本發(fā)明應(yīng)用于三維點(diǎn)云的獲取及機(jī)器人打磨，既涉及基于激光位移傳感器和機(jī)器人之間實(shí)時(shí)通信獲取三維點(diǎn)云的裝置，也涉及機(jī)器人基于三維點(diǎn)云的打磨軌跡規(guī)劃方法，提供了一套新的三維點(diǎn)云獲取方法，為機(jī)器人運(yùn)用于打磨領(lǐng)域提供了新的試驗(yàn)方法和裝置。

背景技術(shù)：

當(dāng)今，三維點(diǎn)云的獲取設(shè)備主要有三維激光掃描儀，二維線激光位移傳感器加輔助運(yùn)動(dòng)，上述兩種方法能夠獲取點(diǎn)數(shù)巨大的密集點(diǎn)云。另外也可以通過三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x獲取點(diǎn)云，這種方法獲取的點(diǎn)云位置精度高，為點(diǎn)數(shù)較少的稀疏點(diǎn)云。這些設(shè)備價(jià)格昂貴，使得點(diǎn)云獲取成本較高，隨著消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的出現(xiàn)，比如kinect，使得點(diǎn)云技術(shù)得到較快的發(fā)展。但是上述方法獲取的點(diǎn)云會(huì)包含目標(biāo)物體所處的環(huán)境信息，需要對(duì)原始點(diǎn)云進(jìn)行濾波、去噪、分割和配準(zhǔn)等處理，才能獲取目標(biāo)物的點(diǎn)云，后期處理復(fù)雜。

點(diǎn)云主要運(yùn)用于逆向工程，進(jìn)行現(xiàn)有物體的三維重構(gòu)，為其創(chuàng)建數(shù)字化信息庫(kù)；在機(jī)器視覺領(lǐng)域，點(diǎn)云可用于目標(biāo)識(shí)別、目標(biāo)三維檢測(cè)和地圖構(gòu)建等方向，為機(jī)器人提供視覺信息，輔助其決策和路徑規(guī)劃。

機(jī)器人技術(shù)已廣泛運(yùn)用于焊接、噴涂等領(lǐng)域，但是復(fù)雜形狀的工件打磨主要還是依靠人工打磨和數(shù)控機(jī)床加工，前者因?yàn)榇蚰ピ肼?、粉塵大，有損工人健康，且對(duì)工人的技術(shù)水平要求較高；后者加工精度高，但加工設(shè)備價(jià)格昂貴，柔性較差限制其廣泛應(yīng)用。

工業(yè)機(jī)器人具有多自由度，靈活性好，較適合運(yùn)用于打磨領(lǐng)域。目前，采用機(jī)器人離線編程技術(shù)，已成功將機(jī)器人技術(shù)運(yùn)用于復(fù)雜工件打磨，但是離線編程技術(shù)要求提前對(duì)工具和工件坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定，且由于工件的裝夾誤差和加工不一致性，導(dǎo)致機(jī)器人打磨一批工件時(shí)，出現(xiàn)精度不一致情況，甚至出現(xiàn)廢次品。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決三維點(diǎn)云的獲取問題及將點(diǎn)云運(yùn)用于機(jī)器人打磨領(lǐng)域，本發(fā)明提供了一種基于激光位移傳感器的三維點(diǎn)云的實(shí)時(shí)采集裝置及機(jī)器人打磨軌跡規(guī)劃方法。設(shè)計(jì)不同形狀的工件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，規(guī)劃?rùn)C(jī)器人掃描軌跡，基于總線通信協(xié)議和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，通過總線通信方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和激光位移傳感器的實(shí)時(shí)通信，獲取工件三維點(diǎn)云，為將三維點(diǎn)云運(yùn)用于機(jī)器人打磨軌跡規(guī)劃提供了外在條件。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明一方面提供了一種三維點(diǎn)云的實(shí)時(shí)采集裝置，包括機(jī)器人、激光位移傳感器、基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的機(jī)器人實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，所述激光位移傳感器通過夾具設(shè)置在所述機(jī)器人的末端，所述機(jī)器人為六自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人，所述機(jī)器人實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)總線連接機(jī)器人和激光位移傳感器，用于使激光位移傳感器的讀數(shù)和機(jī)器人的位姿得到同步，將一維測(cè)量擴(kuò)展為三維測(cè)量，從而通過掃描獲取工件的三維點(diǎn)云。

進(jìn)一步地，所述的機(jī)器人實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)與機(jī)器人和激光位移傳感器之間為毫秒級(jí)通信。

本發(fā)明另一方面提供了一種基于所述裝置的機(jī)器人打磨軌跡規(guī)劃方法，包括步驟：

(1)通過多點(diǎn)標(biāo)定法標(biāo)定激光位移傳感器的測(cè)量坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人末端坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；

(2)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)激光位移傳感器掃描工件，實(shí)現(xiàn)將一維測(cè)量擴(kuò)展為三維測(cè)量，獲取工件的三維點(diǎn)云；

(3)對(duì)所述三維點(diǎn)云進(jìn)行法向估計(jì)，同時(shí)基于三維點(diǎn)云包含的空間位置信息和法向信息規(guī)劃?rùn)C(jī)器人打磨時(shí)的位姿和走刀路徑，并以掃描軌跡加以修正作為機(jī)器人的打磨軌跡。

進(jìn)一步地，所述步驟(1)具體包括：

(11)首先在機(jī)器人末端安裝一個(gè)標(biāo)定頂尖，控制機(jī)器人到達(dá)空間某一固定點(diǎn)，采用機(jī)器人工具坐標(biāo)系五點(diǎn)標(biāo)定法，工具坐標(biāo)系標(biāo)定完成后從示教器讀出該固定點(diǎn)相對(duì)于機(jī)器人基坐標(biāo)系的空間位置^bp；

(12)然后在機(jī)器人末端裝夾激光位移傳感器，控制機(jī)器人將激光照射在所述固定點(diǎn)，讀出機(jī)器人當(dāng)前末端相對(duì)于基坐標(biāo)系的位姿及激光位移傳感器的示數(shù)^mp，所述激光位移傳感器的示數(shù)^mp和所述空間位置^bp的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

式中^bp——空間點(diǎn)p在機(jī)器人基坐標(biāo)系的坐標(biāo)；

^mp——空間點(diǎn)p在測(cè)量坐標(biāo)系的坐標(biāo)；

——機(jī)器人末端坐標(biāo)系相對(duì)于基坐標(biāo)系的齊次變換矩陣；

——測(cè)量坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人末端坐標(biāo)系的齊次變換矩陣，其中，

(13)將式(1)轉(zhuǎn)換為設(shè)則(1)可以表示如下：

(14)基于多點(diǎn)標(biāo)定，將式(3)轉(zhuǎn)化成ax＝k的形式，構(gòu)成一個(gè)超定方程組，并采用最小二乘來求解，形式如下：

使最小的解x^*即為超定方程組ax＝k的最小二乘解；

(15)求解出x后即得到矩陣得到矩陣后，即可以將掃描的工件三維點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到機(jī)器人基坐標(biāo)系下。

進(jìn)一步地，步驟(2)中，所述將一維測(cè)量擴(kuò)展為三維測(cè)量的步驟是通過機(jī)器人實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，工件點(diǎn)云的x，y位置由機(jī)器人末端位姿可知，工件點(diǎn)云的z位置由激光位移傳感器可知，通過實(shí)時(shí)總線通訊技術(shù)，保證x、y、z的同步，從而實(shí)現(xiàn)將一維測(cè)量擴(kuò)展為三維測(cè)量。

進(jìn)一步地，所述的步驟(3)具體包括步驟：

(31)基于三維點(diǎn)云的每個(gè)點(diǎn)的空間位置信息及優(yōu)化調(diào)整后的法向信息規(guī)劃?rùn)C(jī)器人打磨位姿；

(32)定義點(diǎn)云的加工節(jié)點(diǎn)，并以掃描先后順序依次將加工節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解和插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)將加工節(jié)點(diǎn)串聯(lián)生成一條連續(xù)的機(jī)器人打磨軌跡。

進(jìn)一步地，所述的步驟(31)具體包括步驟：

(301)確定打磨時(shí)刀具的位置，即利用三維點(diǎn)云中各點(diǎn)所包含的基于機(jī)器人基坐標(biāo)系的空間位置信息；通過機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)控制機(jī)器人使得刀具到達(dá)打磨時(shí)的位置；

(302)確定打磨時(shí)刀具的姿態(tài)，即基于三維點(diǎn)云的每個(gè)點(diǎn)的預(yù)估法向信息及優(yōu)化調(diào)整后的法向信息規(guī)劃?rùn)C(jī)器人打磨時(shí)刀具的姿態(tài)。

進(jìn)一步地，所述的步驟(302)具體包括步驟：

(311)通過改進(jìn)的k鄰域搜索算法搜索k個(gè)距離最近的點(diǎn)，即將一個(gè)點(diǎn)作為體心，以固定步長(zhǎng)構(gòu)建自身的正方體，然后在正方體內(nèi)進(jìn)行k鄰域搜索，若找到k個(gè)距離最近的點(diǎn)，即終止搜索，否則以固定步長(zhǎng)擴(kuò)大正方體的范圍，重新搜索k個(gè)距離最近的點(diǎn)，直至在正方體內(nèi)搜索到距離最近的k個(gè)點(diǎn)；

(312)采用改進(jìn)的pca算法，通過對(duì)某點(diǎn)的k鄰域內(nèi)的點(diǎn)賦予不同的權(quán)重函數(shù)，采用最小二乘擬合法擬合出一個(gè)平面，將所擬合平面的法向作為該點(diǎn)的初始法向；接著基于所述初始法向自適應(yīng)的確定點(diǎn)云中各點(diǎn)的權(quán)重函數(shù)，再對(duì)初始法向進(jìn)行優(yōu)化；

(313)點(diǎn)云重定向，即采用最小生成樹法對(duì)優(yōu)化后的法向進(jìn)行調(diào)整，使得點(diǎn)云法向指向一致。

進(jìn)一步地，所述的步驟(312)具體包括步驟：

(321)在pca算法中引入兩個(gè)權(quán)重函數(shù)使得擬合方法對(duì)點(diǎn)云中的外點(diǎn)和噪聲具有一定的魯棒性，最小二乘擬合可表示為：

s.t.||n||＝1(5)

式中ωd(xi)——高斯權(quán)重函數(shù)，使得距離該點(diǎn)近的點(diǎn)對(duì)擬合平面的作用大一點(diǎn)，反之影響作用小，ωd(xi)表示為：σd為距離帶寬，其初值根據(jù)工件的形狀及掃描點(diǎn)云的分布情況預(yù)先設(shè)定；

ωr(ri)——與擬合殘差有關(guān)的高斯權(quán)重函數(shù)，ωr(ri)表示為：σr為擬合殘差帶寬，其初值根據(jù)工件的形狀及掃描點(diǎn)云的分布情況預(yù)先設(shè)定；

ri^m——第m次迭代，xi點(diǎn)的擬合殘差，ri^m可表示為：ri^m＝d^m+(xi-x)^tn^m；

(322)求解式(5)構(gòu)造協(xié)方差矩陣c，表示如下：

式中——表示鄰域的中心，表示為：

k——表示鄰域內(nèi)的點(diǎn)數(shù)，

通過求解協(xié)方差矩陣c，其最小的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量即為擬合平面的法向n，即作為該點(diǎn)的初始法向，且

(323)為點(diǎn)云中各個(gè)點(diǎn)定義一個(gè)特征系數(shù)fc來量化該點(diǎn)是位于平滑區(qū)域、尖銳特征區(qū)域或者過渡區(qū)域，特征系數(shù)可表示為：

式中s＝2，表示當(dāng)比例為0.5時(shí)，則判定該點(diǎn)位于尖銳特征區(qū)域；

δl——表示該點(diǎn)與其距離最近的6個(gè)點(diǎn)的平均距離；

(324)確定特征系數(shù)fc的取值先定義點(diǎn)云中某一點(diǎn)鄰域內(nèi)的點(diǎn)云簇，當(dāng)某一點(diǎn)云簇內(nèi)的點(diǎn)數(shù)大于鄰域內(nèi)的點(diǎn)數(shù)與點(diǎn)云簇的數(shù)量之商，則認(rèn)為該點(diǎn)云簇為主點(diǎn)云簇；為了自動(dòng)的獲得點(diǎn)云簇的數(shù)量，設(shè)置一個(gè)角度閾值，當(dāng)兩點(diǎn)的法向夾角大于閾值時(shí)，即認(rèn)為該兩點(diǎn)位于不同的點(diǎn)云簇內(nèi)；得到點(diǎn)云簇的數(shù)量，從而計(jì)算出各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的特征系數(shù)fc，a，b兩點(diǎn)的法向夾角可表示為：

d(a,b)＝cos^-1(na,nb)；(8)

(325)確定fc的值后，自適應(yīng)的計(jì)算出各個(gè)點(diǎn)的距離帶寬σd、擬合殘差帶寬σr、法向差異帶寬σn，表示如下：

σd＝(1+fc)·δl(9)

σr＝rmax/3fc(10)

σn＝||ni-n||max/3fc；(11)

(326)在pca算法中引入第三個(gè)權(quán)重函數(shù)，則最小二乘擬合表示為：

s.t.||n||＝1(12)

式中ωn(ni)——與法向差異有關(guān)的權(quán)重函數(shù)，表示為：σn為法向差異帶寬，ni為某點(diǎn)初始法向，由式(6)求解所得；

(327)通過步驟(325)中自適應(yīng)計(jì)算出的各個(gè)點(diǎn)的距離帶寬σd、擬合殘差帶寬σr、法向差異帶寬σn計(jì)算點(diǎn)云中每個(gè)點(diǎn)的權(quán)重函數(shù)，替換協(xié)方差矩陣c中的

然后通過替換后的協(xié)方差矩陣c對(duì)式(12)求解，得到每個(gè)點(diǎn)的優(yōu)化法向。

進(jìn)一步地，所述步驟(313)具體包括步驟：

(331)選取點(diǎn)云中z坐標(biāo)最大的點(diǎn)作為根結(jié)點(diǎn)，調(diào)整其法向使之與矢量(0,0,1)的點(diǎn)積大于0，這將使調(diào)整后的法向方向指向工件外側(cè)；

(332)設(shè)置權(quán)重c＝1-|ni·nj|，這樣保證了該權(quán)值非負(fù)，且當(dāng)c越小表示兩鄰近點(diǎn)的法向方向越平行；

(333)根據(jù)權(quán)重c的大小進(jìn)行遍歷，若父結(jié)點(diǎn)ni與子結(jié)點(diǎn)nj滿足ni·nj<0，則將nj反向；

(334)遍歷所有結(jié)點(diǎn)，將法向方向進(jìn)行傳播擴(kuò)散，傳播過程中設(shè)置一個(gè)閾值e，當(dāng)c≤e時(shí)，一次擴(kuò)散至鄰域內(nèi)多點(diǎn)，當(dāng)c>e時(shí)，一次擴(kuò)散一個(gè)點(diǎn)，完成后判斷是否滿足c≤e，再進(jìn)行多點(diǎn)擴(kuò)散，直至擴(kuò)散到整個(gè)點(diǎn)云空間；

(335)若未能遍歷所有的點(diǎn)，則點(diǎn)云不連通，部分?jǐn)?shù)據(jù)形成局部孤島，如果未遍歷點(diǎn)數(shù)個(gè)數(shù)少于點(diǎn)云總數(shù)的千分之一，則將其作為噪聲舍棄，否則查找未遍歷的數(shù)據(jù)集中與已遍歷點(diǎn)之間距離最近的點(diǎn)，將其作為繼續(xù)遍歷的起點(diǎn)并轉(zhuǎn)至步驟(334)。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明通過對(duì)掃描點(diǎn)云進(jìn)行法向估計(jì)，基于工件三維點(diǎn)云的位置信息和法向信息來規(guī)劃?rùn)C(jī)器人打磨時(shí)的位姿，并以掃描軌跡加以修正作為機(jī)器人的打磨軌跡，穩(wěn)定可靠、精度高、具有實(shí)時(shí)性和柔性特點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低，能夠滿足不同工件的加工。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的點(diǎn)云實(shí)時(shí)采集裝置示意圖；

圖2是標(biāo)定裝置示意圖。

圖中：1-機(jī)器人，2-激光位移傳感器；3-機(jī)器人實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)；4-工件；5-標(biāo)定頂尖。

具體實(shí)施方式

為進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但是需要說明的是，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不局限于實(shí)施例表述的范圍。

實(shí)施例

如圖1所示，一種三維點(diǎn)云的實(shí)時(shí)采集裝置，包括機(jī)器人1、激光位移傳感器2、基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的機(jī)器人實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)3，所述激光位移傳感器2通過夾具設(shè)置在所述機(jī)器人1的末端，所述機(jī)器人1為六自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人，所述機(jī)器人實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)3通過實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)總線連接機(jī)器人1和激光位移傳感器2，用于使激光位移傳感器2的讀數(shù)和機(jī)器人1的位姿得到同步，將一維測(cè)量擴(kuò)展為三維測(cè)量，從而通過掃描獲取工件4的三維點(diǎn)云。

所述的機(jī)器人實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)與機(jī)器人1和激光位移傳感器2之間為毫秒級(jí)通信。

激光掃描時(shí)，以示教再現(xiàn)的方式控制六軸垂直機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，帶著激光位移傳感器2掃描工件4，基于本發(fā)明裝置實(shí)時(shí)的采集工件4上的點(diǎn)，最終得到基于機(jī)器人基坐標(biāo)系的工件三維點(diǎn)云。點(diǎn)云實(shí)時(shí)采集裝置如圖1所示。

基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和工業(yè)以太網(wǎng)總線技術(shù)構(gòu)建此裝置的機(jī)器人實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)3，工件點(diǎn)云的x，y位置由機(jī)器人末端位姿可知，工件點(diǎn)云的z位置由激光位移傳感器2可知，通過實(shí)時(shí)總線通訊技術(shù)，保證x、y、z的同步，從而實(shí)現(xiàn)將一維測(cè)量擴(kuò)展為三維測(cè)量，且該控制系統(tǒng)的通信周期可達(dá)1ms，滿足實(shí)時(shí)性要求，能夠使用該裝置掃描生成工件的三維點(diǎn)云。

所示機(jī)器人1末端裝夾激光位移傳感器2，由模擬量輸入輸出模塊讀取激光位移傳感器的模擬量輸出信號(hào)并與機(jī)器人的六個(gè)控制電機(jī)的脈沖信號(hào)串聯(lián)，再基于工業(yè)以太網(wǎng)總線技術(shù)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)通過總線通信方式將所有信號(hào)采集回來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通信周期能達(dá)到毫秒級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的位姿和激光位移傳感器的讀數(shù)同步，將機(jī)器人1位姿和激光位移傳感器2距離通過機(jī)器人變換方程求解，得到機(jī)器人基坐標(biāo)系下的工件三維點(diǎn)云。

本實(shí)施例利用solidworks軟件設(shè)計(jì)不同的表面形狀的工件，用于掃描測(cè)試和打磨實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)s形曲面工件，采用鋁合金，并加工出來，用于測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

一種基于所述裝置的機(jī)器人打磨軌跡規(guī)劃方法，包括步驟：

(1)通過多點(diǎn)標(biāo)定法標(biāo)定激光位移傳感器2的測(cè)量坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人1末端坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，為了將測(cè)量坐標(biāo)系下的點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到機(jī)器人基坐標(biāo)系下，須提前標(biāo)定激光位移傳感器2的測(cè)量坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人末端坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，簡(jiǎn)稱手眼標(biāo)定；

(2)機(jī)器人1驅(qū)動(dòng)激光位移傳感器2掃描工件，實(shí)現(xiàn)將一維測(cè)量擴(kuò)展為三維測(cè)量，獲取工件的三維點(diǎn)云；

(3)通過對(duì)三維點(diǎn)云中各點(diǎn)設(shè)置不同的自適應(yīng)權(quán)重函數(shù)對(duì)所述三維點(diǎn)云進(jìn)行法向估計(jì)和優(yōu)化，同時(shí)基于三維點(diǎn)云包含的空間位置信息和法向信息規(guī)劃?rùn)C(jī)器人1打磨時(shí)的位姿和走刀路徑，并以掃描軌跡加以修正作為機(jī)器人1的連續(xù)打磨軌跡。

具體而言，所述步驟(1)具體包括：

(11)首先在機(jī)器人1末端安裝一個(gè)標(biāo)定頂尖5，控制機(jī)器人1到達(dá)空間某一固定點(diǎn)，采用機(jī)器人1工具坐標(biāo)系五點(diǎn)標(biāo)定法，工具坐標(biāo)系標(biāo)定完成后從示教器讀出該固定點(diǎn)相對(duì)于機(jī)器人1基坐標(biāo)系的空間位置^bp；

(12)然后在機(jī)器人1末端裝夾激光位移傳感器2，控制機(jī)器人1將激光照射在所述固定點(diǎn)，讀出機(jī)器人1當(dāng)前末端相對(duì)于基坐標(biāo)系的位姿及激光位移傳感器2的示數(shù)^mp，所述激光位移傳感器2的示數(shù)^mp和所述空間位置^bp的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

式中^bp——空間點(diǎn)p在機(jī)器人1基坐標(biāo)系的坐標(biāo)；

^mp——空間點(diǎn)p在測(cè)量坐標(biāo)系的坐標(biāo)；

——機(jī)器人1末端坐標(biāo)系相對(duì)于基坐標(biāo)系的齊次變換矩陣；

——測(cè)量坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人1末端坐標(biāo)系的齊次變換矩陣，其中，

(13)將式(1)轉(zhuǎn)換為設(shè)則(1)可以表示如下：

(14)為了減少標(biāo)定誤差，基于多點(diǎn)標(biāo)定，將式(3)轉(zhuǎn)化成ax＝k的形式，構(gòu)成一個(gè)超定方程組，并采用最小二乘來求解，形式如下：

使最小的解x^*即為超定方程組ax＝k的最小二乘解；

(15)求解出x后即得到矩陣得到矩陣后，即可以將掃描的工件三維點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到機(jī)器人1基坐標(biāo)系下。

具體而言，步驟(2)中，所述將一維測(cè)量擴(kuò)展為三維測(cè)量的步驟是通過機(jī)器人1實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，工件點(diǎn)云的x，y位置由機(jī)器人1末端位姿可知，工件點(diǎn)云的z位置由激光位移傳感器2可知，通過實(shí)時(shí)總線通訊技術(shù)，保證x、y、z的同步，從而實(shí)現(xiàn)將一維測(cè)量擴(kuò)展為三維測(cè)量。

由上述裝置獲取的點(diǎn)云是否能夠真實(shí)的反映工件表面形狀特征，能否作為后續(xù)的機(jī)器人1打磨軌跡規(guī)劃數(shù)據(jù)，可以通過下述的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)時(shí)，所加工的工件4已知其三維cad模型，可以將三維cad模型離散成點(diǎn)云作為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)云，由于標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)云是基于工件坐標(biāo)系的，可以預(yù)先標(biāo)定工件相對(duì)于機(jī)器人1基坐標(biāo)系的齊次變換矩陣，標(biāo)定時(shí)先在工件上標(biāo)記若干點(diǎn)相對(duì)于工件坐標(biāo)系的坐標(biāo)，再控制機(jī)器人1到對(duì)應(yīng)點(diǎn)，獲得該點(diǎn)在機(jī)器人1基坐標(biāo)系的坐標(biāo)。獲得同一個(gè)點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系下的表達(dá)，再通過svd算法接算出兩個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，即工件坐標(biāo)系與機(jī)器人1基坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。標(biāo)定完成后就可以將標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到基坐標(biāo)系下，再與掃描所得工件點(diǎn)云進(jìn)行對(duì)比，即得到掃描點(diǎn)云與標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)云之間存在的誤差，從而驗(yàn)證該裝置的可行性。由于機(jī)器人1定位誤差、激光位移傳感器2的測(cè)量誤差和標(biāo)定誤差的存在，應(yīng)允許掃描點(diǎn)云與標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)云之間存在誤差，但這個(gè)誤差應(yīng)控制在合理范圍之內(nèi)。

具體而言，所述的步驟(3)具體包括步驟：

(31)基于三維點(diǎn)云的每個(gè)點(diǎn)的空間位置信息及通過自適應(yīng)權(quán)重函數(shù)優(yōu)化調(diào)整后的法向信息規(guī)劃?rùn)C(jī)器人1打磨位姿，所述打磨位姿的規(guī)劃依賴于三維點(diǎn)云采集的精確度及點(diǎn)云法向估計(jì)的準(zhǔn)確度，并且最終決定了工件的打磨質(zhì)量；

(32)定義點(diǎn)云的加工節(jié)點(diǎn)，并以掃描先后順序依次將加工節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送給機(jī)器人1，機(jī)器人1進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解和插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)將加工節(jié)點(diǎn)串聯(lián)生成一條連續(xù)的機(jī)器人1打磨軌跡。

具體而言，所述的步驟(31)具體包括步驟：

(301)確定打磨時(shí)刀具的位置，因?yàn)槿S點(diǎn)云中包含了掃描工件表面每個(gè)點(diǎn)的空間位置信息，并且點(diǎn)云的位置信息是基于機(jī)器人1基坐標(biāo)系的，從而利用三維點(diǎn)云中各點(diǎn)所包含的基于機(jī)器人1基坐標(biāo)系的空間位置信息；通過機(jī)器人1逆運(yùn)動(dòng)學(xué)控制機(jī)器人1使得刀具到達(dá)打磨時(shí)的位置；

(302)確定打磨時(shí)刀具的姿態(tài)，即通過自適應(yīng)權(quán)重函數(shù)對(duì)三維點(diǎn)云的每個(gè)點(diǎn)的預(yù)估法向信息及優(yōu)化調(diào)整后的法向信息規(guī)劃?rùn)C(jī)器人1打磨時(shí)刀具的姿態(tài)，因此準(zhǔn)確的點(diǎn)云法向估計(jì)對(duì)工件的打磨質(zhì)量具有重要影響。

具體而言，所述的步驟(302)具體包括步驟：

(311)通過改進(jìn)的k鄰域搜索算法搜索k個(gè)距離最近的點(diǎn)，即將一個(gè)點(diǎn)作為體心，以固定步長(zhǎng)構(gòu)建自身的正方體，然后在正方體內(nèi)進(jìn)行k鄰域搜索，若找到k個(gè)距離最近的點(diǎn)，即終止搜索，否則以固定步長(zhǎng)擴(kuò)大正方體的范圍，重新搜索k個(gè)距離最近的點(diǎn)，直至在正方體內(nèi)搜索到距離最近的k個(gè)點(diǎn)，這樣避免了搜索每個(gè)點(diǎn)的鄰域時(shí)都要遍歷所有點(diǎn)，提高了搜索效率；而傳統(tǒng)的k鄰域搜索算法，是遍歷點(diǎn)云中的所有點(diǎn)，算出對(duì)應(yīng)的歐式距離，并進(jìn)行升序排列，取出k個(gè)距離最近的點(diǎn)作為k鄰域；這種算法在計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的鄰域時(shí)都需要遍歷點(diǎn)云中的每個(gè)點(diǎn)，耗時(shí)較長(zhǎng)，不適用大規(guī)模點(diǎn)云的情況；

(312)采用改進(jìn)的pca算法，通過對(duì)某點(diǎn)的k鄰域內(nèi)的點(diǎn)賦予不同的權(quán)重函數(shù)，采用最小二乘擬合法擬合出一個(gè)平面，將所擬合平面的法向作為該點(diǎn)的初始法向；接著基于所述初始法向自適應(yīng)的確定點(diǎn)云中各點(diǎn)的權(quán)重函數(shù)，再對(duì)初始法向進(jìn)行優(yōu)化；傳統(tǒng)的pca算法是在點(diǎn)云中某點(diǎn)的k鄰域內(nèi)，采用最小二乘擬合法，擬合出一個(gè)平面，將擬合平面的法向作為該點(diǎn)的法向，由于點(diǎn)云中不可避免的存在噪聲、外點(diǎn)和尖銳特征，所以本步驟對(duì)pca算法進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)鄰域內(nèi)的點(diǎn)賦予不同的權(quán)重函數(shù)，從而提高擬合平面的質(zhì)量，最終提高法向估計(jì)的精度。

(313)點(diǎn)云重定向，即采用最小生成樹法對(duì)優(yōu)化后的法向進(jìn)行調(diào)整，使得點(diǎn)云法向指向一致，最小生成樹法是：先規(guī)定一點(diǎn)的法向指向，然后根據(jù)各點(diǎn)的權(quán)重生成擴(kuò)散路徑，最終擴(kuò)散到整個(gè)點(diǎn)云空間，完成點(diǎn)云法向的調(diào)整。

具體而言，所述的步驟(312)具體包括步驟：

(321)要使pca算法擬合的平面準(zhǔn)確反映該點(diǎn)處的法向，應(yīng)盡量保證擬合鄰域內(nèi)的點(diǎn)位于同一面片上，但是常規(guī)的測(cè)量手段會(huì)使帶有測(cè)量偏差的空間外點(diǎn)和噪聲點(diǎn)存在掃描點(diǎn)云中，故在pca算法中引入兩個(gè)權(quán)重函數(shù)使得擬合方法對(duì)點(diǎn)云中的外點(diǎn)和噪聲具有一定的魯棒性，最小二乘擬合可表示為：

s.t.||n||＝1(5)

式中ωd(xi)——高斯權(quán)重函數(shù)，使得距離該點(diǎn)近的點(diǎn)對(duì)擬合平面的作用大一點(diǎn)，反之影響作用小，ωd(xi)表示為：σd為距離帶寬，其初值根據(jù)工件的形狀及掃描點(diǎn)云的分布情況預(yù)先設(shè)定；

ωr(ri)——與擬合殘差有關(guān)的高斯權(quán)重函數(shù)，ωr(ri)表示為：σr為擬合殘差帶寬，其初值根據(jù)工件的形狀及掃描點(diǎn)云的分布情況預(yù)先設(shè)定；

ri^m——第m次迭代，xi點(diǎn)的擬合殘差，ri^m可表示為：ri^m＝d^m+(xi-x)^tn^m；

(322)求解式(5)構(gòu)造協(xié)方差矩陣c，表示如下：

式中——表示鄰域的中心，表示為：

k——表示鄰域內(nèi)的點(diǎn)數(shù)，

通過求解協(xié)方差矩陣c，其最小的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量即為擬合平面的法向n，即作為該點(diǎn)的初始法向，且

(323)為點(diǎn)云中各個(gè)點(diǎn)定義一個(gè)特征系數(shù)fc來量化該點(diǎn)是位于平滑區(qū)域、尖銳特征區(qū)域或者過渡區(qū)域，特征系數(shù)可表示為：

式中s＝2，表示當(dāng)比例為0.5時(shí)，則判定該點(diǎn)位于尖銳特征區(qū)域；

δl——表示該點(diǎn)與其距離最近的6個(gè)點(diǎn)的平均距離；

(324)確定特征系數(shù)fc的取值，先定義點(diǎn)云中某一點(diǎn)鄰域內(nèi)的點(diǎn)云簇，當(dāng)某一點(diǎn)云簇內(nèi)的點(diǎn)數(shù)大于鄰域內(nèi)的點(diǎn)數(shù)與點(diǎn)云簇的數(shù)量之商，則認(rèn)為該點(diǎn)云簇為主點(diǎn)云簇；為了自動(dòng)的獲得點(diǎn)云簇的數(shù)量，設(shè)置一個(gè)角度閾值，當(dāng)兩點(diǎn)的法向夾角大于閾值時(shí)，即認(rèn)為該兩點(diǎn)位于不同的點(diǎn)云簇內(nèi)；得到點(diǎn)云簇的數(shù)量，從而計(jì)算出各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的特征系數(shù)fc，a，b兩點(diǎn)的法向夾角可表示為：

d(a,b)＝cos^-1(na,nb)；(8)

(325)確定fc的值后，自適應(yīng)的計(jì)算出各個(gè)點(diǎn)的距離帶寬σd、擬合殘差帶寬σr、法向差異帶寬σn，表示如下：

σd＝(1+fc)·δl(9)

σr＝rmax/3fc(10)

σn＝||ni-n||max/3fc；(11)

(326)因工件不可避免的存在邊緣和拐角等尖銳特征，使得鄰域內(nèi)的點(diǎn)處在多個(gè)面片上，從而導(dǎo)致較大的法向估計(jì)誤差，因此在pca算法中引入第三個(gè)權(quán)重函數(shù)，則最小二乘擬合表示為：

s.t.||n||＝1(12)

式中ωn(ni)——與法向差異有關(guān)的權(quán)重函數(shù)，表示為：σn為法向差異帶寬，ni為某點(diǎn)初始法向，由式(6)求解所得；

(327)通過步驟(325)中自適應(yīng)計(jì)算出的各個(gè)點(diǎn)的距離帶寬σd、擬合殘差帶寬σr、法向差異帶寬σn計(jì)算點(diǎn)云中每個(gè)點(diǎn)的權(quán)重函數(shù)，替換協(xié)方差矩陣c中的

然后通過替換后的協(xié)方差矩陣c對(duì)式(12)求解，得到每個(gè)點(diǎn)的優(yōu)化法向。

利用上述步驟求解時(shí)，影響各點(diǎn)的權(quán)重函數(shù)的分別是距離帶寬σd、擬合殘差帶寬σr和法向差異帶寬σn，上述步驟先根據(jù)工件的形狀及掃描點(diǎn)云的分布情況，預(yù)先設(shè)定σd和σr的初值，利用式(6)算出初始法向，并基于初始法向自適應(yīng)的確定點(diǎn)云中各點(diǎn)的帶寬參數(shù)，再利用式(7)對(duì)初始法向進(jìn)行優(yōu)化。

傳統(tǒng)的算法是人為的設(shè)定全局的帶寬參數(shù)，實(shí)驗(yàn)證明這個(gè)參數(shù)并不能適應(yīng)所有的點(diǎn)。本發(fā)明根據(jù)所處區(qū)域的不同設(shè)置不同的帶寬參數(shù)來完成法向估計(jì)。采用自適應(yīng)的方式，根據(jù)點(diǎn)云中各點(diǎn)的鄰域特征，來確定相應(yīng)的帶寬參數(shù)，從而完成點(diǎn)云的法向估計(jì)。

具體而言，由上述步驟估計(jì)的點(diǎn)云法向，具有二義性，即法向既可以指向工件內(nèi)部，也可以指向工件外部，所以本發(fā)明采用最小生成樹法對(duì)法向進(jìn)行調(diào)整，使得點(diǎn)云法向指向一致，其原理是通過設(shè)點(diǎn)云中xi、xj是距離很近的兩點(diǎn)，計(jì)算兩者的點(diǎn)積，若ni·nj≈1，則表示兩點(diǎn)的法向方向相同，否則xi或xj應(yīng)當(dāng)反向，因此，所述步驟(313)具體包括步驟：

(331)選取點(diǎn)云中z坐標(biāo)最大的點(diǎn)作為根結(jié)點(diǎn)，調(diào)整其法向使之與矢量(0,0,1)的點(diǎn)積大于0，這將使調(diào)整后的法向方向指向工件外側(cè)；

(332)設(shè)置權(quán)重c＝1-|ni·nj|，這樣保證了該權(quán)值非負(fù)，且當(dāng)c越小表示兩鄰近點(diǎn)的法向方向越平行；

(333)根據(jù)權(quán)重c的大小進(jìn)行遍歷，若父結(jié)點(diǎn)ni與子結(jié)點(diǎn)nj滿足ni·nj<0，則將nj反向；

(334)遍歷所有結(jié)點(diǎn)，將法向方向進(jìn)行傳播擴(kuò)散，傳播過程中設(shè)置一個(gè)閾值e，當(dāng)c≤e時(shí)，一次擴(kuò)散至鄰域內(nèi)多點(diǎn)，當(dāng)c>e時(shí)，一次擴(kuò)散一個(gè)點(diǎn)，完成后判斷是否滿足c≤e，再進(jìn)行多點(diǎn)擴(kuò)散，直至擴(kuò)散到整個(gè)點(diǎn)云空間；

(335)若未能遍歷所有的點(diǎn)，則點(diǎn)云不連通，部分?jǐn)?shù)據(jù)形成局部孤島，如果未遍歷點(diǎn)數(shù)個(gè)數(shù)少于點(diǎn)云總數(shù)的千分之一，則將其作為噪聲舍棄，否則查找未遍歷的數(shù)據(jù)集中與已遍歷點(diǎn)之間距離最近的點(diǎn)，將其作為繼續(xù)遍歷的起點(diǎn)并轉(zhuǎn)至步驟(334)。

本發(fā)明通過對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行法向估計(jì)得到其法向信息，然后將包含法向信息和位置信息的三維點(diǎn)作為加工節(jié)點(diǎn)，再通過軌跡規(guī)劃，生成加工節(jié)點(diǎn)的x、y、z、rx、ry、rz信息，并以掃描的先后順序?qū)⒓庸す?jié)點(diǎn)依次同步地發(fā)送給機(jī)器人1，機(jī)器人1進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，生成打磨姿態(tài)，從而完成掃描工件的打磨。

完成上述步驟，即完成了基于本發(fā)明裝置的三維點(diǎn)云采集，并且僅根據(jù)三維點(diǎn)云的信息生成了機(jī)器人1打磨軌跡。

本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。