[发明专利]用于不规则几何形状的三维修复方法和系统

权利要求书

1.一种用于不规则几何形状的三维修复方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对受损零件进行预处理，得到待修复零件；

2)对待修复零件进行三维扫描，得到其三维模型；

3)基于待修复零件多个结构特征点，进行机械臂手眼标定；

4)根据标定结果获得待修复零件在机械臂坐标系下的三维模型；

5)将完好零件的三维模型与待修复零件的三维模型进行匹配；

6)在匹配后的完好零件的三维模型上确定切割平面，生成封闭的三维缺陷模型；

7)基于生成的封闭的三维缺陷模型，进行机械臂路径规划，控制激光熔覆路径，对待修复零件进行自动修复；

8)对修复后的零件进行后处理；

所述步骤3)中，零件本身具有明显的结构特征点，基于若干个结构特征点对应的三维结构光扫描仪坐标系中的坐标和机械手坐标系中的坐标，确定三维结构光扫描仪坐标与机械手坐标的映射关系，完成手眼标定，其中，结构特征点数量N≥6个；具体步骤包括：

3-1)控制机械手的末端逐个定位待修复零件的N个结构特征点，记录这些结构特征点在机械手坐标系下的三维坐标；

3-2)按照步骤3-1)中的定位顺序，在待修复零件的三维模型上进行逐个结构特征点定位，获取待修复零件各个结构特征点在三维结构光扫描仪坐标系下的三维坐标；

3-3)通过步骤3-1)和3-2)得到待修复零件的结构特征点在两种坐标系下对应的三维坐标，假设机械手坐标系下的零件特征点集为{d_i}，三维结构光扫描仪坐标系下的零件特征点集为{m_i}，i＝1,2,...,N；三维结构光扫描仪坐标与机械手坐标的映射关系可由下式描述：

d_i＝Rm_i+T+V_i (1)

其中，R是3×3的旋转矩阵，T是3维的平移向量，V_i是一个噪声向量；为了得到最优的最小化下面的平方和误差：

3-4)公式(2)的最小二乘解要求{d_i}和经过旋转平移后的{m_i}有相同的质心，定义代入公式(2)得

为了最小化式(3)，需要最大化即最大化矩阵的迹，其中是相关矩阵；

3-5)对H进行奇异值分解得到H＝UΛV^T，计算出最大化的迹的最优旋转矩阵：

最优平移向量：

所述步骤4)具体为：根据步骤3)的手眼标定得到的最优旋转矩阵和最优平移向量对待修复零件的三维模型进行旋转和平移，获得在机械臂坐标系下的待修复零件的三维模型；

所述步骤5)具体为：在完好零件的STL格式的CAD模型上选取N个结构特征点，记录每个结构特征点的三维坐标；在机械臂坐标系下的待修复零件的三维模型上，选取和CAD模型上对应的结构特征点，记录每个结构特征点的三维坐标；按照上述步骤3-1)至3-5)，将CAD模型匹配到机械臂坐标系下的待修复零件的三维模型上；

所述步骤6)具体包括以下步骤：

6-1)在机械臂坐标系下的待修复零件的三维模型的切割面上选择3个不共线的标记点，在匹配后的完好零件的CAD模型上可得到对应的3个不共线的标记点，根据3个标记点的三维坐标，在匹配后的完好零件的CAD模型上确定切割平面；

6-2)根据确定的切割平面，将匹配后的完好零件的CAD模型分成两部分，一部分为待修复零件的缺损部分，该部分即为需要进行激光熔覆修补的缺陷模型；另一部分为待修复零件中未损伤的部分，不需要进行修补；

6-3)对待修复零件的缺陷模型进行边界提取，得到切割平面与CAD模型中的三角面片的交点数据，使用Delaunay三角剖分生成截面，与待修复零件的缺陷模型拼接得到封闭的三维缺陷模型，该缺陷模型位于机械臂坐标系下，保留了待修复零件缺损部分的真实坐标，可以直接用于激光熔覆轨迹的规划。

2.根据权利要求1所述的用于不规则几何形状的三维修复方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：根据受损零件的损伤部位，确定能够完全去除损伤部位的最小截面，使用线切割获得平整的切割面，得到切除了受损部位的待修复零件。