一种三维点云的实时采集装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种三维点云的实时采集装置，包括机器人、激光位移传感器、机器人实时控制系统，所述激光位移传感器通过夹具设置在所述机器人的末端，所述机器人实时控制系统通过实时工业以太网总线连接机器人和激光位移传感器，用于使激光位移传感器的读数和机器人的位姿得到同步，将一维测量扩展为三维测量，从而通过扫描获取工件的三维点云。本实用新型专利技术机器人实时控制系统、工业以太网总线使激光位移传感器的读数和机器人的位姿得到同步，将一维测量扩展为三维测量，从而通过扫描获取工件的三维点云。稳定可靠、精度高、具有实时性和柔性特点，且结构简单成本低，能够满足不同工件的加工。

A real-time acquisition device for three dimensional point cloud

The utility model discloses a real-time acquisition device for 3D point cloud, including real time control system of robot, laser displacement sensor, and the laser displacement sensor through the fixture put in the end of the robot, a real-time control system of the robot through the real time Industrial Ethernet bus connection robot and laser displacement sensor, used to make a laser displacement sensor readings and posture of the robot will be synchronized, one-dimensional measurement is extended to three-dimensional measurement, 3D point cloud obtained by scanning the workpiece. The robot real-time control system and the industrial Ethernet bus synchronize the laser displacement sensor's reading with the robot's pose, expand the one-dimensional measurement to the three-dimensional measurement, and get the 3D point cloud of the workpiece through scanning. It is stable, reliable, high precision, real time and flexible, with simple structure and low cost. It can meet the processing of different parts.

【技术实现步骤摘要】
一种三维点云的实时采集装置
本技术应涉及三维点云的获取装置，尤其涉及一种三维点云的实时采集装置。
技术介绍
当今，三维点云的获取设备主要有三维激光扫描仪，二维线激光位移传感器加辅助运动，上述两种方法能够获取点数巨大的密集点云。另外也可以通过三坐标测量仪获取点云，这种方法获取的点云位置精度高，为点数较少的稀疏点云。这些设备价格昂贵，使得点云获取成本较高，随着消费级产品的出现，比如Kinect，使得点云技术得到较快的发展。但是上述方法获取的点云会包含目标物体所处的环境信息，需要对原始点云进行滤波、去噪、分割和配准等处理，才能获取目标物的点云，后期处理复杂。点云主要运用于逆向工程，进行现有物体的三维重构，为其创建数字化信息库；在机器视觉领域，点云可用于目标识别、目标三维检测和地图构建等方向，为机器人提供视觉信息，辅助其决策和路径规划。机器人技术已广泛运用于焊接、喷涂等领域，但是复杂形状的工件打磨主要还是依靠人工打磨和数控机床加工，前者因为打磨噪声、粉尘大，有损工人健康，且对工人的技术水平要求较高；后者加工精度高，但加工设备价格昂贵，柔性较差限制其广泛应用。工业机器人具有多自由度，灵活性好，较适合运用于打磨领域。目前，采用机器人离线编程技术，已成功将机器人技术运用于复杂工件打磨，但是离线编程技术要求提前对工具和工件坐标系进行标定，且由于工件的装夹误差和加工不一致性，导致机器人打磨一批工件时，出现精度不一致情况，甚至出现废次品。
技术实现思路
为解决三维点云的获取问题及将点云运用于机器人打磨领域，本技术提供了一种基于激光位移传感器的三维点云的实时采集装置及机器人打磨轨迹规划方法。设计不同形状的工件进行实验，规划机器人扫描轨迹，基于总线通信协议和实时操作系统，通过总线通信方式实现机器人和激光位移传感器的实时通信，获取工件三维点云，为将三维点云运用于机器人打磨轨迹规划提供了外在条件。为实现本技术的上述目的，本技术提供了一种三维点云的实时采集装置，包括机器人、激光位移传感器、基于实时操作系统的机器人实时控制系统，所述激光位移传感器通过夹具设置在所述机器人的末端，所述机器人为六自由度关节机器人，所述机器人实时控制系统通过实时工业以太网总线连接机器人和激光位移传感器，用于使激光位移传感器的读数和机器人的位姿得到同步，将一维测量扩展为三维测量，从而通过扫描获取工件的三维点云。进一步地，所述的机器人实时控制系统与机器人和激光位移传感器之间为毫秒级通信。相比现有技术，本技术通过机器人实时控制系统、工业以太网总线使激光位移传感器的读数和机器人的位姿得到同步，将一维测量扩展为三维测量，从而通过扫描获取工件的三维点云。稳定可靠、精度高、具有实时性和柔性特点，且结构简单成本低，能够满足不同工件的加工。附图说明图1是本技术的点云实时采集装置示意图；图2是标定装置示意图。图中：1-机器人，2-激光位移传感器；3-机器人实时控制系统；4-工件；5-标定顶尖。具体实施方式为进一步理解本技术，下面结合附图和实施例对本技术做进一步说明，但是需要说明的是，本技术要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。实施例如图1所示，一种三维点云的实时采集装置，包括机器人1、激光位移传感器2、基于实时操作系统的机器人实时控制系统3，所述激光位移传感器2通过夹具设置在所述机器人1的末端，所述机器人1为六自由度关节机器人，所述机器人实时控制系统3通过实时工业以太网总线连接机器人1和激光位移传感器2，用于使激光位移传感器2的读数和机器人1的位姿得到同步，将一维测量扩展为三维测量，从而通过扫描获取工件4的三维点云；以及，基于采集的三维点云信息进行机器人打磨轨迹规划。所述的机器人实时控制系统与机器人1和激光位移传感器2之间为毫秒级通信。激光扫描时，以示教再现的方式控制六轴垂直机器人运动，带着激光位移传感器2扫描工件4，基于本技术装置实时的采集工件4上的点，最终得到基于机器人基坐标系的工件三维点云。点云实时采集装置如图1所示。基于实时操作系统和工业以太网总线技术构建此装置的机器人实时控制系统3，工件点云的x，y位置由机器人末端位姿可知，工件点云的z位置由激光位移传感器2可知，通过实时总线通讯技术，保证x、y、z的同步，从而实现将一维测量扩展为三维测量，且该控制系统的通信周期可达1ms，满足实时性要求，能够使用该装置扫描生成工件的三维点云。所示机器人1末端装夹激光位移传感器2，由模拟量输入输出模块读取激光位移传感器的模拟量输出信号并与机器人的六个控制电机的脉冲信号串联，再基于工业以太网总线技术的实时操作系统通过总线通信方式将所有信号采集回来进行数据处理，通信周期能达到毫秒级，从而实现机器人的位姿和激光位移传感器的读数同步，将机器人1位姿和激光位移传感器2距离通过机器人变换方程求解，得到机器人基坐标系下的工件三维点云。本实施例利用SolidWorks软件设计不同的表面形状的工件，用于扫描测试和打磨实验。本实验设计S形曲面工件，采用铝合金，并加工出来，用于测试实验。一种基于所述装置的机器人打磨轨迹规划方法，包括步骤：(1)通过多点标定法标定激光位移传感器2的测量坐标系相对于机器人1末端坐标系的转换矩阵，为了将测量坐标系下的点云转换到机器人基坐标系下，须提前标定激光位移传感器2的测量坐标系相对于机器人末端坐标系的转换矩阵，简称手眼标定；(2)机器人1驱动激光位移传感器2扫描工件，实现将一维测量扩展为三维测量，获取工件的三维点云；(3)通过对三维点云中各点设置不同的自适应权重函数对所述三维点云进行法向估计和优化，同时基于三维点云包含的空间位置信息和法向信息规划机器人1打磨时的位姿和走刀路径，并以扫描轨迹加以修正作为机器人1的连续打磨轨迹。具体而言，所述步骤(1)具体包括：(11)首先在机器人1末端安装一个标定顶尖5，控制机器人1到达空间某一固定点，采用机器人1工具坐标系五点标定法，工具坐标系标定完成后从示教器读出该固定点相对于机器人1基坐标系的空间位置Bp；(12)然后在机器人1末端装夹激光位移传感器2，控制机器人1将激光照射在所述固定点，读出机器人1当前末端相对于基坐标系的位姿及激光位移传感器2的示数Mp，所述激光位移传感器2的示数Mp和所述空间位置Bp的转换关系为：式中Bp——空间点p在机器人1基坐标系的坐标；Mp——空间点p在测量坐标系的坐标；——机器人1末端坐标系相对于基坐标系的齐次变换矩阵；——测量坐标系相对于机器人1末端坐标系的齐次变换矩阵，其中，(13)将式(1)转换为设则(1)可以表示如下：(14)为了减少标定误差，基于多点标定，将式(3)转化成AX＝k的形式，构成一个超定方程组，并采用最小二乘来求解，形式如下：使最小的解X*即为超定方程组AX＝k的最小二乘解；(15)求解出X后即得到矩阵得到矩阵后，即可以将扫描的工件三维点云转换到机器人1基坐标系下。具体而言，步骤(2)中，所述将一维测量扩展为三维测量的步骤是通过机器人1实时控制系统，工件点云的x，y位置由机器人1末端位姿可知，工件点云的z位置由激光位移传感器2可知，通过实时总线通讯技术，保证x、y、z的同步，从而实现将一维测量扩展为三维测量。由上述装置获取的点云本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维点云的实时采集装置，其特征在于：包括机器人、激光位移传感器、基于实时操作系统的机器人实时控制系统，所述激光位移传感器通过夹具设置在所述机器人的末端，所述的机器人为六自由度关节机器人；所述机器人实时控制系统通过实时工业以太网总线连接机器人和激光位移传感器，用于使激光位移传感器的读数和机器人的位姿得到同步，将一维测量扩展为三维测量，从而通过扫描获取工件的三维点云。

【技术特征摘要】
1.一种三维点云的实时采集装置，其特征在于：包括机器人、激光位移传感器、基于实时操作系统的机器人实时控制系统，所述激光位移传感器通过夹具设置在所述机器人的末端，所述的机器人为六自由度关节机器人；所述机器人实时控制系统通过实时工业以太网总线连接机器人和...

【专利技术属性】
技术研发人员：张铁，张美辉，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东,44