一种基于三维模型的自适应扫描测量系统及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于三维模型的自适应扫描测量系统，涉及工业自动化领域，包括机器人测量系统、测量控制系统、手动对标装置、测量支架，本发明还公开了一种基于三维模型的自适应扫描测量控制方法，包括以下步骤：将待测工件的三维模型导入中央处理器，中央处理器根据待测工件的三维模型的模型特征和测量要求将待测工件的三维模型转换为网格化区域型的目标测量点云，进而依据目标测量点云制定出符合模型特征和测量要求的自适应扫描策略；进行手动对标；进行自适应扫描测量。本发明所述的自适应扫描测量系统可以实现自动快速扫描测量，提高了测量效率；本发明所述的自适应扫描测量控制方法简化了数据处理流程，提高了数据分析的效率。
【专利说明】
一种基于三维模型的自适应扫描测量系统及其控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及三维扫描测量系统，特别指一种基于三维模型的自适应扫描测量系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002]依托光学测量和图像处理技术发展起来的计算机辅助测量技术，凭借其测量结果准确、测量效率高，并可协同其它的计算机辅助技术进行数据集成的优势，在现代工业产品测量方面得到了极大的发展。计算机辅助测量技术可以实现对产品三维非接触的扫描测量，并将测量结果数字化，实现对产品质量的全面跟踪，满足工业生产对几何量测量的要求。
[0003]对于冲压件以及焊装件的测量，使用检具、三坐标测量机等传统测量手段，由于操作耗时费力，仅能实现有限抽测方式对产品质量进行跟踪，无法实现快速全面的跟踪测量；同时，对于每一个待测量的零件均需要制作专门的检具才能完成测量，造成大量的空间和资源的消耗。
[0004]采用光学测量的计算机辅助测量技术采用非接触式的扫描测量，与传统的采点接触式测量相比具有测量全面、测量效率高的特点，并且不需要专门的测量检具，极大地提高了光学非接触扫描测量的适用性。常用的非接触测量方法包括:激光扫描法(激光三角法和激光测距法)、结构光法、图像分析法和基于声波、磁学的方法等，其中结构光法被认为是最成熟的三维形状测量方法。结构光扫描主要由结构光投射装置、摄像机、图像采集及处理系统组成。
[0005]当前国内外的非接触三维扫描技术主要采用手持式关节臂扫描手段或机器臂扫描手段，手持式三维扫描一定程度上扩展了三维扫描的适用范围，但手持式扫描具有扫描不稳定、扫描效率低、操作误差加大的问题;机器臂自动扫描一定程度上克服了手持式扫描不稳定的问题，提高了扫描效率。但无论是手持式关节臂扫描还是机器臂扫描，在扫描完成后均需要将扫描数据坐标和模型坐标进行对标之后才能进行分析，从而无法实现针对模型制定最优的扫描策略。
[0006]因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于三维模型的自适应扫描测量系统及其控制方法，实现自动快速扫描测量，提高了测量效率。
【发明内容】
[0007]有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是在非接触三维扫描领域里，如何提高扫描效率，指定最优的扫描策略。
[0008]为实现上述目的，本发明提供了一种基于三维模型的自适应扫描测量系统，包括机器人测量系统、测量控制系统、手动对标装置、测量支架，其中，所述机器人测量系统包括七自由度测量机器臂、接触式测量头、激光扫描头、测量机器人关节电机和测量机器人位姿传感器;所述测量控制系统包括中央处理器、测量系统控制器、测量机器人位姿电子控制单元ECU、测量头ECU;所述手动对标装置被配置为通过所述测量系统控制器实现对测量机器人关节电机的控制，进而控制所述接触式测量头进行定点测量;所述测量支架被配置为对被测工件的夹紧定位。
[0009]进一步地，所述接触式测量头和所述激光扫描头位于所述七自由度测量机器臂的可旋转的末端，所述测量机器人关节电机和所述测量机器人位姿传感器位于所述七自由度测量机器臂的各关节处。
[0010]本发明还提供了一种基于三维模型的自适应扫描测量控制方法，包括以下步骤:
[0011]步骤1、将待测工件的三维模型导入中央处理器，中央处理器根据待测工件的三维模型的模型特征和测量要求将待测工件的三维模型转换为网格化区域型的目标测量点云，进而依据目标测量点云制定出符合模型特征和测量要求的自适应扫描策略；
[0012]步骤2、进行手动对标；
[0013]步骤3、进行自适应扫描测量。
[0014]进一步地，在步骤2中，还包括
[0015]步骤2.1、在中央处理器中将待测工件的定位基准要素标出，然后通过手动对标装置发出手动位移信号给测量系统控制器；
[0016]步骤2.2、测量系统控制器根据接收的手动位移信号生成机器人位姿控制信号发给测量机器人位姿ECU，测量机器人位姿ECU根据机器人位姿控制信号生成机器人关节电机控制信号，控制测量机器人关节电机的位姿；
[0017]步骤2.3、通过机器臂末端旋转信号控制接触式测量头对待测工件标出的基准进行定点测量，接触式测量头将获得的待测工件基准的位置参数传给测量头ECU，测量头ECU将来自接触式测量头的待测工件基准的位置参数转换为位置数字信号传给测量系统控制器；
[0018]步骤2.4、测量系统控制器根据位置数字信号以及机器人位姿反馈信号生成测量点云数据传回中央处理器，中央处理器将测量点云数据与标出的待测工件的定位基准要素对齐。
[0019]进一步地，在步骤3中，还包括
[0020]步骤3.1、测量系统控制器根据中央处理器发出的自适应扫描策略以及测量机器人位姿ECU发来的机器人位姿反馈信号生成机器人位姿控制信号传给测量机器人位姿ECU，测量机器人位姿ECU根据机器人位姿控制信号以及测量机器人位姿传感器所测的位姿信号生成机器人关节电机控制信号，控制测量机器人关节电机的位姿，使激光扫描头到达扫描位置；
[0021 ]步骤3.2、当激光扫描头到达扫描位置时，测量系统控制器将收到来自测量机器人位姿ECU发来的机器人位姿反馈信号，测量系统控制器发出扫描控制信号至测量头ECU，由测量头ECU生成扫描信号，控制激光扫描头完成扫描；
[0022]步骤3.3、测量头ECU将来自激光扫描头的激光信号转换为位置数字信号传给测量系统控制器，测量系统控制器根据位置数字信号以及机器人位姿反馈信号生成测量点云数据传回中央处理器，中央处理器将测量点云数据与待测工件的三维模型转换的目标测量点云一起实时地将测量结果呈现出来；
[0023]步骤3.4、测量系统控制器结合位置数字信号、机器人位姿反馈信号以及自适应扫描策略，实时地调整测量动作，实现自适应扫描策略的动态更新。
[0024]本发明针对三维扫描测量系统，提出一种基于三维模型的自适应扫描测量系统及其控制方法，可将三坐标接触式测量的精度与三维扫描测量的效率有效地结合在一起，可实现基于三维模型的快速对标、自适应扫描，提高了三维扫描的动态适应性和快速响应性。
[0025]本发明所述的一种基于三维模型的自适应扫描测量系统，包括机器人测量系统、测量控制系统、手动对标装置、测量支架，其中测量系统由七自由度测量机器臂、接触式测量头、激光扫描头、测量机器人关节电机、测量机器人位姿传感器组成，接触式测量头和激光扫描头位于自由度测量机器臂可旋转的末端，测量机器人关节电机和测量机器人位姿传感器位于七自由度测量机器臂的各关节处;测量控制系统由中央处理器、测量系统控制器、测量机器人位姿电子控制单元(ECU)、测量头ECU组成;手动对标装置可以通过测量系统控制器实现对测量机器人关节电机的控制，进而控制接触式测量头进行定点测量，从而实现手动对标;测量支架实现对被测工件的定位夹紧。
[0026]本发明所述的基于三维模型的自适应扫描测量系统自适应扫描测量控制方法为:
[0027]I)首先将待测工件的三维模型导入中央处理器，中央处理器根据待测工件的三维模型的模型特征和测量要求将待测工件的三维模型转换为网格化区域型的目标测量点云，进而依据目标测量点云制定出符合模型特征和测量要求的自适应扫描策略。
[0028]2)测量前需要进行手动对标，其过程为:首先在中央处理器中将待测工件的定位基准要素标出，再通过手动对标装置发出手动位移信号给测量系统控制器，测量系统控制器根据接收的手动位移信号生成机器人位姿控制信号发给测量机器人位姿ECU，测量机器人位姿ECU根据机器人位姿控制信号生成机器人关节电机控制信号，从而控制测量机器人关节电机的位姿，进而通过机器臂末端旋转信号控制接触式测量头对待测工件标出的基准进行定点测量，接触式测量头将获得的待测工件基准的位置参数传给测量头ECU，测量头ECU将来自接触式测量头的待测工件基准的位置参数转换为位置数字信号传给测量系统控制器，测量系统控制器根据位置数字信号以及机器人位姿反馈信号生成测量点云数据传回中央处理器，中央处理器将测量点云数据与标出的待测工件的定位基准要素对齐，从而实现手动对标过程，实现扫描测量坐标与模型目标测量点云坐标一致，从而为后续自适应扫描提供扫描的参考基准。
[0029]3)自适应扫描过程为:测量系统控制器根据中央处理器发出的自适应扫描策略以及测量机器人位姿ECU发来的机器人位姿反馈信号生成机器人位姿控制信号传给测量机器人位姿ECU，测量机器人位姿ECU根据机器人位姿控制信号以及测量机器人位姿传感器所测的位姿信号生成机器人关节电机控制信号，从而控制测量机器人关节电机的位姿，使激光扫描头到达扫描位置；当激光扫描头到达扫描位置时，测量系统控制器将收到来自测量机器人位姿ECU发来的机器人位姿反馈信号，于是测量系统控制器发出扫描控制信号至测量头ECU，由测量头ECU生成扫描信号，从而控制激光扫描头完成扫描;测量头ECU将来自激光扫描头的激光信号转换为位置数字信号传给测量系统控制器，测量系统控制器根据位置数字信号以及机器人位姿反馈信号生成测量点云数据传回中央处理器，中央处理器将测量点云数据与待测工件的三维模型转换的目标测量点云一起呈现，从而实现对待测工件的自适应扫描，并实时地将测量结果呈现出来；同时，测量系统控制器结合位置数字信号、机器人位姿反馈信号以及自适应扫描策略，可以实时地调整测量动作，实现自适应扫描策略的动态更新。
[0030]本发明所述的技术方案的有益效果如下:
[0031]1、本发明采用七自由度测量机器人完成三维扫描测量，可以实现自动快速扫描测量，提高了测量效率；同时由于扫描测量不需要专门的检具固定被测工件，因此，可以通过简单的柔性测量支架实现更多的零件测量，极大地扩展了扫描测量的适用范围，减少了测量的资源消耗;采用七自由度测量机器人，可以实现接触式测量精确对标与非接触激光全面扫描的功能，将接触式测量的精度与激光扫描的全面和高效率完美地结合在一起。
[0032]2、本发明依据待测工件三维模型的模型特征和测量要求将待测工件的三维模型转换为网格化区域型的目标测量点云，并通过手动对标，实现目标测量点云坐标与测量点云坐标对齐，可制定出符合待测工件模型特征和测量要求的最优扫描策略，并在测量过程中实时的实现测量调整，实现对待测工件的三维自适应扫描测量，使测量更加贴合测量对象和测量要求，并且由于在测量过程中实现了坐标对齐，所以后续对测量点云进行分析时，不需要重新进行坐标一致的转换，简化了数据处理流程，提高了数据分析的效率。
[0033]以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
【附图说明】
[0034]图1为本发明的一个较佳实施例的系统结构图；
[0035]图2为本发明的一个较佳实施例的测量控制方法流程图；
[0036]图中:I为七自由度测量机器臂，2为接触式测量头，3为激光扫描头，4为测量支架，5为手动对标装置，6为中央处理器，7为测量系统控制器，8为测量机器人位姿电子控制单元(ECU)，9为测量头电子控制单元(ECU)，10为测量机器人关节电机，11为测量机器人位姿传感器，12为待测量工件的三维模型，13为自适应扫描策略，14为测量点云数据，15为机器人位姿控制信号，16为机器人位姿反馈信号，17为机器人关节电机控制信号，18为位姿信号，19为机器臂末端旋转信号，20为手动位移信号，21为扫描控制信号，22为位置数字信号，23为待测工件基准的位置参数，24为扫描信号，25为激光信号。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
[0038]如图1所示，本发明所述的基于三维模型的自适应扫描测量系统，包括机器人测量系统、测量控制系统、手动对标装置5、测量支架4，其中测量系统由七自由度测量机器臂1、接触式测量头2、激光扫描头3、测量机器人关节电机10、测量机器人位姿传感器11组成，接触式测量头2和激光扫描头3位于七自由度测量机器臂I可旋转的末端，测量机器人关节电机10和测量机器人位姿传感器11位于七自由度测量机器臂I的各关节处;测量控制系统由中央处理器6、测量系统控制器7、测量机器人位姿电子控制单元(E⑶)8、测量头ECU9组成；手动对标装置5可以通过测量系统控制器7实现对测量机器人关节电机10的控制，进而控制接触式测量头2进行定点测量，从而实现手动对标;测量支架4实现对被测工件的定位夹紧。
[0039]如图2所示，本发明所述的基于三维模型的自适应扫描测量系统自适应扫描测量控制方法为:
[0040]I)首先将待测工件的三维模型12导入中央处理器6，中央处理器6根据待测工件的三维模型12的模型特征和测量要求将待测工件的三维模型12转换为网格化区域型的目标测量点云，进而依据目标测量点云制定出符合模型特征和测量要求的自适应扫描策略13。
[0041]2)测量前需要进行手动对标，其过程为:首先在中央处理器6中将待测工件的定位基准要素标出，再通过手动对标装置5发出手动位移信号20给测量系统控制器7，测量系统控制器7根据接收的手动位移信号20生成机器人位姿控制信号15发给测量机器人位姿ECU8，测量机器人位姿ECU8根据机器人位姿控制信号15生成机器人关节电机控制信号17，从而控制测量机器人关节电机10的位姿，进而通过机器臂末端旋转信号19控制接触式测量头2对待测工件标出的基准进行定点测量，接触式测量头2将获得的待测工件基准的位置参数23传给测量头ECU9，测量头ECU9将来自接触式测量头2的待测工件基准的位置参数23转换为位置数字信号22传给测量系统控制器7，测量系统控制器7根据位置数字信号22以及机器人位姿反馈信号16生成测量点云数据14传回中央处理器6，中央处理器6将测量点云数据14与标出的待测工件的定位基准要素对齐，从而实现手动对标过程，实现扫描测量坐标与模型目标测量点云坐标一致，从而为后续自适应扫描提供扫描的参考基准。
[0042]3)自适应扫描过程为:测量系统控制器7根据中央处理器6发出的自适应扫描策略13以及测量机器人位姿ECU8发来的机器人位姿反馈信号16生成机器人位姿控制信号15传给测量机器人位姿ECU8，测量机器人位姿ECU8根据机器人位姿控制信号15以及测量机器人位姿传感器11所测的位姿信号18生成机器人关节电机控制信号17，从而控制测量机器人关节电机10的位姿，使激光扫描头3到达扫描位置;当激光扫描头3到达扫描位置时，测量系统控制器7将收到来自测量机器人位姿ECU8发来的机器人位姿反馈信号16，于是测量系统控制器7发出扫描控制信号21至测量头ECU9，由测量头ECU9生成扫描信号24，从而控制激光扫描头3完成扫描;测量头ECU9将来自激光扫描头3的激光信号25转换为位置数字信号22传给测量系统控制器7，测量系统控制器7根据位置数字信号22以及机器人位姿反馈信号16生成测量点云数据14传回中央处理器6，中央处理器6将测量点云数据14与待测工件的三维模型12转换的目标测量点云一起呈现，从而实时地将测量结果呈现出来，实现对待测工件的自适应扫描。
[0043]4)同时，测量系统控制器7结合位置数字信号22、机器人位姿反馈信号16以及自适应扫描策略13，可以实时地调整测量动作，实现自适应扫描策略13的动态更新。
[0044]以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
【主权项】
1.一种基于三维模型的自适应扫描测量系统，其特征在于，包括机器人测量系统、测量控制系统、手动对标装置、测量支架，其中，所述机器人测量系统包括七自由度测量机器臂、接触式测量头、激光扫描头、测量机器人关节电机和测量机器人位姿传感器;所述测量控制系统包括中央处理器、测量系统控制器、测量机器人位姿电子控制单元ECU、测量头ECU;所述手动对标装置被配置为通过所述测量系统控制器实现对测量机器人关节电机的控制，进而控制所述接触式测量头进行定点测量;所述测量支架被配置为对被测工件的夹紧定位。2.如权利要求1所述的基于三维模型的自适应扫描测量系统，其特征在于，所述接触式测量头和所述激光扫描头位于所述七自由度测量机器臂的可旋转的末端，所述测量机器人关节电机和所述测量机器人位姿传感器位于所述七自由度测量机器臂的各关节处。3.一种基于三维模型的自适应扫描测量控制方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1、将待测工件的三维模型导入中央处理器，中央处理器根据待测工件的三维模型的模型特征和测量要求将待测工件的三维模型转换为网格化区域型的目标测量点云，进而依据目标测量点云制定出符合模型特征和测量要求的自适应扫描策略； 步骤2、进彳丁手动对标； 步骤3、进行自适应扫描测量。4.如权利要求3所述的基于三维模型的自适应扫描测量控制方法，其特征在于，在步骤2中，还包括 步骤2.1、在中央处理器中将待测工件的定位基准要素标出，然后通过手动对标装置发出手动位移信号给测量系统控制器； 步骤2.2、测量系统控制器根据接收的手动位移信号生成机器人位姿控制信号发给测量机器人位姿ECU，测量机器人位姿ECU根据机器人位姿控制信号生成机器人关节电机控制信号，控制测量机器人关节电机的位姿； 步骤2.3、通过机器臂末端旋转信号控制接触式测量头对待测工件标出的基准进行定点测量，接触式测量头将获得的待测工件基准的位置参数传给测量头ECU，测量头ECU将来自接触式测量头的待测工件基准的位置参数转换为位置数字信号传给测量系统控制器；步骤2.4、测量系统控制器根据位置数字信号以及机器人位姿反馈信号生成测量点云数据传回中央处理器，中央处理器将测量点云数据与标出的待测工件的定位基准要素对齐。5.如权利要求3所述的基于三维模型的自适应扫描测量控制方法，其特征在于，在步骤3中，还包括 步骤3.1、测量系统控制器根据中央处理器发出的自适应扫描策略以及测量机器人位姿ECU发来的机器人位姿反馈信号生成机器人位姿控制信号传给测量机器人位姿ECU，测量机器人位姿ECU根据机器人位姿控制信号以及测量机器人位姿传感器所测的位姿信号生成机器人关节电机控制信号，控制测量机器人关节电机的位姿，使激光扫描头到达扫描位置；步骤3.2、当激光扫描头到达扫描位置时，测量系统控制器将收到来自测量机器人位姿ECU发来的机器人位姿反馈信号，测量系统控制器发出扫描控制信号至测量头ECU，由测量头ECU生成扫描信号，控制激光扫描头完成扫描； 步骤3.3、测量头ECU将来自激光扫描头的激光信号转换为位置数字信号传给测量系统控制器，测量系统控制器根据位置数字信号以及机器人位姿反馈信号生成测量点云数据传回中央处理器，中央处理器将测量点云数据与待测工件的三维模型转换的目标测量点云一起实时地将测量结果呈现出来； 步骤3.4、测量系统控制器结合位置数字信号、机器人位姿反馈信号以及自适应扫描策略，实时地调整测量动作，实现自适应扫描策略的动态更新。
【文档编号】G01B11/00GK106091931SQ201610704366
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月22日
【发明人】金隼, 代勤华, 刘顺, 屈原, 衡德正, 陈坤
【申请人】上海交通大学