CN210741384U

CN210741384U - 二维传感器与三维传感器融合的机器人视觉测量***

Info

Publication number: CN210741384U
Application number: CN201922172621.9U
Authority: CN
Inventors: 李文龙; 陈栋; 王振忠
Original assignee: Qingdao Haizhichen Industrial Equipment Co ltd
Current assignee: Qingdao Haizhichen Industrial Equipment Co ltd
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2020-06-12
Anticipated expiration: 2029-12-06

Abstract

本实用新型提供一种二维传感器与三维传感器融合的机器人视觉测量***，其包括：工业机器人，其具有机械臂；可调间距安装板，其通过延伸支架连接于该机械臂的末端；两个三维传感器，其相对该机械臂对称地且角度和位置可调节地安装于该可调间距安装板上用于待测物体的三维形貌的测量；二维传感器，其角度和位置可调节地安装于该可调间距安装板上用于对待测物体的外观进行图像采集。本实用新型实现了二维与三维传感器融合的机器人视觉测量，可以同时采集待测物体的二维图像信息与三维点云信息，有效扩展了机器人视觉测量的适用范围。

Description

二维传感器与三维传感器融合的机器人视觉测量***

技术领域

本实用新型属于视觉检测领域，具体涉及一种二维传感器与三维传感器融合的机器人视觉测量***。

背景技术

随着制造工业的迅速发展，大型复杂曲面零件在工程领域中开始被广泛使用，如大型汽轮机叶片、大型船用螺旋桨、大型飞机壁板、火箭筒体等。这类零件具有尺寸大、价值高、成型过程复杂，在加工完成后需要进行形貌尺寸的检测检测，以保证其加工质量和使用性能。以大型汽轮机铸造叶片尺寸终检过程为例，其需要对叶身的复杂曲面进行测量，将计算获得的特征参数与产品设计值进行比对，对铸造叶片的质量进行评定。但是，这类零件其具有刚性弱、大弯扭、易变形等特点加工过程复杂，因此高效快速的检测是保证其产品质量的重要环节。

传统测量方式有采用人工检测方式，通过人工依靠模板对叶片铸造余量、局部校正量、尺寸误差等进行检测，但是，这种方式涉及复杂的二次装夹、多品种模板定制设计、人工手动操作等，效率低下，无法满足铸造涡轮叶片的快速测量和型面精度控制需求。目前主要的数字化测量手段是采用坐标测量机对叶片某些特定高度的截面逐点测量，但该种手段的检测效率低，不能够快速得到叶片特征参数，大大降低了生产效率。

现如今，针对叶片形貌的非接触式三维检测已逐渐成为主流检测手段，其中，双目结构光三维形貌测量是使用最为广泛的一种测量方式，其通过投影仪将带有编码信息的结构光栅投射在物体表面，根据双目立体视觉的原理，对采集的图片进行解码和三维重建，该种检测手段具有较高的测量精度和测量效率。

而工业机器人由于其高柔性和易于自动化的优点，已经被广泛用于汽车制造、电子装配等自动化程度较高的行业。在工业机器人末端搭载传感器，利用其作为运动平台，搭载二维或者三维传感器到达指定位置进行测量，同时，基于工业机器人构建的测量***，可以根据被测物体的设计模型，结合二维或者三维传感器的测量原理，规划较优的测量路径。这种方式具有成本较低、自动化程度高、测量效率高等优势，可以适应大多数工业场景。

然而，目前基于工业机器人构建的三维测量***多采用单一三维传感器，其只能重构待测物体表面的三维形貌点云数据，由于点云数据是基于图像数据经过匹配生成的离散数据，其难以反映待测物体表面的缺陷。

实用新型内容

为克服现有技术的以上缺陷，本实用新型提供一种二维传感器与三维传感器融合的机器人视觉测量***，旨在通过在工业机器人末端同时安装二维传感器与三维传感器，以便通过对空间中的标准靶标进行测量，对二维传感器和三维传感器分别与机器人的末端坐标系的关系进行标定，同时对机器人关节参数误差进行辨识和补偿，构建二维传感器与三维传感器融合的机器人视觉测量***，从而可以同时采集被测物体的二维图像数据和三维点云数据，实现二维图像数据和三维点云数据的融合。

为实现上述目的，本实用新型提供一种二维传感器与三维传感器融合的机器人视觉测量***，其包括：

工业机器人，其具有机械臂；

可调间距安装板，其通过延伸支架连接于该机械臂的末端；

两个三维传感器，其相对该机械臂对称地且角度和位置可调节地安装于该可调间距安装板上用于待测物体的三维形貌的测量；

二维传感器，其角度和位置可调节地安装于该可调间距安装板上用于对待测物体的外观进行图像采集。

进一步，三维传感器通过三维传感器角度调整垫块和三维传感器安装架可拆卸地固定在可调间距安装板上，并且，两个三维传感器分别位于机械臂的末端的两侧。

再进一步，三维传感器可拆卸地固定在三维传感器安装架上，三维传感器安装架可拆卸地固定在三维传感器角度调整垫块上，三维传感器角度调整垫块可拆卸地固定在可调间距安装板上。

又再进一步，三维传感器为线激光扫描传感器。

还又再进一步，两个三维传感器装设成其测量距离为300～400mm，安装角度为10～30°。

另进一步，二维传感器通过二维传感器安装连接块和二维传感器安装垫块可拆卸地固定在可调间距安装板上。

另再进一步，二维传感器可拆卸地固定在二维传感器安装垫块的底表面上，二维传感器安装垫块可拆卸地固定在二维传感器安装连接块的底表面上，二维传感器安装连接块在其一侧可拆卸地固定在可调间距安装板上。

另又再进一步，二维传感器为CMOS工业相机。

还进一步，两个三维传感器通过对空间中一固定的立体标定装置同时对两个三维传感器的空间位姿关系、工业机器人的机械臂的末端坐标系、以及三维传感器的测量坐标系进行初步标定。

还再进一步，两个三维传感器通过对空间中一固定的标准几何物体进行测量，并对工业机器人的关节参数误差进行辨识和补偿。

又还再进一步，两个三维传感器基于补偿后的关节参数通过立体标定装置对工业机器人的机械臂的末端坐标系与三维传感器的测量坐标系进行精标定。

另进一步，二维传感器基于补偿后的关节参数通过平面标定装置对工业机器人的机械臂的末端坐标系与二维传感器的测量坐标系进行标定，从而建立二维传感器的测量坐标系与三维传感器的测量坐标系之间的转换关系。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

（1）本实用新型克服单一三维传感器只能重构待测物体表面的三维形貌点云数据而难以反映待测物体表面的缺陷的这一不足，本实用新型同时采集二维图像数据和三维点云数据；

（2）本实用新型通过对空间中的标准靶标进行测量，同时对二维传感器的测量坐标系和三维传感器的测量坐标系与工业机器人的机械臂的末端坐标系（也可以叫做末端法兰面坐标系）的关系进行标定，进而建立了二维传感器与三维传感器的空间位姿关系，可以实现二维图像数据和三维点云数据的融合处理，有效扩展了机器人视觉测量的适用范围；

（3）本实用新型对工业机器人的关节参数误差进行辨识和补偿，可以有效提高工业机器人的定位精度；

（4）本实用新型结构简单，采用工业机器人作为运动平台，搭载测量用的二维传感器和三维传感器，测量效率高，易于实现自动化，而且通用性强，可进行二次开发。

通过参考下面所描述的实施例，本实用新型的上述这些方面和其他方面将会得到更清晰地阐述。

附图说明

本实用新型的结构以及进一步的目的和优点将通过下面结合附图的描述得到更好地理解，其中，相同的参考标记标识相同的元件：

图1是根据本实用新型的一个具体实施方式的二维传感器与三维传感器融合的机器人视觉测量***的立体结构示意图；

图2是图1所示二维传感器与三维传感器融合的机器人视觉测量***在去除工业机器人之后的立体结构示意图；

图3是类似于图2的视图，但又进一步去除了二维传感器和三维传感器以清楚显示将这些传感器连接到工业机器人上的结构。

具体实施方式

下面将结合附图来描述本实用新型的具体实施方式。

在本文中，用于解释所揭露实施方式的各个部分的结构和/或动作的方向表示，例如“上”、“下”等，并不是绝对的，而是相对的。当所揭露实施方式的各个部分位于图中所示位置时，这些表示是合适的，而如果所揭露实施方式的位置或参照系改变，这些表示也要根据所揭露实施方式的位置或参照系的改变而发生改变。

根据本实用新型的一个具体实施方式的二维传感器与三维传感器融合的机器人视觉测量***如图1、图2和图3所示。该二维传感器与三维传感器融合的机器人视觉测量***包括工业机器人1、可调间距安装板3、三维传感器51、三维传感器53、二维传感器7。工业机器人1具有机械臂10，可调间距安装板3其通过延伸支架2连接于该机械臂10的末端，其中，该末端可以是法兰面，延伸支架2相应地也具有连接用的法兰面20。三维传感器51和三维传感器53相对该机械臂10左右对称地且角度和位置可调节地安装于该可调间距安装板3上，以便用于测量待测物体的三维形貌。

在本实施方式中，如图2所示，并参考图3，以其中一个三维传感器51为例，三维传感器51通过三维传感器角度调整垫块4和三维传感器安装架6可拆卸地固定在可调间距安装板3上。具体地，三维传感器51可拆卸地固定在三维传感器安装架6上，三维传感器安装架6可拆卸地固定在三维传感器角度调整垫块4上，三维传感器角度调整垫块4可拆卸地固定在可调间距安装板3上。三维传感器51和三维传感器53装设成其测量距离为300～400mm，安装角度为10～30°。三维传感器51和三维传感器53的安装角度的变化可以通过更换不同斜度的三维传感器角度调整垫块4来实现，而安装位置则可以通过三维传感器角度调整垫块4安装在可调间距安装板3上的位置进行调整，从而调整两个三维传感器测量范围的公共区域。应当理解的是，这种“可拆卸地固定”例如可以包括螺纹连接、卡接或粘结等方式。

再如图2和图3所示，在本实施方式中，二维传感器7也是角度和位置可调节地安装于可调间距安装板3上，以便用于对待测物体的外观进行图像采集。二维传感器7通过二维传感器安装连接块8和二维传感器安装垫块9可拆卸地固定在可调间距安装板3上。具体地，在本实施方式中，二维传感器7可拆卸地固定在二维传感器安装垫块9的底表面上，其安装角度可以通过调整二维传感器安装垫块9来实现调整；二维传感器安装垫块9可拆卸地固定在二维传感器安装连接块8的底表面上，二维传感器安装连接块8在其一侧可拆卸地固定在可调间距安装板3上，二维传感器7的安装位置可以通过二维传感器安装连接块8安装在可调间距安装板3上的位置进行调整。

另外，需要说明的是，在本实施方式中，三维传感器51和三维传感器53为线激光扫描传感器；二维传感器7为CMOS工业相机。应当理解的是，在另外的实施方式中，二维传感器7还可以是CCD工业相机；三维传感器51和三维传感器53还可以是双目结构光三维传感器或多目立体视觉三维传感器。

在本实施方式中，两个三维传感器可以通过对空间中一固定的立体标定装置同时对两个三维传感器的空间位姿关系、工业机器人的机械臂的末端坐标系、以及三维传感器的测量坐标系进行初步标定，其中，立体标定装置优选高精度哑光陶瓷球，其标准直径已知。两个三维传感器还可以通过对空间中一固定的标准几何物体进行测量，并对工业机器人的关节参数误差进行辨识和补偿，其中，标准几何物体优选高精度哑光陶瓷球，其标准直径已知。进一步，两个三维传感器基于补偿后的关节参数通过立体标定装置对工业机器人的机械臂的末端坐标系与三维传感器的测量坐标系进行精标定。另外，二维传感器基于补偿后的关节参数通过平面标定装置对工业机器人的机械臂的末端坐标系与二维传感器的测量坐标系进行标定，从而建立二维传感器的测量坐标系与三维传感器的测量坐标系之间的转换关系，其中，平面标定装置优选棋盘格标定板，其角点的标准坐标值已知。

在本实施方式中，例如可以通过两个三维传感器测量大型铸造汽轮机叶片叶身的整体三维点云数据以及二维图像数据，通过得到三维点云数据的叶片轮廓度误差，包括叶盆、叶背、前缘、后缘、最大厚度、扭转角度等特征参数与设计模型匹配所得误差值，根据设计要求判定被测叶片是否合格；二维图像数据可以用于检测叶片叶身上的一些特殊结构如气膜孔以及一些表面的缺陷。

本实施方式中，工业机器人末端搭载了两个线激光扫描传感器和一个CMOS工业相机，通过标定分别建立了它们与工业机器人末端（法兰面）之间的空间位姿关系，通过工业机器人的运动学模型根据被测物体的设计模型可以对工业机器人搭载线激光扫描传感器和CMOS工业相机的扫描路径进行规划，得到较优的测量数据，供后续分析和处理。

本实用新型的技术内容及技术特点已揭示如上，然而可以理解，在本实用新型的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述结构作各种变化和改进，包括这里单独披露的或要求保护的技术特征的组合，以及明显地包括这些特征的其它组合。这些变形和/或组合均落入本实用新型所涉及的技术领域内，并落入本实用新型权利要求的保护范围。

Claims

1.一种二维传感器与三维传感器融合的机器人视觉测量***，其特征在于包括：

工业机器人，其具有机械臂；

可调间距安装板，其通过延伸支架连接于该机械臂的末端；

2.如权利要求1所述的二维传感器与三维传感器融合的机器人视觉测量***，其特征在于，所述三维传感器通过三维传感器角度调整垫块和三维传感器安装架可拆卸地固定在所述可调间距安装板上，并且，所述两个所述三维传感器分别位于所述机械臂的所述末端的两侧。

3.如权利要求2所述的二维传感器与三维传感器融合的机器人视觉测量***，其特征在于，所述三维传感器可拆卸地固定在所述三维传感器安装架上，所述三维传感器安装架可拆卸地固定在所述三维传感器角度调整垫块上，所述三维传感器角度调整垫块可拆卸地固定在所述可调间距安装板上。

4.如权利要求3所述的二维传感器与三维传感器融合的机器人视觉测量***，其特征在于，所述三维传感器为线激光扫描传感器。

5.如权利要求1至4任一项所述的二维传感器与三维传感器融合的机器人视觉测量***，其特征在于，所述两个所述三维传感器装设成其测量距离为300～400mm，安装角度为10～30°。

6.如权利要求1至4任一项所述的二维传感器与三维传感器融合的机器人视觉测量***，其特征在于，所述二维传感器通过二维传感器安装连接块和二维传感器安装垫块可拆卸地固定在所述可调间距安装板上。

7.如权利要求6所述的二维传感器与三维传感器融合的机器人视觉测量***，其特征在于，所述二维传感器可拆卸地固定在所述二维传感器安装垫块的底表面上，所述二维传感器安装垫块可拆卸地固定在所述二维传感器安装连接块的底表面上，所述二维传感器安装连接块在其一侧可拆卸地固定在所述可调间距安装板上。

8.如权利要求7所述的二维传感器与三维传感器融合的机器人视觉测量***，其特征在于，所述二维传感器为CMOS工业相机。

9.如权利要求5所述的二维传感器与三维传感器融合的机器人视觉测量***，其特征在于，所述二维传感器通过二维传感器安装连接块和二维传感器安装垫块可拆卸地固定在所述可调间距安装板上。

10.如权利要求9所述的二维传感器与三维传感器融合的机器人视觉测量***，其特征在于，所述二维传感器为CMOS工业相机。