一种光笔式机器人原位测量系统与方法与流程

技术特征：

1.一种光笔式机器人原位测量系统，其特征在于，包括：工业机器人(1)、光笔测量单元(2)、双目视觉单元(3)和工业计算机(4)；

工业机器人(1)用于夹持并带动光笔测量单元(2)运动；

光笔测量单元(2)包括力传感器(6)、光笔(12)和探针(13)；力传感器(6)固定于工业机器人(1)末端，用于检测探针(13)与工件的接触力信号，并将接触力信号传输至工业计算机(4)；光笔(12)一端直接或间接连接力传感器(6)，另一端固定探针(13)，光笔上设置有特征圆，用于确定光笔坐标系；

双目视觉单元(3)包含两个工业相机，两个工业相机同步触发，并与工业计算机(4)实时通讯；两个工业相机用于按照设定的帧率同步采集光笔(12)的图像，并传输至工业计算机(4)；

工业计算机(4)用于根据接收到的光笔图像进行特征圆的坐标提取并完成光笔与探针的三维重建、根据接收到的接触力信号确定探针(13)球心坐标的半径补偿向量的方向，以及根据被测工件拟合工业机器人(1)运动轨迹规划，驱动工业机器人(1)带动光笔测量单元(2)运动完成工件原位测量。

2.如权利要求1所述的一种光笔式机器人原位测量系统，其特征在于，光笔测量单元(2)还包括：法兰(5)、挡圈(7)、滑块(8)、导槽(9)、弹簧(10)和导杆(11)；

法兰(5)安装在工业机器人(1)末端；力传感器(6)安装在法兰(5)与挡圈(7)之间，通过法兰(5)连接工业机器人(1)；滑块(8)设于导槽(9)内部并能够沿导槽(9)前后滑动，导槽(9)的后端固定在挡圈(7)上；导杆(11)的后端从导槽(9)前端插入导槽(9)内部，并与滑块(8)连接；光笔(12)固定于导杆(11)前端，探针(13)固定于光笔(12)前端；滑块(8)与导槽(9)的前端内壁面之间，以及导杆(11)的前端凸台与导槽(9)的前端外壁面之间的至少一处设有弹簧(10)，以使探针(13)与工件表面柔性接触。

3.一种基于权利要求1或2所述的光笔式机器人原位测量系统对工件进行原位测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对工业机器人末端的光笔坐标系进行标定，计算出光笔坐标系相对于机器人坐标系的变换矩阵；在被测工件上选取特征点，对工件坐标系进行标定，计算出工件坐标系相对于机器人坐标系的变换矩阵；从而获得工件坐标系到光笔坐标系的变换关系；

S2：使用标定好的两个工业相机拍摄光笔图像并传输到工业计算机，分别计算两幅图像中各个特征圆和探针球头圆轮廓的中心点坐标，进而求出特征圆和探针球头圆心点在世界坐标系中的三维坐标；随后，通过拟合特征圆圆心建立光笔坐标系，计算出世界坐标系到光笔坐标系的变换矩阵，并确定探针球心在光笔坐标系中的位置；

在工件坐标系上寻找正交的特征平面，在平面上分别贴上靶点，用两个工业相机采集靶点图片并按照上述计算圆心点坐标的过程计算靶点的三维坐标，并拟合建立工件坐标系，计算世界坐标系到工件坐标系的变换矩阵，进而结合世界坐标系到光笔坐标系的变换矩阵获得光笔坐标系到工件坐标系的变换矩阵；

S3：在工业计算机上设定被测工件的测量轨迹，并将工件坐标系中测量轨迹上的离散坐标点按照步骤S1获得的变换关系变换到光笔坐标系中，光笔坐标系中的离散坐标点即为工业机器人的测量路径，根据工业机器人的运行轨迹生成机器人的运动控制程序，驱动工业机器人按照测量路径运动，以使探针与被测工件接触，进行原位测量。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S1包括如下步骤：

对工业机器人末端的光笔坐标系o1-x1y1z1进行标定，计算出光笔坐标系o1-x1y1z1相对于机器人坐标系oR-xRyRzR的变换矩阵则：

其中，分别为光笔坐标系相对于机器人坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；

在被测工件上选取特征点，对工件坐标系o0-x0y0z0进行标定，计算出工件坐标系o0-x0y0z0相对于机器人坐标系oR-xRyRzR的变换矩阵则：

其中，分别为工件坐标系相对于机器人坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；

从而获得工件坐标系o0-x0y0z0到光笔坐标系o1-x1y1z1的变换关系为：

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S2包括如下步骤：

使用标定好的工业相机拍摄光笔图像并传输到工业计算机，提取特征圆轮廓和探针球头的圆形轮廓，分别计算左右两个工业相机所获取的两幅图像中各个圆轮廓的中心点坐标(uL,vL)和(uR,vR)；

根据双目视觉投影原理可得：

d＝(uL-uR)s (7)

其中，Tx表示左右相机之间的距离，(u0,v0)表示相机图像坐标系原点在像素坐标系中的位置，s表示单个图像像素所表示的物理尺寸，d为各圆形轮廓的圆心在两幅图像像素坐标系中的视差，(x,y)表示圆心在左图图像坐标系下的坐标值，f表示相机的焦距，(cx,cy)表示左图中的光心位置；

根据式(4)～(7)可得：

则圆心点在世界坐标系中的三维坐标(xw,yw,zw)可表示为(xw,yw,zw)＝(X/W,Y/W,Z/W) (9)

根据公式(4)～(9)对光笔上的特征圆和探针球头进行三维重建，得到圆心的三维坐标；通过拟合特征圆的圆心建立光笔坐标系o1-x1y1z1，计算世界坐标系ow-xwywzw到光笔坐标系o1-x1y1z1的变换矩阵并确定探针球心在光笔坐标系中的位置，则有：

其中，分别为世界坐标系到光笔坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；

在工件坐标系上寻找正交的特征平面，在特征平面上分别设置靶点，用两个工业相机采集图片并按照上述计算圆心点坐标的过程计算靶点的三维坐标，通过拟合建立工件坐标系o0-x0y0z0，计算世界坐标系ow-xwywzw到工件坐标系o0-x0y0z0的变换矩阵则有：

其中，分别为世界坐标系到工件坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；

因此光笔坐标系o1-x1y1z1到工件坐标系o0-x0y0z0的转换关系为：

6.如权利要求3～5任意一项所述的方法，其特征在于，步骤S3中还包括如下半径补偿步骤：

探针与被测工件的接触力采用力传感器采集并上传至工业计算机；使用标定好的两个工业相机按照设定好的帧率实时采集光笔图像，反馈给工业计算机；按照S2的方法拟合建立光笔坐标系并计算探针球心的位置，并在探针球心坐标上增加一个半径补偿向量的大小等于探针的球头半径，的方向为力传感器所采集到的当前时刻的接触力合力方向；补偿后的结果为被测工件表面在光笔坐标系中的实际坐标，将该坐标转换到工件坐标系，即获得最终的测量结果。