[发明专利]基于机器人的快速自动化三维形貌在线测量方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及精密测量方法和系统，特别涉及一种基于机器人运动平台的、能够快速、高度自动化地实现工业产品三维形貌在线测量的方法和系统。

背景技术

自由型体三维形貌测量是逆向工程、产品数字化设计和生产的基础支撑技术，也是一种先进的产品质量检测手段。在现代工业制造中，大规模连续的生产方式对产品的在线检测有着十分迫切的要求。在对产品三维形貌精度要求较高的工业制造领域，实现快速、高度自动化的工业产品三维形貌在线测量具有非常广泛的应用背景和十分重要的应用价值。

传统的实现自由型体三维形貌测量方法主要有两大类：直接利用坐标测量机(CMM)和间接利用CMM测量原理。前者直接应用CMM，将被测物体放在CMM上，用CMM测头对物体进行采样，得到物体的形貌数据。这种方法受到CMM直线导轨运动形式的限制，效率非常低，测量一个较大的物体通常需要几天甚至十几天时间，并且不能应用于现场环境。后者间接利用CMM原理，将标准的CMM用运动形式灵活(包含旋转自由度)、成本较低的简化结构代替，配合高精度的激光扫描系统(相当于CMM测头)。测量时，被测物置于工作台上，工作台带动被测物体旋转或激光扫描系统绕工作台旋转，实现物体多个侧面快速扫描测量。较之直接利用CMM，后者速度快，成本低，但不适用于大型物体和精度要求较高的场合。

近年来发展了一种基于数字近景摄影测量的便携式测量方法。这种方法利用非接触光学测头对被测物的不同区域进行单元测量，然后结合立体拼接技术，将各单元测量数据拼接在一起(统一在一个全局坐标系中)，形成完整的三维形貌。在这种测量方法中，单元测量数据的拼接精度是影响形貌测量精度的关键因素。目前，利用全局控制手段实现高精度的拼接是常用的方法，其中包括基于粘性标记点和不基于粘性标记点两种。这两种方法均需要在测量前在被测物表面或被测物周围设置全局控制点和基准尺等辅助设备，然后利用高精度数码相机从多个不同角度，以不同的姿态拍摄包含全局标记点和基准尺的图像，实现整体拼接。

上述测量方法具有明显局限性：1)或受测头运动形式的限制，或受测量柔性的制约，测量速度慢；2)测量过程中需要人为操作干预，自动化程度低；工业产品三维形貌在线检测具有速度快，柔性高，高度自动化的测量要求，因此，上述方法不能满足在线测量的要求。

发明内容

本发明的目的正是为了克服上述现有技术中的不足，提供一种测量速度快，柔性好，精度高，自动化程度高，能够满足在线检测的要求基于机器人的快速自动化三维形貌在线测量方法和系统。

本发明的一个技术方案是：一种基于机器人的快速自动化三维形貌在线测量方法，包括以下步骤：

①定义测头测量坐标系O_sX_sY_sZ_s；测头上安装测头控制点，定义测头控制坐标系O_cX_cY_cZ_c；确定测头控制坐标系O_cX_cY_cZ_c与测头测量坐标系O_sX_sY_sZ_s之间的关系M_sc；将测头安装在机器人关节臂的末端工具上，示教机器人；

②标定全局控制相机；全局控制相机的安装位置应满足三维测头在空间所有测量位置下，三维测头上至少三个测头控制点出现在相机的公共视场中；相机坐标系之间的转换关系预先标定好，定义全局坐标系O_gX_gY_gZ_g；

③测头在机器人的带动下运动到测量位置，测头采集被测物的三维形貌数据，同时全局控制相机对测头控制点拍照，确定当前测量位置下测头控制坐标系O_ciX_ciY_ciZ_ci与全局坐标系O_gX_gY_gZ_g之间的关系M_cig；重复上述过程，直到数据采集完毕；

④测头和全局控制相机将采集的数据传送给控制计算机，控制计算机对所有图像数据进行处理，获得统一在全局控制坐标系O_gX_gY_gZ_g下的被测物表面的整体三维形貌。