激光线扫式形貌测量机器人的标定研究

　　现代社会的科技进步使逆向工程( reverse engineering)广泛应用于产品制造等领域，它主要用途之一是根据物体的三维CAD 模型制造与该物体相似的新产品或者复制品。因此，通过测量真实物体曲面上各点的坐标值，并由测量的数据构造出物体的CAD 模型是实现三维逆向技术的最重要任务[1]。另外，在工业产品的检测和质量控制中，往往也需要对具有自由曲面的产品外形进行高精度测量。

　　对物体的高精度三维测量是逆向工程的基础，其测量数据的精度直接影响后续曲面重建的效率及品质[2]。获取物体表面形貌特征的方法有多种，主要可分为接触式和非接触式两种。以三坐标测量机为代表的接触式测量技术属传统方法，虽然该方法噪声小、精度高、重复性好，但效率低，并可能对被测物体表面造成影响。因此光学式的非接触测量技术日益受到重视[3]，其中结构光主动视觉测量技术为典型的成熟方法[4]，它具有精度高、测量效率高等特点，在工业视觉检测[5]、三维物体形貌测量得到了越来越广泛的应用。

　　由于视觉传感器本身无运动机构，无法完成对整个被测物的形貌测量，因此一般可采用多传感器测头结构或将其固定在高精度移动机构上实现大范围、全方位、多角度的测量[6-7]。在文献[8]中徐永安等提出了一种激光旋转扫描测量系统，只要将被测物体旋转360°就能够测量物体全部外表面，该测量系统适用测量回转体或近似回转体。很多三坐标测量机上能集成三维激光扫描测头，实现对物体的形貌测量，但这两种测量方法测量范围都较小。

　　本文针对大型物体高精度逆向工程、产品检测和质量控制等方面的需求，研究一种结合通用工业机器人和视觉传感器的激光线扫式形貌测量系统，以实现高效率的三维形貌测量。本文在阐述测量系统原理及结构的基础上，对其中的关键技术进行研究，包括手眼标定及机器人运动学参数校正等，最终以实验结果验证参数校正的精度。

　　1 三维形貌测量系统

　　基于工业机器人的激光扫描式三维形貌测量系统如图1 所示，主要由传感器测头、六自由度工业机器人及标定装置等组成，其中测头采用nxSensor-Ⅰ型高精度三维激光扫描传感器，机器人为IRB 2400型工业机器人。

　　如图2 所示，nxSensor-Ⅰ型激光传感器的基本原理是“三角法”，其输出结果为传感器坐标下光平面与物体表面交线上各点的坐标值( 每线上的点可多达480 个) 。当机器人手臂按规划好的路径扫描整个被测物体表面时，安装在其法兰盘末端的传感器测头测量出“交线”上所有点的坐标值。将机器人在各个位置的坐标( 以机器人基坐标系为全局坐标系) 与对应传感器测得的数据相结合，并统一到基坐标系下，最终可获得被测表面的整体形貌特征。