将大型装备放置在规定区域并进行固定，并在测量过程中位置不发生改变的区域和装备上放置编码点和反光点。
30.上述的s2中，结合编码点和反光点，确定扫描仪位姿并定位大型装备，包括：
31.利用光学动态跟踪系统配备的基准尺和坐标轴，结合反光点和编码点在大型装备周围建立光学动态跟踪系统坐标系；
32.所述坐标系建立完成后光学动态跟踪系统位置允许发生改变，除结构光扫描仪上的反光点外的反光点位置是固定的；
33.所述光学动态跟踪系统根据暴露在视野内的结构光扫描仪上的反光点相对位置确定结构光扫描仪的位姿，根据大型装备上的反光点坐标对大型装备进行定位。
34.上述的s3中，根据大型装备的定位信息进行机械臂及滑块协同路径规划，包括：
35.将滑块作为机械臂的一个附加关节与机械臂看作一个整体，根据大型装备的定位信息进行协同路径规划，确保扫描范围覆盖整个装备表面。
36.上述的s4中，根据扫描仪位姿移动结构光扫描仪并进行扫描，包括：
37.s4-1、移动滑块和机械臂，使结构光扫描仪移动到路径规划的目标位姿，移动到路
径规划的目标位姿后固定不动；
38.s4-2、结构光扫描仪进行扫描，等待数秒后，扫描完成获取点云；
39.s4-3、结构光扫描仪传输数据，结构光扫描仪通过数据传输接口将本帧扫描数据传输给数据分析软件；软件根据扫描仪位姿信息将本帧数据与第一帧数据配准，以避免累积误差；
40.s4-4、重复s4-1到s4-3直至路径规划的任务结束，完成形貌测量，移出大型装备。
41.本发明具有以下有益效果：
42.本发明可以三个机械臂协同工作，扫描范围覆盖整个装备表面，扫描过程中根据扫描仪位姿自动配准各帧点云，有效解决了大型装备测量困难，测量效率、精度低等问题；
43.本发明可以自动化获取大型装备表面形貌信息，降低人为主观性的干扰，提高了表面形貌测量效率和精度，对于提高产品生产效率，提高检测可靠性，降低工作人员劳动强度有重要贡献。
附图说明
44.图1是一种用于大型装备表面形貌测量的龙门架式结构光扫描机器人的硬件装置图。
45.图2是一种用于大型装备表面形貌测量的龙门架式结构光扫描机器人中结构光扫描仪的三维模型图。
46.图3是基于龙门架式结构光扫描机器人的用于大型装备表面形貌测量发方法流程图。
47.图4是结构光扫描进行扫描的实施流程图；
48.附图标记为：
49.1：龙门架、2：结构光扫描仪、3：滑块、4：导轨、5：机械臂、6：光学动态跟踪系统；
50.2-1：视觉传感器、2-2：安装支架、2-3：数据传输接口、2-4：反光点粘贴凸台、2-5：电源开关、2-6：提手、2-7：光源发射器、2-8：散热孔。
具体实施方式
51.以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
52.参见图1-4，本发明一种用于大型装备表面形貌测量的龙门架式结构光扫描机器人，主要包括：
53.实施例中，所述机器人的硬件装置包括：龙门架1、机械臂5、结构光扫描仪2和光学动态跟踪系统6；
54.所述龙门架1包括横梁和两个立柱，且龙门架1下方放置大型装备；
55.所述横梁和两个立柱上均装有导轨4和滑块3；
56.所述滑块3连接机械臂5，机械臂5末端装有改进的结构光扫描仪2，用于扫描大型装备，从而测量其表面形貌；
57.所述横梁和两个立柱上对应的机械臂5跟随滑块3沿导轨4进行移动，可确保结构光扫描仪2扫描视野覆盖整个大型装备；
58.所述光学动态跟踪系统6的视野范围覆盖整个机器人装置，用于与结构光扫描仪2
配合进行大型装备表面形貌测量。
59.上述所有装置均位于光学动态跟踪系统视野范围内，备选方案可使用多个光学动态跟踪系统。
60.可选地，机械臂5型号为库卡kr 6r900 sixx c-wp；
61.光学动态跟踪系统6为形创c-track。
62.实施例中，所述结构光扫描仪包括安装支架2-2以及安装在安装支架2-2上的视觉传感器2-1、数据传输接口2-3、反光点粘贴凸台2-4、电源开关2-5、提手2-6、光源发射器2-7、散热孔2-8；
63.所述安装支架2-2与机械臂5末端配合，并延伸一定长度防止机械臂5与结构光扫描仪2发生干涉；
64.所述反光点粘贴凸台2-4上粘贴有反光点；
65.所述光学动态跟踪系统6可以根据反光点的相对位置确定结构光扫描仪2在坐标系中的位置和姿态从而配准每一帧扫描得到的点云获得整体形貌；
66.所述数据传输接口2-3，用于视觉传感器2-1扫描数据的传输；
67.所述光源发射器2-7，可选择使用，用于在扫描物体表面投影数据处理结果；
68.所述电源开关2-5、提手2-6和散热孔2-8，分别用于结构光扫描仪2的电源开关、移动和散热。
69.本发明基于上述机器人的用于大型装备表面形貌测量的方法，其步骤包括：
70.s1、安装机器人硬件装置并设置编码点和反光点；
71.s2、结合编码点和反光点，确定扫描仪位姿并定位大型装备；
72.s3、根据大型装备的定位信息进行机械臂5及滑块3协同路径规划；
73.s4、根据路径规划结果移动结构光扫描仪2并进行扫描；
74.s5、结束形貌测量并移出大型装备。
75.实施例中，所述s1中，安装机器人硬件装置并设置编码点和反光点，包括：
76.安装所述机器人的硬件装置，将大型装备放置在规定区域并进行固定，并在测量过程中位置不发生改变的区域和装备上放置编码点和反光点。
77.实施例中，所述s2中，结合编码点和反光点，确定扫描仪位姿并定位大型装备，包括：
78.利用光学动态跟踪系统6配备的基准尺和坐标轴，结合反光点和编码点在大型装备周围建立光学动态跟踪系统坐标系；
79.所述坐标系建立完成后光学动态跟踪系统6位置允许发生改变，除结构光扫描仪2上的反光点外的反光点位置是固定的；
80.所述光学动态跟踪系统6根据暴露在视野内的结构光扫描仪2上的反光点相对位置确定结构光扫描仪2的位姿，根据大型装备上的反光点坐标对大型装备进行定位。
81.实施例中，上述s3中，根据大型装备的定位信息进行机械臂5及滑块3协同路径规划，包括：
82.将滑块3作为机械臂5的一个附加关节与机械臂5看作一个整体，根据大型装备的定位信息进行协同路径规划，确保扫描范围覆盖整个装备表面。
83.实施例中，上述s4中，根据路径规划结果移动结构光扫描仪2并进行扫描，包括：
84.s4-1、移动滑块3和机械臂5，使结构光扫描仪2移动到路径规划的目标位姿；
85.所述滑块3和机械臂5的移动由事先完成的程序驱动，移动到路径规划的目标位姿后固定不动；
86.s4-2、结构光扫描仪2进行扫描，等待数秒后，扫描完成获取点云；
87.s4-3、结构光扫描仪2传输数据，结构光扫描仪2通过数据传输接口2-3将本帧扫描数据传输给数据分析软件；软件根据扫描仪位姿信息将本帧数据与第一帧数据配准，以避免累积误差；
88.s4-4、重复s4-1到s4-3直至路径规划的任务结束，完成形貌测量，移出大型装备。
89.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。