一种机器人自动扫描仪及扫描方法技术

本发明专利技术公开了一种多扫描模式结合的机器人自动扫描装置及方法，所述装置包括六轴机器臂，MEMS扫描振镜激光三维测头，转台；其中MEMS扫描振镜激光三维测头主要由远距离扫描相机和近距离扫描相机构成，扫描测头安放在六轴机械臂末端。远距离相机用来对于物体表面进行快速测量，获取物体全部的点云数据并对其进行扫描路径规划。近距离扫描相机用来沿规划好的测量路径对物体表面进行高精度测量。

Robot automatic scanner and scanning method

The invention discloses a combination of multi scan mode robot automatic scanning device and method, which comprises six axis robot arm, MEMS 3D laser scanning galvanometer measuring head, wherein MEMS turntable; scanning galvanometer laser measuring head is mainly composed of a remote scanning camera and close scanning camera, scanning probe placement in six axis manipulator. Long distance camera is used for rapid measurement of object surface, and all cloud data of object are obtained, and the scanning path is planned. The near range scanning camera is used to measure the object surface accurately along the planned measurement path.

【技术实现步骤摘要】
一种机器人自动扫描仪及扫描方法
本专利技术属于光学三维测量领域，将六自由度机器人与转台结合成七自由度三维模型重建系统，特别是采用全自动的快速测量与经过路径规划的高精度测量相结合的方法。
技术介绍
三维扫描仪用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状(几何构造)与外观数据(如颜色、表面反照率等性质)。搜集到的数据常被用来进行三维重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。这些模型具有相当广泛的用途，举凡工业设计、瑕疵检测、逆向工程、机器人导引、地貌测量、医学信息、生物信息、刑事鉴定、数字文物典藏、电影制片、游戏创作素材等等都可见其应用。三维扫描仪的制作并非仰赖单一技术，各种不同的扫描技术都有其优缺点。目前并无一体通用之扫描方式，仪器与方法往往受限于物体的外形特性。传统的3D扫描仪缺陷比较多：由于视场有限，导致扫描范围太小；由于扫描角度特殊，导致最终的实体会出现漏洞。为了克服这些缺点，出现的带转台扫描仪，这样可以给扫描增加1到2个自由度，很大程度上的增加了扫描仪的扫描范围，增加了扫描角度。然而，这种转台扫描仪还是没有完全解决这些缺点，比如实体的顶部和底部无法扫描、外形较大的实体无法完全覆盖、表面结构非常复杂的实体还会出现扫描漏洞等。使用机器人扫描仪解决了以上的大部分问题。但是，在实体表面结构非常复杂的情况下，扫描漏洞问题仍然存在。而且，机器人扫描仪为了避免和被扫描物体碰撞，使用远距离扫描，这样扫描出的模型精度就比较低。为了克服机器人扫描仪的缺陷，本专利使用两种扫描模式进行扫描：快速扫描和高精度扫描。快速扫描是指远距离，快速的扫描出实体的低精度模型；高精度扫描是指使用快速扫描的点云模型进行路径规划，然后根据规划好的路径进行近距离扫描。这样就可以解决扫描死角和精度低的缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高精度、多方位的机器人全自动扫描装置及方法。该装置包括(图1所示)由六轴机器臂，MEMS扫描振镜激光三维测头，转台组成；其中MEMS扫描振镜激光三维测头(图2所示)主要由A模式双目相机和B模式双目相机构成，扫描测头安放在六轴机械臂末端。B模式双目相机用来对于物体表面进行快速测量，获取物体全部的点云数据并对其进行测量路径规划。A模式双目相机用来沿规划好的测量路径对物体表面进行高精度测量。该方法在同一个测量系统内将快速扫描模式和高精度扫描模式相结合，运用快速扫描测头对物体初步进行快速测量，获取物体整体的点云数据，将点云数据进行降噪滤波等后处理后逐点进行法矢量方向的求取，进而计算高精度扫描测头在测量过程中沿旋转轴的旋转角度，结合高精度扫描测头的工作距离约束条件，生成测头在机器人基础坐标系下的运动路径和空间姿态，从而实现路径规划，最终利用高精度扫描测头沿上述规划好的路径进行进一步精细测量。具体步骤如下：第一步，进行机器人手眼标定。转台标定分为两步：A模式手眼标定和B模式手眼标定。确定机器人工具坐标系和当前模式下左相机坐标系之间的坐标关系。这一步骤只需标定一次。第二步，进行转台标定。转台标定分为两步：A模式转台标定和B模式转台标定。每一步骤都一样：把机器人末端移动到某一特定位姿，然后计算各自模式下左相机坐标系与转台中心坐标系的坐标关系。第三步，实现快速扫描。使用B模式对于物体进行远距离的快速扫描，获取物体全部的三维点云数据。第四步，点云后处理。利用上一步中得到的被扫描物体的全部点云数据，采用K-近邻法对其进行降噪、滤波操作，经处理后的点云数据便于下一步法矢量的求取。第五步，求取点云数据法矢量方向。利用上一步中得到的经后处理之后的点云数据，采用最小二乘平面拟合的算法，对其逐点进行法矢量方向的求取。第六步，规划A模式下的扫描路径。利用上一步中所计算得到的点云数据中每点处的法矢量方向，计算A模式在扫描过程中的姿态，结合A模式的工作范围，生成测头在机器人坐标系下的运动路径和空间姿态。第七步，进行高精度扫描。采用测头的A模式，按照上一步中所规划好的运动路径和空间姿态，对于物体进行高精度测量，获取更高精度的物体形状测量结果。有益效果(1)本专利技术无论远距离扫描还是近距离扫描的是自动化的。远距离扫描只需要估算模型的尺寸，粗略计算机器人的扫描路径；近距离扫描根据模型精确的计算机器人的扫描路径。(2)本专利技术在同一系统内将机器人扫描仪的远距离快速扫描方式和近距离高精度扫描方式相结合，与传统的单一机器人扫描方式相比更进一步提高了测量精度，实现了物体形状的高精度扫描。克服了机器人远距离扫描的精度低的缺陷，同时解决了机器人近距离扫描对于物体设计模型的依赖，保证了在设计模型缺失情况下物体的扫描工作的顺利进行。附图说明图1机器人三维扫描系统结构图；图2MEMS扫描振镜激光三维测头示意图；图3MEMS振镜激光测头坐标系与机械臂末端工具坐标系的位姿关系图；图中：1为六轴机器臂，2为MEMS扫描振镜激光三维测头，3为转台，4为投影仪，5为第一相机，6为第二相机，7为第三相机，8为第四相机。具体实施方式如图1所示，一种机器人自动扫描装置，包括由六轴机器臂，MEMS扫描振镜激光三维测头，转台组成。如图2所示，MEMS扫描振镜激光三维测头主要由投影仪、A模式双目相机是第一相机和第三相机组成，B模式双目相机是第二相机和第四相机组成，扫描测头安放在六轴机械臂末端。B模式双目相机用来对于物体表面进行低精度测量，获取物体全部的点云数据并对其进行测量路径规划。A模式双目相机用来沿规划好的测量路径对物体表面进行高精度测量。下面具体结合附图2和图3对本专利技术做详细描述。一种机器人自动扫描方法，具体包括以下步骤：第一步，手眼标定。标定MEMS振镜激光测头坐标系与机械臂末端工具坐标系的位姿关系。用A,B,C,D表示4x4矩阵，分别描述某两个坐标系之间的相对方位，相对方位由旋转矩阵R和平移向量T组成，即其中，RA与TA的下标表示所代表的矩阵名称。在图3，Cobj表示标定参照物的坐标系，CC1与Ce1分别表示六轴机器臂运动前的MEMS振镜激光测头坐标系与六轴机器臂末端坐标系，CC2与Ce2分别表示六轴机器臂运动后的MEMS振镜激光测头坐标系与六轴机器臂末端坐标系。在CC1与CC2两个位置上分别用标定块对CCD相机标定从而求出其外参数，其中外参数即相机在CC1与CC2两个位置上与Cobj的相对方位，用A与B表示。由此，如果C表示CC1与Cc2之间的相对方位，则C＝AB-1在CC1与CC2两个位置上分别用标定块对相机标定，从而求出A与B，进而求出C。Ce1与Ce2间的位姿关系可以由控制器读出，属于已知参数，用矩阵表示。由于MEMS扫描振镜激光三维测头固定在六轴机器臂末端，随着机器臂一起运动，因此CC1与Ce1之间，CC2与Ce2之间的位姿关系都为X。设空间中一点P在上述四个坐标系CC1，Cc2，Ce1，Ce3的坐标分别为PC1，PC2，Pe1，Pe2,则有如下关系：PC1＝CPC2(1.1)PC1＝XPe1(1.2)Pe1＝DPe2(1.3)Pc2＝XPe2(1.4)由式(1.1)与式(1.4)得PC1＝CXPe2(1.5)由式(1.2)与式(1.3)得PC1＝XDPe2(1.6)比较式(1.5)与(1.6)得到CX＝XD(1.7)其中矩阵C,D都为已知，因此可以解出MEMS本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机器人自动扫描仪，其特征在于：由六轴机器手臂、MEMS扫描振镜激光三维测头、转台部分组成，六轴机器手臂末端装有MEMS扫描振镜激光测头，六轴机器手臂带动测头在空间移动；转台部分实现被测物体转角位置、速度；MEMS扫描振镜激光三维测头由2组扫描设备构成，每组扫描设备由两个CCD相机构成；其中一组相机先对被测物体表面进行低精度测量，获取物体表面全部的点云数据并对其进行测量路径规划，另一组相机将规划好的测量路径对物体表面进行高精度测量，获得高精度模型。

【技术特征摘要】
1.一种机器人自动扫描仪，其特征在于：由六轴机器手臂、MEMS扫描振镜激光三维测头、转台部分组成，六轴机器手臂末端装有MEMS扫描振镜激光测头，六轴机器手臂带动测头在空间移动；转台部分实现被测物体转角位置、速度；MEMS扫描振镜激光三维测头由2组扫描设备构成，每组扫描设备由两个CCD相机构成；其中一组相机先对被测物体表面进行低精度测量，获取物体表面全部的点云数据并对其进行测量路径规划，另一组相机将规划好的测量路径对物体表面进行高精度测量，获得高精度模型。2.如权利要求1所述机器人自动扫描仪，其特征在于：采用转台和6轴机器人设备，对物体进行7个自由度的扫描，实现了多角度、多方位的扫描方式。3.基于权利要求1所述机器人自动扫描的扫描方法，其特征在于：在同一个测量系统下，采用低精度、高精度的双目测头对物体进行扫描；首先使用视场较大的双目测头对物体的整体形状在远距离下进行快速扫描，获取物体的低精度三维点云数据，再将这些数据进行点云降噪、滤波、简化处理后，模型数据中每一点求取矢量方向，进而获得高精度的双目测头在测量过程中的姿态，再结合高精度双目测头的工作距离受约束这一条件，形成测头在机器人基础坐标系下的运动路径和空间姿态；最后按照上述规划好的轨迹和姿态，采用高精度双目测头对物体进行近距离扫描，获取物体的高精度点云数据，最终实现对物体整体的高精度测量。4.如权利要求2所述机器人自动扫描的扫描方法，其特征在于：在快速扫描模式下的扫描路径完全是自动的；首先依据物体表面的拓扑结构选择不同的几何模型，再将物体的不同尺寸输入模型的尺寸中；最后根据物体模型及测头的工作距离计算出快速扫描的路径。5.如权利要求2所述机器人自动扫描...

【专利技术属性】
技术研发人员：周翔，孟强，杨涛，李玉勤，
申请(专利权)人：西安交通大学苏州研究院，
类型：发明
国别省市：江苏,32