[发明专利]一种三维点云的实时采集装置及机器人打磨轨迹规划方法

说明书

技术领域

本发明应用于三维点云的获取及机器人打磨，既涉及基于激光位移传感器和机器人之间实时通信获取三维点云的装置，也涉及机器人基于三维点云的打磨轨迹规划方法，提供了一套新的三维点云获取方法，为机器人运用于打磨领域提供了新的试验方法和装置。

背景技术

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。

发明内容

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，本发明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。

为实现本发明的上述目的，本发明一方面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。

本发明另一方面提供了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的测量坐标系相对于机器人末端坐标系的转换矩阵；

(2)机器人驱动激光位移传感器扫描工件，实现将一维测量扩展为三维测量，获取工件的三维点云；

(3)对所述三维点云进行法向估计，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的打磨轨迹。

进一步地，所述步骤(1)具体包括：

(11)首先在机器人末端安装一个标定顶尖，控制机器人到达空间某一固定点，采用机器人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基坐标系的空间位置^Bp；

(12)然后在机器人末端装夹激光位移传感器，控制机器人将激光照射在所述固定点，读出机器人当前末端相对于基坐标系的位姿及激光位移传感器的示数^Mp，所述激光位移传感器的示数^Mp和所述空间位置^Bp的转换关系为：

式中^Bp——空间点p在机器人基坐标系的坐标；

^Mp——空间点p在测量坐标系的坐标；

——机器人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)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：