基于工业机器人的三维激光扫描测量系统分析

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1、第一章绪论文物保护、多媒体／娱乐、时装设计等诸多领域和行业，也有着旺盛的市场需求。图1．1是三维形貌测量系统在汽车逆向工程制造领域中的应用：用三维扫描仪器对实际车体进行扫描，通过逆向工程软件生成点云数据，再经一定的算法处理得到CAD模型，极大地提高了汽车设计效率。(a)实际客车(b)客车点云(c)CAD模型图1．1逆向工程一般地，三维形貌测量技术可分为接触式和非接触式两种。接触式方法以三坐标测量机为典型代表，非接触式方法则分为非光学测量和光学测量两种【3】。近年来随着光学、计算机、图像处理等技术的不断进步，非接触式光学三维扫描测量技术得以迅速发展，由于光学扫描测量具有高分辨率、速度快、效率高、

2、精度好、无损测量等诸多优点，加之运用各种成熟技术，获得了非常广泛的应用。光学三维测量技术根据照明光源又可分为主动式和被动式，前者利用辅助光源对被测表面进行调制来提供结构信息以获取深度信息，而后者在自然光条件下实现深度信息的获得。常见的主动光学方法包括主动三角法、相位测量法等；被动光学方法有立体视觉法掣41。1)主动三角法主动三角法(也称主动结构光法)基于光学三角原理，结构光投射于被测物，与其表面相交产生光条或光点等特征，利用图像传感器(CCD相机)获得图像并提取特征的像素坐标。根据投射器、接收器以及被测物体表面之间的三角关系最终计算得到被测物体表面上特征部分的三维信息。2)相位测量法相位测量法

3、(也称相位光栅法)基于物体深度变化对入射光波进行相位调制原理的一种方法。非相干光源经过光栅图样投影到被测表面后，物体的表面深度信息将对条纹的振幅和相位进行调制，使得栅像发生变化。采用一定的算法可以将携带物体深度信息的相位变化解调出来，从而得到物体的三维信息【5，酬。按照相位解调方式可分为莫尔法、移相法和傅里叶变换法等。3)立体视觉法第一章绪论立体视觉法基于立体视差原理(StereoDisparity)，即从两个视点观察同一场景，以获取在不同视角下的两幅图像，通过三角测量原理计算像素间的偏差来获取景物的位置信息【7】o1．3国内外研究现状目前市场上虽已经出现了多种便携式的三维扫描测量设备，但若是

4、仅仅依靠这些设备并不能同时满足工业制造领域中的实时在线、柔性化高效率测量的需求，因此，研究通用性强、自动化高的高精度三维形貌测量系统具有重要意义，然而国内在此方面的研究与国外相比还存在很大差距。面向工业制造领域的三维形貌非接触扫描测量系统的研究主要集中在以下几个方向：一、三维扫描仪与移动机构相配合，扩展扫描仪的测量范围，常用的移动机构主要有三坐标测量机、旋转台、工业机器人等。目前许多三维扫描仪都具备了与三坐标测量机相配合的功能，这种测量系统具有高的测量精度，但测量范围受三坐标测量机运动范围的限制，并且测量复杂对象时存在一定的困难，因此基于三坐标测量机的系统适用于被测对象简单、精度需求很高的测量

5、场合。二、采用拼接原理，扩展扫描范围。德国GOM公司TRITOP测量系统(图1．2所示)和美国GSI公司的V．STARS系统(图1．3所示)均采用此原理来实现对被测物完整形貌的测量峭，9J；天津大学吴斌提出了基于粘性目标和基于移动坐标测量系统的三维图形拼接技术，使得测量系统可以完成大型物体的三维形貌测量Il⋯。基于拼接原理的测量方法由于需要粘贴特征点，容易影响被测物的表面特征。戡豳圈图1．2GOM公司ATOSIll和TRITOP测量系统第一章绪论图图1．3GSI公司的V．STARS测量系统三、采用多个视觉传感器组成形貌测量系统。该方法测量速度快、操作简单，但需要标定每个传感器之问的相互位置关系

6、，并会导致测量成本提高。加拿大Inspeck公司的人体三维数据测量采用此技术，将多台传感器摆放多个位置完成整个人身的测量，如图1．4所示【1¨。≥≥tl墨图l一4Inspeck人体扫描系统1．4柔性视觉形貌测量系统1．4．1系统组成工业机器人是现代化制造业重要的自动化装备，它综合了机械、自动化、电子、传感器、计算机、人工智能、仿生学等多学科的最新研究成果，是机电一体化的最高成就【l2

7、。世界上最早的工业机器人Unimate和Versatran诞生于20世纪60年代，自此以后，机器人技术飞速发展，其产品种类越来越多、制造技术水平日益提高、性能不断提升、应用领域得到很大扩展，机器人因其高度的可靠性

8、、灵活性、快速的反应能力，使得它在柔性制造系统、工业自动化、计算机辅助制造系统中发挥着重大作用。现代化的产品种类越来越多，产品曲面日趋复杂，企业生产也向着中小批量模式发展，这对三维形貌测量系统提出了新的要求，即在满足测量精度要求的前4第一章绪论提下，研究一种通用性强、自动化程度高、灵活性好的三维形貌测量系统。以工业机器人为基础的三维形貌测量系统具备了工业机器人可编程控制、运动灵活以及视觉传感器的非