基于球拟合的单轴激光扫描机器人精确标定方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于球拟合的单轴激光扫描机器人精确标定方法及系统，步骤1：使非镜面靶球的位置基本位于单轴机器人行程的中间位置；步骤2：通过单轴机器人运动带动线激光传感器扫描非镜面靶球得到球面点云；步骤3：去除重复扫描的球面点云和杂点，排除不属于球面的噪声点云；步骤4：对球面点云进行旋转变换，重新对变换后的球面点云进行拟合，得到拟合残差；步骤5：判断步骤4中得到的拟合残差是否满足迭代终止条件，若满足，则得到为最优解；若不满足迭代终止条件，则返回执行步骤4。本发明专利技术不需要依赖外部精密的仪器，实用性强，适合与多种场合的工业现场应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机器人三维激光扫描检测领域，具体地，涉及基于球拟合的单轴激光扫描机器人精确标定方法及系统。
技术介绍
线激光传感器主要利用空间三角法测量原理，由CCD采集被测面的轮廓曲线，通过计算机处理，得到物体表面的三维几何点云数据。三维激光扫描技术，指利用机器人运动带动线激光传感器连续扫描物体轮廓，该技术可用于快速地采集被测物体表面完整的三维几何点云数据，真实描述被测物体的整体结构及形态特性，准确生成三维数据模型，将三维激光扫描技术与尺寸测量原理结合起来，可以得到被测物体的尺寸及形位公差数据。工业机器人与线激光传感器结合是工业测量领域的普遍做法，可以将工业机器人的高柔性和线激光传感器的高精度实现较好地整合。不足的是，目前市场上成熟应用的六轴工业机器人，其重复定位精度虽然已经达到相当高的水平，可以保证在0.1mm以下，但其绝对定位精度相对而言却很低，而且每台机器人的差别都很大，有的甚至达到厘米量级。因此，直接将线激光传感器安装到工业机器人上实现三维扫描，得到的点云精度低，效果并不好。而实际中发现单轴机器人运动精度很高，由单轴机器人直线运动带动线激光传感器实现三维扫描，得到的点云精度高，因此将线激光传感器安装到单轴机器人上，然后将单轴机器人和线激光传感器整体安装到六轴工业机器人上，既可以实现高精度扫描，又可以实现多位置、多角度等高柔性运动，并且通过不同的安装结构形式，可以适应开放式物体及复杂内腔物体的扫描。其中对扫描精度影响最重要的因素之一，就是线激光传感器和单轴机器人的标定，即标定出线激光传感器内置坐标系与单轴机器人坐标系之间的角度关系，如图1所示。专利
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于球拟合的单轴激光扫描机器人精确标定方法及系统。根据本专利技术提供的基于球拟合的单轴激光扫描机器人精确标定方法，包括：包括如下步骤：步骤1：在空间中设定一个非镜面靶球，控制六轴工业机器人运动，使非镜面靶球的位置基本位于单轴机器人行程的中间位置；步骤2：通过单轴机器人运动带动线激光传感器扫描非镜面靶球得到球面点云；步骤3：去除重复扫描的球面点云和杂点，并提取属于球面的部分点云，排除不属于球面的噪声点云；步骤4：迭代优化，以提取到的球面点云作为输入，调整线激光传感器内置坐标系与单轴机器人坐标系之间的俯仰角、偏航角、滚转角的值，对球面点云进行旋转变换，然后对变换后的球面点云进行拟合，得到拟合残差；步骤5：判断步骤4中得到的拟合残差是否满足迭代终止条件，若满足，则得到的俯仰角、偏航角、滚转角的值即为最优解；若不满足迭代终止条件，则返回执行步骤4。优选地，所述步骤3中的杂点是指：原本不属于被扫描物体，却意外出现在点云中的离群点。优选地，所述步骤3中采用RANSAC算法，即随机抽样一致算法提取球面的部分点云，所述RANSAC算法用于去除不属于球面的噪声点云；所述噪声点云是指：由非镜面靶球固定配件或者相关辅助设备引入的点云，该点云不属于球面。优选地，所述步骤4包括：首先定义中间变量：Sx、Sy、Sz、Sxx、Syy、Szz、Sxy、Sxz、Syz、Sxxx、Syyy、Szzz、Sxyy、Sxzz、Sxxy、Sxxz、Syyz、Syzz，具体计算公式如下：Sx＝∑xiSy＝∑yiSy＝∑ziSxx＝∑xi2Syy＝∑yi2Szz＝∑zi2Sxy＝∑(xiyi)Sxz＝∑(xizi)Syz＝∑(yizi)Sxxx＝∑xi3Syyy＝∑yi3Szzz＝∑zi3Sxyy＝∑(xiyi2)Sxzz＝∑(xizi2)Sxxy＝∑(xi2yi)Sxxz＝∑(xi2zi)Syyz＝∑(yi2zi)Syzz＝∑(yizi2)式中：xi,yi,zi分别表示任意一个点云关于X轴、Y轴、Z轴的坐标；通过Sx、Sy、Sz、Sxx、Syy、Szz、Sxy、Sxz、Syz、Sxxx、Syyy、Szzz、Sxyy、Sxzz、Sxxy、Sxxz、Syyz、Syzz的值分别计算出中间变量：A1、a、b、c、d、e、f、g、h、j、k、l、m，具体计算公式如下：A1＝Sxx+Syy+Szza＝2*Sx*Sx-2*N*Sxxb＝2*Sx*Sy-2*N*Sxyc＝2*Sx*Sz-2*N*Sxzd＝-N*(Sxxx+Sxyy+Sxzz)+A1*Sxe＝2*Sx*Sy-2*N*Sxyf＝2*Sy*Sy-2*N*Syyg＝2*Sy*Sz-2*N*Syzh＝-N*(Sxxy+Syyy+Syzz)+A1*Syj＝2*Sx*Sz-2*N*Sxzk＝2*Sy*Sz-2*N*Syzl＝2*Sz*Sz-2*N*Szzm＝-N*(Sxxz+Syyz+Szzz)+A1*Sz式中：N表示点云中属于球面的点的数量；通过a、b、c、d、e、f、g、h、j、k、l、m的值计算中间变量delta，具体计算公式如下：delta＝a*(f*l-g*k)-e*(b*l-c*k)+j*(b*g-c*f)通过中间变量a、b、c、d、e、f、g、h、j、k、l、m、delta的值计算出坐标xc,yc,zc，计算公式如下：xc＝(d*(f*l-g*k)-h*(b*l-c*k)+m*(b*g-c*f))/deltayc＝(a*(h*l-m*g)-e*(d*l-m*c)+j*(d*g-h*c))/deltazc＝(a*(f*m-h*k)-e*(b*m-d*k)+j*(b*h-d*f))/delta式中：xc,yc,zc分别表示拟合球的球心关于X轴、Y轴、Z轴的坐标，R表示拟合球的球半径，rms表示拟合残差。优选地，所述步骤5中的迭代终止条件是指：f(xk+1)-f(xk)≤ε式中：f(xk+1)表示第k+1次迭代的拟合残差，f(xk)表示第k次迭代的拟合残差；xk+1表示第k+1次迭代的三个姿态角，xk表示第k次迭代的三个姿态角，ε表示优化精度，取值包括：10-5。根据本专利技术提供的基于球拟合的单轴激光扫描机器人精确标定系统，包括：非镜面靶球、六轴工业机器人、单轴机器人、线激光传感器以及处理器；所述非镜面靶球基本位于单轴机器人行程的中间位置；所述单轴机器人安装在六轴工业机器人上，用于带动单轴机器人完成位置和角度的变化；所述线激光传感器安装在单轴机器人上，用于带动线激光传感器对非镜面靶球进行三维扫描得到球面点云；所述处理器接收线激光传感器采集到的球面点云，拟合迭代后得到线激光传感器内置坐标系与单轴机器人坐标系之间的俯仰角、偏航角、滚转角的最优解。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1、本专利技术提供的基于球拟合的单轴激光扫描机器人精确标定方法可以精确建立线激光传感器与单轴机器人的角度关系，方法简单，自动化程度高。2、本专利技术提供的基于球拟合的单轴激光扫描机器人精确标定方法采用主动寻优方式，与传统的被动寻优方式相比，本专利技术能够对整个可行域进行搜索，从而得到最优解。3、本专利技术提供的基于球拟合的单轴激光扫描机器人精确标定方法不需要依赖外部精密的仪器，实用性强，适合与多种场合的工业现场应用。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为需要标定的角度关系示意图；其中OWXWYWZW坐标系为世界坐标系，其中YW轴与单轴机器人运动方向一致，O本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于球拟合的单轴激光扫描机器人精确标定方法，其特征在于，包括：包括如下步骤：步骤1：在空间中设定一个非镜面靶球，控制六轴工业机器人运动，使非镜面靶球的位置基本位于单轴机器人行程的中间位置；步骤2：通过单轴机器人运动带动线激光传感器扫描非镜面靶球得到球面点云；步骤3：去除重复扫描的球面点云和杂点，并提取属于球面的部分点云，排除不属于球面的噪声点云；步骤4：迭代优化，以提取到的球面点云作为输入，调整线激光传感器内置坐标系与单轴机器人坐标系之间的俯仰角、偏航角、滚转角的值，对球面点云进行旋转变换，然后对变换后的球面点云进行拟合，得到拟合残差；步骤5：判断步骤4中得到的拟合残差是否满足迭代终止条件，若满足，则得到的俯仰角、偏航角、滚转角的值即为最优解；若不满足迭代终止条件，则返回执行步骤4。

【技术特征摘要】
1.一种基于球拟合的单轴激光扫描机器人精确标定方法，其特征在于，包括：包括如下步骤：步骤1：在空间中设定一个非镜面靶球，控制六轴工业机器人运动，使非镜面靶球的位置基本位于单轴机器人行程的中间位置；步骤2：通过单轴机器人运动带动线激光传感器扫描非镜面靶球得到球面点云；步骤3：去除重复扫描的球面点云和杂点，并提取属于球面的部分点云，排除不属于球面的噪声点云；步骤4：迭代优化，以提取到的球面点云作为输入，调整线激光传感器内置坐标系与单轴机器人坐标系之间的俯仰角、偏航角、滚转角的值，对球面点云进行旋转变换，然后对变换后的球面点云进行拟合，得到拟合残差；步骤5：判断步骤4中得到的拟合残差是否满足迭代终止条件，若满足，则得到的俯仰角、偏航角、滚转角的值即为最优解；若不满足迭代终止条件，则返回执行步骤4。2.根据权利要求1所述的基于球拟合的单轴激光扫描机器人精确标定方法，其特征在于，所述步骤3中的杂点是指：原本不属于被扫描物体，却意外出现在点云中的离群点。3.根据权利要求1所述的基于球拟合的单轴激光扫描机器人精确标定方法，其特征在于，所述步骤3中采用RANSAC算法，即随机抽样一致算法提取球面的部分点云，所述RANSAC算法用于去除不属于球面的噪声点云；所述噪声点云是指：由非镜面靶球固定配件或者相关辅助设备引入的点云，该点云不属于球面。4.根据权利要求1所述的基于球拟合的单轴激光扫描机器人精确标定方法，其特征在于，所述步骤4包括：首先定义中间变量：Sx、Sy、Sz、Sxx、Syy、Szz、Sxy、Sxz、Syz、Sxxx、Syyy、Szzz、Sxyy、Sxzz、Sxxy、Sxxz、Syyz、Syzz，具体计算公式如下：Sx＝∑xiSy＝∑yiSy＝∑ziSxx＝∑xi2Syy＝∑yi2Szz＝∑zi2Sxy＝∑(xiyi)Sxz＝∑(xizi)Syz＝∑(yizi)Sxxx＝∑xi3Syyy＝∑yi3Szzz＝∑zi3Sxyy＝∑(xiyi2)Sxzz＝∑(xizi2)Sxxy＝∑(xi2yi)Sxxz＝∑(xi2zi)Syyz＝∑(yi2zi)Syzz＝∑(yizi2)式中：xi,yi,zi分别表示任意一个点云关于X轴、Y轴、Z轴的坐标；通过Sx、Sy、Sz、Sxx、Syy、Szz、Sxy、Sxz、Syz、Sxxx、Syyy、Szzz、Sxyy、Sxzz、Sxxy、Sxxz、Syyz、Syzz的值分别计算出中间变量：A1、a、b、c、d、e、f、g、h、j、k、l、m，具体计算公式如下：A1＝Sxx+Syy+Szza＝2*Sx*Sx-2*N*Sxxb＝2*Sx*Sy-2*N*Sxy...

【专利技术属性】
技术研发人员：王桃章，杨长祺，王浩田，别亚星，张小龙，张敏，李中权，金路，梁金华，秦守益，余国康，
申请(专利权)人：上海航天精密机械研究所，苏州北硕检测技术有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31