[发明专利]一种基于几何基元的零件位姿获取方法

权利要求书

1.一种基于几何基元的零件位姿获取方法，其特征在于，包括：

通过三维点云扫描设备获取待抓取零件点云数据；

使用RANSAC算法提取零件点云中的几何基元特征，并根据基元间的位置关系构建局部坐标系以及局部坐标特征；所述几何基元特征包括平面和圆柱面；

通过局部坐标特征匹配计算零件点云与模板点云的局部坐标系转换关系以获取零件点云位姿；

所述使用RANSAC算法提取零件点云中的几何基元特征，并根据基元间的位置关系构建局部坐标系以及局部坐标特征；所述几何基元特征包括平面和圆柱面，具体包括：

A2、采用RANSAC算法拟合零件点云中的平面和圆柱面几何基元，根据拟合结果中的基元参数，提取平面和三个圆柱面，并设为有效基元；

A3、从基元提取结果中选择一组，根据基元参数计算平面与三个圆柱面轴线的交点，根据平面上的三点构成的三角形与平面法矢构建局部坐标系和局部坐标特征；

步骤A2中拟合几何基元提取有效基元的步骤，具体包括：

A21、使用RANSAC算法拟合点云中的平面与圆柱面，基元拟合的结果表示为该基元的空间参数；其中平面的拟合结果有A、B、C和D四个参数，分别对应了平面参数方程的四个参数，即拟合的平面的参数方程为Ax+By+Cz+D＝0；圆柱面拟合的结果有a、b、c、x₀、y₀、z₀和r七个参数，这七个参数是构成空间圆柱面的必要条件，其中前六个参数构成圆柱面的母线，其参数方程为圆柱面的半径为r；

A22、基元提取的结果中存在一些无效基元，利用几何基元的位置关系的约束筛选以构建特征的基元；约束包括：约束1，平面法矢与圆柱面轴线平行；约束2，零件上有效的圆柱面的半径；约束3，圆柱与平面的交点与平面点云的重心之间的距离；具体通过以下三个式子表达：

其中，θ为平面法矢与圆柱母线夹角的阈值；

abs(r-r₀)＜r_min

其中，r₀是模型中有效圆柱的半径，r_min是圆柱拟合误差的阈值；

dis(m，p)＜r_part

其中，m为平面点云的重心，p为圆柱母线与平面的交点，r_part为零件中圆形平面的半径；

步骤A3中建立局部坐标系和局部坐标特征的步骤，具体包括：

A31、根据A2中拟合得到的平面与圆柱面的参数求解平面与圆柱面轴线的交点P₁、P₂和P₃，然后计算三点之间的距离d₁₂、d₂₃和d₁₃，当d₁₂、d₂₃和d₁₃不全等时，假设d₁₂＞d₂₃＞d₁₃，则以P₂为原点，最长边为X轴，以平面的法矢n_P为Z轴构建局部坐标系，其中Z＝n_P，Y＝Z×X，这样就完成了局部坐标系的建立；

A32、对于一般情况，假设d₁₂≥d₂₃≥d₁₃，根据距离值从大到小排序可以构建一个三维的特征向量t＝(d₁₂，d₂₃，d₁₃)，用这个三维特征向量完成局部坐标系的匹配；

A33、对于三点构成等腰三角形的情况或者零件上有对称的结构时的特殊情况，存在不同的局部坐标系对应相同的特征；在这些情况下，由于与X轴共享原点的邻边与Y轴的夹角α有两种情况，α＞90°或者α＜90°，根据这一规律把夹角的余弦值作为一个特征来辅助特征匹配，从而使匹配结果唯一，构建的新的特征向量为t＝(d₁₂，d₂₃，d₁₃，cosα)，简化特征向量，当α＞90°时，cosα＜0，令t[4]＝0；当α＜90°时，cosα＞0，令t[4]＝1，构建了与局部坐标系一一对应的局部坐标特征。