一种大型设备对接过程三维测量与跟踪方法技术

本发明专利技术涉及设备对接测量技术领域，具体地说是一种大型设备对接过程中三维测量与跟踪方法，包括：步骤一：安装动态靶板和固定靶板；步骤二：建立双目视觉系统的测量初始坐标系T

【技术实现步骤摘要】
一种大型设备对接过程三维测量与跟踪方法
本专利技术涉及设备对接测量
，具体地说是一种大型设备对接过程三维测量与跟踪方法。
技术介绍
我国航天航空事业近年来发展迅猛，航天航空工业由于行业的特殊性，其产品多是大型结构件，而航空和航天两个行业又同时具有各自的行业特点，以航天工业为例，重大型号研制任务和生产交付数量屡创新高，总体呈现出型号多、批量小、整体工艺路线复杂等特点。由于航天设备的工艺特性所限，导致生产过程中出现大量的站点式加工现象，同时由于航天设备的体积大、重量大、装配复杂且装配精度要求较高，传统测量手段无法实现自动化测量，导致整个生产流程需要大量的人工参与，且大部分流程无法实现自动化。在航空工业中，大型客机多是量产型号，大型机翼和尾翼的对接装配精度要求很高，装配时机翼与机身间的相对位置关系有着严格的技术要求，由于机翼结构的特殊性及其超长的尺寸导致测量十分复杂，在装配过后其装配效果检测也十分困难。在大型结构件装配过程中，对装配工件的约束较多，如何测量装配工件的特征点以及特征点间的相对关系是否满足约束条件是困扰大结构件对接、装配以及质检的主要问题，传统的关节臂测量受测量范围影响只能测量小结构零部件，激光跟踪仪可以进行大范围的高精度测量，但是受到棱镜反光靶球的安装方式限制，其实际特征点检测受人为影响较大。三维激光扫描技术是最近几年国内外新兴的测量技术，多用于零部件实物与零部件模型之间的加工误差测量，也可用于三维重构逆向等工作，但是在对接装配等领域，其应用较少，其中如何解决测量设备与对接设备标定尤为关键。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种大型设备对接过程三维测量与跟踪方法，将测量坐标系与全局坐标系(机器人基坐标系)通过静态固定靶板进行坐标系统一标定，标定后双目视觉测量系统在任何位置只要能观测到固定靶板就可以进行测量，方便大范围测量，并且机器人工具坐标系与机器人末端的动态靶板标定，通过跟踪动态靶板坐标就可以获取机器人实时位置，从而可以指导机器人运动并进行闭环控制，也可对机器人绝对定位精度进行补偿。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种大型设备对接过程三维测量与跟踪方法，包括如下步骤：步骤一：在机器人夹爪上安装带反光标志的动态靶板，在地面布置带反光标志的固定靶板；步骤二：以固定靶板为基准建立双目视觉系统的测量初始坐标系TCO，并将测量初始坐标系TCO标定至全局坐标系(机器人坐标系)TR下获得测量坐标系；步骤三：使用双目视觉系统在全局坐标系TR下构建机器人夹爪上的动态靶板初始坐标系TLO，并将动态靶板初始坐标系TLO与机器人工具坐标系Ttool标定获得机器人靶板坐标系TL，TL与Ttool重合；步骤四：使用激光扫描设备提取工件特征点；步骤五：将步骤四中提取的特征点转换到全局坐标系TR下；步骤六：将步骤五变换后的特征点与步骤三中的机器人靶板坐标系TL绑定，并且TL与Ttool重合，所述特征点同时与Ttool绑定，双目视觉系统通过跟踪机器人靶板坐标系TL坐标值计算出特征点在全局坐标系TR下的空间坐标；步骤七：通过虚拟装配系统得到特征点的新位置时依据步骤六中的绑定特征点计算出机器人tcp点的坐标值并指导机器人运动。步骤二中，双目视觉系统识别到固定靶板上的反光标志后，利用固定靶板上横向点构建平面与直线，并且利用平面作为坐标系Y向约束，直线作为X向约束，测量初始坐标系TCO原点建立在固定靶板右上角的靶点上。步骤二中，测量初始坐标系TCO的坐标系原点通过偏移与全局坐标系TR的原点重合，偏移后的坐标系旋转与全局坐标系TR的X轴、Y轴、Z轴重合。所述测量初始坐标系TCO的坐标系原点偏移量为机器人原点在所述双目视觉系统的测量初始坐标系TCO下的坐标Transl＝OR＝{x,y,z}，偏移后的坐标系旋转为欧拉式旋转，旋转矩阵为RRco。步骤四中使用三维点云扫描设备扫描三维点云并使用三维点云处理软件在点云中提取工件三维模型所需特征点p3D。步骤五中，特征点从三维点云处理软件模型坐标系下的坐标p3D到全局坐标系TR下的坐标pR变换为：pR＝3DTR-1×p3D。步骤六中，绑定计算过程如下：(1)在机器人靶板坐标系TL下选取三个点：p0＝[x0,y0,z0]，p1＝[x1,y1,z1]，p2＝[x2,y2,z2]；(2)令p0与机器人靶板坐标系TL原点重合，与机器人靶板坐标系TL的z轴重合，与机器人靶板坐标系TL的x轴重合；(3)利用公式Rp＝toolTR-1p计算全局坐标系TR下p0p1p2的坐标值Rp0Rp1Rp2；(4)将Rp0Rp1Rp2与全局坐标系TR下特征点放在同一特征文件中；(5)利用公式：计算当前机器人工具坐标系Ttool对全局坐标系TR的旋转矩阵T，并利用函数eur＝tr2rpy(T)(matlab函数)计算出当前机器人工具坐标系Ttool机器人全局坐标系TR下的E6pos坐标为：[p0.xp0.yp0.zeur.aeur.beur.c]，由于TL＝Ttool，上述坐标值也即机器人靶板坐标系TL坐标值PosL，而跟踪夹爪上的靶板坐标系坐标值PosL计算特征点在全局坐标系下的当前空间坐标的计算方法是：RpL＝LTR-1×pL，其中本专利技术的优点与积极效果为：1、本专利技术将测量坐标系与全局坐标系(机器人基坐标系)通过静态固定靶板进行坐标系统一标定，标定后双目视觉测量系统在任何位置只要能观测到固定靶板就可以进行测量，方便大范围测量，并且机器人工具坐标系与机器人末端的动态靶板标定，通过跟踪动态靶板坐标就可以获取机器人实时位置，从而可以指导机器人运动并进行闭环控制，也可对机器人绝对定位精度进行补偿。2、本专利技术有效解决了大型航天航空设备对接过程中三维测量不方便、跟踪坐标系与机器人末端坐标系不统一、测量结果指导机器人自动装配困难等问题，可用于大型设备的三维模型扫描、特征点动态跟踪、姿态解算以及对接装配。附图说明图1为本专利技术的流程示意图，图2为双目视觉系统建立测量初始坐标系TCO示意图，图3为测量坐标系标定流程示意图，图4为工具坐标系标定流程示意图，图5为本专利技术的系统结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详述。如图5所示，本专利技术系统包括动态靶板、固定靶板、双目视觉系统、激光扫描设备等。如图1所示，本专利技术具体过程如下:步骤一：安装固定靶板与机器人动态靶板，其中在机器人夹爪上安装粘贴反光标志的动态靶板，在地面合适位置布置粘贴反光标志的固定靶板。步骤二：以固定靶板为基准建立双目视觉系统的测量初始坐标系TCO，并将测量初始坐标系TCO标定至全局坐标系(机器人基坐标系)TR下获得测量坐标系。如图2所示，本专利技术利用双目视觉系统识别到固定靶板上的反光标志后，利用固定靶板上横向点构建平面与直线，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大型设备对接过程三维测量与跟踪方法，其特征在于：包括如下步骤：/n步骤一：在机器人夹爪上安装带反光标志的动态靶板，在地面布置带反光标志的固定靶板；/n步骤二：以固定靶板为基准建立双目视觉系统的测量初始坐标系T

【技术特征摘要】
1.一种大型设备对接过程三维测量与跟踪方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：在机器人夹爪上安装带反光标志的动态靶板，在地面布置带反光标志的固定靶板；
步骤二：以固定靶板为基准建立双目视觉系统的测量初始坐标系TCO，并将测量初始坐标系TCO标定至全局坐标系(机器人坐标系)TR下获得测量坐标系；
步骤三：使用双目视觉系统在全局坐标系TR下构建机器人夹爪上的动态靶板初始坐标系TLO，并将动态靶板初始坐标系TLO与机器人工具坐标系Ttool标定获得机器人靶板坐标系TL，TL与Ttool重合；
步骤四：使用激光扫描设备提取工件特征点；
步骤五：将步骤四中提取的特征点转换到全局坐标系TR下；
步骤六：将步骤五变换后的特征点与步骤三中的机器人靶板坐标系TL绑定，并且TL与Ttool重合，所述特征点同时与Ttool绑定，双目视觉系统通过跟踪机器人靶板坐标系TL坐标值计算出特征点在全局坐标系TR下的空间坐标；
步骤七：通过虚拟装配系统得到特征点的新位置时依据步骤六中的绑定特征点计算出机器人tcp点的坐标值并指导机器人运动。


2.根据权利要求1所述的大型设备对接过程三维测量与跟踪方法，其特征在于：步骤二中，双目视觉系统识别到固定靶板上的反光标志后，利用固定靶板上横向点构建平面与直线，并且利用平面作为坐标系Y向约束，直线作为X向约束，测量初始坐标系TCO原点建立在固定靶板右上角的靶点上。


3.根据权利要求1所述的大型设备对接过程三维测量与跟踪方法，其特征在于：步骤二中，测量初始坐标系TCO的坐标系原点通过偏移与全局坐标系TR的原点重合，偏移后的坐标系旋转与全局坐标系TR的X轴、Y轴、Z轴重合。


4.根据权利要求3所述的大型设备对接过程三维测量与跟踪方法，其特征在于：所述测量初始坐标系TCO的坐标系原点偏移量为机器人原点在所述双目视觉...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜劲松，谭广超，郭锐，鲁伯林，杨旭，尹健，王伟，崔维华，常凯，王晓龙，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21