面向石雕切割工件测量的机器人扫描视点规划方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种面向石雕切割工件测量的机器人扫描视点规划方法及系统，方法包括：采用改进的区域生长算法对立体石雕切割工件的STL模型表面进行区域划分；将划分后的每个三角面片簇离散为三维点云；对每个点云模型进行OBB包围盒求取；根据OBB包围盒的最大中间平面大小与扫描仪单次扫描的视野大小划分四种扫描情况，分别对每种扫描情况进行扫描视点规划；将机械臂限制在立体石雕切割工件的单个侧面进行移动扫描，通过三次转台带动工件旋转，每次旋转90

【技术实现步骤摘要】
面向石雕切割工件测量的机器人扫描视点规划方法及系统


[0001]本专利技术涉及立体石雕三维测量领域，特别涉及一种面向立体石雕切割工件三维测量的机器人扫描视点规划方法及系统。

技术介绍

[0002]立体石雕是文化与艺术的载体，具有轮廓形状复杂多变、纹理细节繁多等特点，其加工技术难度大，是石雕制品中具有高经济附加值的产品。由于机器人具有灵活性强，自由度多等特性，采用机器人立体石雕加工成为了石雕行业发展的新趋势。在机器人立体石雕加工中主要包括绳锯切割粗加工和细节磨削精加工。对立体石雕切割工件进行三维测量，可用于检测加工表面质量，优化加工工艺和指导后续的细节磨削精加工。
[0003]采用机器人三维扫描的方式测量立体石雕切割工件具有自动化程度高、精度高、效率高、非接触、无损伤等优势。然而，由于石雕切割工件结构起伏变化大，无法通过一次扫描获得完整的石雕切割工件三维模型，必须要规划出多个扫描视点。因此如何规划立体石雕切割工件的扫描视点，是一项极具挑战性的任务。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种面向石雕切割工件测量的机器人扫描视点规划方法及系统，根据立体石雕切割工件的STL模型进行扫描视点规划，从而保证扫描的完整性、精度和效率，实现立体石雕切割工件的自动化测量。
[0005]本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一方面，一种面向石雕切割工件测量的机器人扫描视点规划方法，包括：
[0007]S101，采用改进的区域生长算法对立体石雕切割工件的STL模型表面进行区域划分获得三角面片簇；
[0008]S102，将划分后的每个三角面片簇离散为三维点云获得点云模型；
[0009]S103，对每个点云模型进行OBB包围盒求取，获得OBB包围盒的大小；
[0010]S104，根据OBB包围盒的最大中间平面大小与扫描仪单次扫描的视野大小划分四种扫描情况，分别对每种扫描情况进行扫描视点规划，获得各扫描视点在工件坐标系下的位置坐标；
[0011]S105，将机械臂限制在立体石雕切割工件的单个侧面进行移动扫描，通过三次转台带动工件旋转，每次旋转90
°
，生成切割工件的全貌扫描路径；
[0012]S106，将生成的扫描路径导入到CAM软件中，生成机械臂可执行程序，进行实际扫描。
[0013]优选的，S101中，所述采用改进的区域生长算法对立体石雕切割工件的STL模型表面进行区域划分获得三角面片簇之后，还包括：
[0014]对划分后的面片簇进行优化，合并面积小于设定阈值的三角面片簇将其合并到与它相邻且平均法向量夹角最小的簇中，在优化合并后的三角面片簇中，剔除存在扫描干扰
的面片簇。
[0015]优选的，所述S101，具体包括：
[0016]读取立体石雕切割工件的STL三角面片模型的每个面片T
i
＝(p1,p2,p3)的三个顶点坐标和法向量n
i
，并求取所有与三角面片T
i
的共用一个或两个顶点的三角面片的相关三角面片T
j
；
[0017]采用改进的区域生长算法对立体石雕切割工件的STL模型表面进行区域划分获得三角面片簇；
[0018]其中，三角面片T
i
和它的一个相关三角面片T
j
的法向量之间的余弦值Av(T
i,j
)，表示如下：
[0019]Av(T
i,j
)＝cos(f(T
i
),f(T
j
))
[0020]其中，f(T
i
)表示三角面片T
i
的法向量；f(T
j
)表示三角面片T
j
的法向量；
[0021]三角面片T
i
与它的所有相关三角面片的法向量期望E(T
i
)，表示如下：
[0022][0023]三角面片T
i
与它的所有相关三角面片的法向量方差D(T
i
)，表示如下：
[0024][0025]其中，k是三角面片T
i
的相关三角面片的数量。
[0026]优选的，所述S103，具体包括：
[0027]针对每个三角面片簇的点云模型，根据点云模型的空间点P
m
(x
m
,y
m
,z
m
)计算出均值μ(x,y,z)，并将它作为OBB包围盒的中心，如下：
[0028][0029]其中，μ
x
表示x轴的均值；μ
y
表示y轴的均值；μ
z
表示z轴的均值；P
m1
表示空间点P
m
的x
m
；P
m2
表示空间点P
m
的y
m
；P
m3
表示空间点P
m
的z
m
；n表示点云模型总的空间点数；m表示第m个空间点；
[0030]由均值μ计算协方差cov(c
i
,c
j
)，如下：
[0031][0032]其中，i,j＝1,2,3；u1＝μ
x
,u2＝μ
y
,u3＝μ
z
；c
i
＝{c1,c2,c3},c1表示x分量,c2表示y分量，c3表示z分量；
[0033]根据协方差可获得协方差矩阵C，如下：
[0034][0035]通过协方差矩阵便可求解出其特征值及对应的特征向量，由于协方差矩阵为对称矩阵，因此，其三个特征向量是相互正交的，将其单位化后即为OBB包围盒局部坐标系的三个主方向；
[0036]将模型所有顶点投影到三个主方向上，求出其最大值和最小值，确定出OBB包围盒的大小。
[0037]优选的，所述S104，具体包括：
[0038]根据OBB包围盒的最大中间平面的长宽与扫描仪单次扫描的视野大小划分为四种扫描情况，如下：
[0039](1)孔洞边界的OBB包围盒的最大中间平面的长、宽小于扫描仪单次扫描的长、宽，进行扫描一次便可扫全该孔洞区域；扫描视点的计算如下：
[0040][0041][0042]其中，为O'
‑
X'Y'Z'坐标系Z'轴的单位向量，为O'
‑
X'Y'Z'相对O
‑
XYZ坐标系的旋转矩阵，O'
‑
X'Y'Z'为OBB包围盒的中心坐标系，O
‑
XYZ为工件坐标系，O'
O
‑
XYZ
为OBB包围盒的中心点O'在O
‑
XYZ下的坐标，上述参数在计算OBB包围盒时可获得，vp
O'
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向石雕切割工件测量的机器人扫描视点规划方法，其特征在于，包括：S101，采用改进的区域生长算法对立体石雕切割工件的STL模型表面进行区域划分获得三角面片簇；S102，将划分后的每个三角面片簇离散为三维点云获得点云模型；S103，对每个点云模型进行OBB包围盒求取，获得OBB包围盒的大小；S104，根据OBB包围盒的最大中间平面大小与扫描仪单次扫描的视野大小划分四种扫描情况，分别对每种扫描情况进行扫描视点规划，获得各扫描视点在工件坐标系下的位置坐标；S105，将机械臂限制在立体石雕切割工件的单个侧面进行移动扫描，通过三次转台带动工件旋转，每次旋转90
°
，生成切割工件的全貌扫描路径；S106，将生成的扫描路径导入到CAM软件中，生成机械臂可执行程序，进行实际扫描。2.根据权利要求1所述的面向石雕切割工件测量的机器人扫描视点规划方法，其特征在于，S101中，所述采用改进的区域生长算法对立体石雕切割工件的STL模型表面进行区域划分获得三角面片簇之后，还包括：对划分后的面片簇进行优化，合并面积小于设定阈值的三角面片簇将其合并到与它相邻且平均法向量夹角最小的簇中，在优化合并后的三角面片簇中，剔除存在扫描干扰的面片簇。3.根据权利要求1所述的面向石雕切割工件测量的机器人扫描视点规划方法，其特征在于，所述S101，具体包括：读取立体石雕切割工件的STL三角面片模型的每个面片T
i
＝(p1,p2,p3)的三个顶点坐标和法向量n
i
，并求取所有与三角面片T
i
的共用一个或两个顶点的三角面片的相关三角面片T
j
；采用改进的区域生长算法对立体石雕切割工件的STL模型表面进行区域划分获得三角面片簇；其中，三角面片T
i
和它的一个相关三角面片T
j
的法向量之间的余弦值Av(T
i,j
)，表示如下：Av(T
i,j
)＝cos(f(T
i
),f(T
j
))其中，f(T
i
)表示三角面片T
i
的法向量；f(T
j
)表示三角面片T
j
的法向量；三角面片T
i
与它的所有相关三角面片的法向量期望E(T
i
)，表示如下：三角面片T
i
与它的所有相关三角面片的法向量方差D(T
i
)，表示如下：其中，k是三角面片T
i
的相关三角面片的数量。4.根据权利要求1所述的面向石雕切割工件测量的机器人扫描视点规划方法，其特征在于，所述S103，具体包括：针对每个三角面片簇的点云模型，根据点云模型的空间点P
m
(x
m
,y
m
,z
m
)计算出均值μ(x,y,z)，并将它作为OBB包围盒的中心，如下：
其中，μ
x
表示x轴的均值；μ
y
表示y轴的均值；μ
z
表示z轴的均值；P
m1
表示空间点P
m
的x
m
；P
m2
表示空间点P
m
的y
m
；P
m3
表示空间点P
m
的z
m
；n表示点云模型总的空间点数；m表示第m个空间点；由均值μ计算协方差cov(c
i
,c
j
)，如下：其中，i,j＝1,2,3；u1＝μ
x
,u2＝μ
y
,u3＝μ
z
；c
i
＝{c1,c2,c3},c1表示x分量,c2表示y分量，c3表示z分量；根据协方差可获得协方差矩阵C，如下：通过协方差矩阵便可求解出其特征值及对应的特征向量，由于协方差矩阵为对称矩阵，因此，其三个特征向量是相互正交的，将其单位化后即为OBB包围盒局部坐标系的三个主方向；将模型所有顶点投影到三个主方向上，求出其最大值和最小值，确定出OBB包围盒的大小。5.根据权利要求1所述的面向石雕切割工件测量的机器人扫描视点规划方法，其特征在于，所述S104，具体包括：根据OBB包围盒的最大中间平面的长宽与扫描仪单次扫描的视野大小划分为四种扫描情况，如下：(1)孔洞边界的OBB包围盒的最大中间平面的长、宽小于扫描仪单次扫描的长、宽，进行扫描一次便可扫全该孔洞区域；扫描视点的计算如下：的计算如下：其中，为O'
‑
X'Y'Z'坐标系Z'轴的单位向量，为O'
‑
X'Y'Z'相对O
‑
XYZ坐标系的旋转矩阵，O'
‑
X'Y'Z'为OBB包围盒的中心坐标系，O
‑
XYZ为工件坐标系，O'
...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹方辰，秦光林，崔长彩，康程，
申请(专利权)人：南安华大石材产业技术研究院，
类型：发明
国别省市：