本發(fā)明涉及一種著漆中心點信息的測量方法。

背景技術(shù)：

目前的工業(yè)中已經(jīng)開始應(yīng)用噴漆機(jī)器人給工件噴漆，在噴漆機(jī)器人給工件噴漆時，會在工件表面形成一個長橢圓形噴漆小區(qū)域，稱為著漆點。而著漆點的中心位置又稱為著漆中心點。對于著漆點的測量是工件表面局部小范圍測量，主要是測量著漆中心點位置的空間三維坐標(biāo)和法向法向。

工業(yè)噴漆要求噴漆機(jī)器人的噴槍位于著漆中心點位置上方，并且姿態(tài)是基本垂直于工件表面。如此的噴漆機(jī)器人位姿才能保證良好噴漆的效果。而獲得著漆中心點的三維坐標(biāo)和法向方向后才能使噴漆機(jī)器人保持最佳的噴漆位姿，所以測量著漆中心點位置信息對于工業(yè)噴漆十分必要。

目前對于物體表面三維測量分為接觸式和非接觸式測量。

接觸式測量，如三維坐標(biāo)儀等復(fù)雜的精密機(jī)械機(jī)構(gòu)，存在劃傷工件表面或者探頭磨損等問題，操作過程繁瑣，效率低下，成本高而且不適用于環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場。

非接觸測量有主要有兩類方法：視覺的測量方法和結(jié)構(gòu)光的測量方法。其中，視覺測量受環(huán)境影響較大，在噴漆作業(yè)中受影響嚴(yán)重。而結(jié)構(gòu)光使用人工光源投射測量，抗擾性強(qiáng)，算法和計算較視覺測量也更為簡單。

常見的結(jié)構(gòu)光測量方法大多使用的是點狀結(jié)構(gòu)光或者單條線結(jié)構(gòu)光。點狀結(jié)構(gòu)光獲取信息量少，精度有限。單條結(jié)構(gòu)光獲取信息量較大，計算難度也沒有大幅增加，但其需要輔助的一維運動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)對物體表面的掃描，在實際的工業(yè)應(yīng)用中不但會增加很多成本開支，其使用也受到很大限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決目前物體表面三維測量中點狀結(jié)構(gòu)光精度有限的問題和單條結(jié)構(gòu)光成本較高、應(yīng)用受到很大限制的問題。

一種基于手持示教器的著漆中心點信息的測量方法，是通過基于手持示教器攝像裝置實現(xiàn)的，所述的攝像裝置包括計算機(jī)、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光投射裝置、兩臺照相機(jī)、手持示教器和手柄；手柄設(shè)置在手持示教器底端上，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光投射裝置設(shè)置在手持示教器上端的中央處，兩臺照相機(jī)分別設(shè)置在手持示教器上端的兩側(cè)，分別記為左照相機(jī)和右照相機(jī)；網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光投射裝置投射光線的一側(cè)和照相機(jī)的鏡頭側(cè)同向設(shè)置；手持示教器分別與計算機(jī)、兩臺照相機(jī)信號連接；

本發(fā)明所述的測量方法包括以下步驟：

步驟1、將網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光投射裝置的結(jié)構(gòu)光調(diào)整為2×2的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光，記為射出網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光，將2×2的射出網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光的四格對應(yīng)九個點逐行順序依次標(biāo)記為點(1)至點(9)；九個點形成六條直線，分別為直線(1-2-3)、(4-5-6)、(7-8-9)、(1-4-7)、(2-5-8)和直線(3-6-9)；角點是射出網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光形成網(wǎng)格的頂點，對應(yīng)的角點為點(1)、點(3)、點(7)、點(9)；

步驟2、將手持網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光投射裝置的結(jié)構(gòu)光中心點的點(5)，對準(zhǔn)工件表面期望著漆中心點；當(dāng)射出網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光照射到工件表面后，記為表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光；表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光會根據(jù)工件表面形狀發(fā)生相應(yīng)的變化；形變的表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光中包含著工件表面的三維信息，射出網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光形成的直線(1-2-3)、(4-5-6)、(7-8-9)、(1-4-7)、(2-5-8)、(3-6-9)在空間內(nèi)對應(yīng)為表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光曲線(1-2-3)、(4-5-6)、(7-8-9)、(1-4-7)、(2-5-8)、(3-6-9)；射出網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光的角點分別與表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光的角點一一對應(yīng)；

步驟3、通過兩臺照相機(jī)分別捕捉表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光的圖像，得到兩幅點云圖像；然后利用fpga等數(shù)字芯片對圖像進(jìn)行中值濾波和降噪處理并傳至計算機(jī)；

在兩幅點云圖像中，利用對應(yīng)的3個角點或者4個角點將兩幅表面結(jié)構(gòu)光的圖像進(jìn)行匹配，并對匹配后圖像內(nèi)的對應(yīng)的表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光曲線進(jìn)行曲線擬合；將圖像內(nèi)的兩套表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光擬合后的六條曲線記為六條空間曲線；

步驟4、使用matlab軟件計算六條空間曲線中空間曲線(4-5-6)和(2-5-8)的交點點(5)，計算結(jié)果就是期望的著漆中心點的空間三維坐標(biāo)，并通過著漆中心點的空間三維坐標(biāo)計算著漆中心點法向方向的信息；進(jìn)而得到著漆中心點的三維坐標(biāo)和法向方向的信息。

優(yōu)選地，步驟4所述使用matlab軟件計算六條空間曲線中空間曲線(4-5-6)和(2-5-8)的交點點(5)的過程包括以下步驟：

設(shè)空間曲線(4-5-6)的函數(shù)表達(dá)方程：y＝γ(t)，z＝ω(t)

設(shè)空間曲線(2-5-8)的函數(shù)表達(dá)方程：x＝ρ(t)，y＝σ(t)，z＝τ(t)其中，x、y、z是因變量，表示圖像三維空間中x軸、y軸、z軸位置，t表示自變量；γ(t)、ω(t)表示空間曲線(4-5-6)在圖像三維空間中x軸、y軸、z軸對應(yīng)的函數(shù)表達(dá)方程；ρ(t)、σ(t)、τ(t)表示空間曲線(2-5-8)在圖像三維空間中x軸、y軸、z軸對應(yīng)的函數(shù)表達(dá)方程；

這兩條空間曲線函數(shù)表達(dá)方程上的點的坐標(biāo)都能夠通過圖像擬合后的點云圖像得到；利用x、y、z方向上坐標(biāo)等值變化逐步逼近，計算出交點點(5)的坐標(biāo)。

優(yōu)選地，步驟4所述通過著漆中心點的空間三維坐標(biāo)計算著漆中心點法向方向的信息的過程包括以下步驟：

在以(i,j,k)為基向量的三維空間中，將點(5)的坐標(biāo)表示為(x0，y0，z0)；

空間曲線(4-5-6)的切線向量表達(dá)式：

空間曲線(2-5-8)的切線向量表達(dá)式：

γ′(·)、ω′(·)分別為γ(·)、ω(·)的導(dǎo)數(shù)，ρ′(·)、σ′(·)、τ′(·)分別為ρ(·)、σ(·)、τ(·)的導(dǎo)數(shù)，t0表示自變量；

根據(jù)點5的坐標(biāo)(x0，y0，z0)求得γ′(t0)、ω′(t0)、ρ′(t0)、σ′(t0)、τ′(t0)的值；進(jìn)而求得兩條空間曲線切線向量的向量積就是空間交點法向量法向量的方向就是空間交點的法向；

其中，(i,j,k)是三維空間的基向量。

優(yōu)選地，步驟3所述的利用對應(yīng)的3個角點或者4個角點將兩幅表面結(jié)構(gòu)光的圖像進(jìn)行匹配的過程包括以下步驟：

首先通過harris算法提取出兩幅表面結(jié)構(gòu)光的圖像中對應(yīng)的角點(1)(3)(7)(9)中的3個或者4個；然后將兩幅表面結(jié)構(gòu)光的圖像中對應(yīng)的角點(1)(3)(7)(9)中的3個或者4個作為特征點對兩幅圖像進(jìn)行特征點匹配，最后將兩幅表面結(jié)構(gòu)光的圖像匹配成一幅具有空間信息的擬合空間結(jié)構(gòu)光圖像，該擬合空間結(jié)構(gòu)光圖像包含著空間三維位置信息和法向信息。

優(yōu)選地，步驟3所述的將圖像內(nèi)的兩套表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光擬合后的六條曲線記為六條空間曲線的過程包括以下步驟：

匹配過程中兩幅點云圖像的6條表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光曲線一一對應(yīng)，然后對表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光曲線進(jìn)行曲線擬合得到擬合空間結(jié)構(gòu)光圖像點云，兩幅點云圖像中6條表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光曲線擬合為6條擬合空間結(jié)構(gòu)光曲線，利用最小二乘法提取6條擬合空間結(jié)構(gòu)光曲線的中心線上的點云坐標(biāo)，得到六條空間曲線。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明所述的方法只需要通過簡單的儀器就能實現(xiàn)，只需要操作人員將網(wǎng)格中心點與期望的著漆中心點重合即可，不必要求把示教器嚴(yán)格垂直對準(zhǔn)著漆點中心位置，操作簡單方便。同時本發(fā)明將示教和測量相結(jié)合，精度較高，測量速度快，在噴漆現(xiàn)場受干擾小。相比現(xiàn)有的點狀結(jié)構(gòu)光測量精度，本發(fā)明的測量精度提高數(shù)倍，相比單條結(jié)構(gòu)光測量，本發(fā)明的測量精度提高60％以上；且由于本發(fā)明方法對應(yīng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，無需增加額外行程或者行進(jìn)設(shè)備，相比單條結(jié)構(gòu)光測量，利用本發(fā)明可以節(jié)約50％以上的成本，而且其應(yīng)用的精度不依賴于實際的操作人員的熟練程度和工作經(jīng)驗，加上設(shè)備簡單，本發(fā)明的應(yīng)用幾乎不收到限制。

附圖說明

圖1為具體實施方式一所述的手持示教器攝像裝置結(jié)構(gòu)示意圖俯視圖；

圖2為具體實施方式一所述的手持示教器攝像裝置結(jié)構(gòu)示意圖側(cè)視圖；

圖3為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光投射裝置投射的2×2的射出網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光示意圖；

圖4為射出網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光在工件表面形成的表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光會示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一：

一種基于手持示教器的著漆中心點信息的測量方法，是通過基于手持示教器攝像裝置實現(xiàn)的，如圖1和圖2所示，所述的攝像裝置包括計算機(jī)、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光投射裝置a、兩臺照相機(jī)b、手持示教器c和手柄d；手柄d設(shè)置在手持示教器c底端上，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光投射裝置a設(shè)置在手持示教器c上端的中央處，兩臺照相機(jī)b分別設(shè)置在手持示教器c上端的兩側(cè)，分別記為左照相機(jī)和右照相機(jī)；網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光投射裝置a投射光線的一側(cè)和照相機(jī)的鏡頭側(cè)同向設(shè)置；手持示教器c分別與計算機(jī)、兩臺照相機(jī)b信號連接；

本實施方式所述的一種基于手持示教器的著漆中心點信息的測量方法包括以下步驟：

步驟1、針對類似汽車保險杠等表面變化小的工件，建議采用2×2的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光，如圖3所示，這樣能夠保證手持示教器c采集建立的空間三維坐標(biāo)的速度極快，能夠適應(yīng)實際的噴涂流水作業(yè)的快速性；所以將網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光投射裝置a的結(jié)構(gòu)光調(diào)整為2×2的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光，記為射出網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光，將2×2的射出網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光的四格對應(yīng)九個點逐行順序依次標(biāo)記為點(1)至點(9)；九個點形成六條直線，分別為直線(1-2-3)、(4-5-6)、(7-8-9)、(1-4-7)、(2-5-8)和直線(3-6-9)；角點是射出網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光形成網(wǎng)格的頂點，對應(yīng)的角點為點(1)、點(3)、點(7)、點(9)；

步驟2、將手持網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光投射裝置a的結(jié)構(gòu)光中心點的點(5)，對準(zhǔn)工件表面期望著漆中心點；當(dāng)射出網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光照射到工件表面后，記為表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光；表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光會根據(jù)工件表面形狀發(fā)生相應(yīng)的變化；形變的表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光中包含著工件表面的三維信息，射出網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光形成的直線(1-2-3)、(4-5-6)、(7-8-9)、(1-4-7)、(2-5-8)、(3-6-9)在空間內(nèi)對應(yīng)為表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光曲線(1-2-3)、(4-5-6)、(7-8-9)、(1-4-7)、(2-5-8)、(3-6-9)，如圖4所示；射出網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光的角點分別與表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光的角點一一對應(yīng)；

步驟3、通過兩臺照相機(jī)b分別捕捉表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光的圖像，得到兩幅點云圖像；然后利用fpga等數(shù)字芯片對圖像進(jìn)行中值濾波和降噪處理并傳至計算機(jī)；采用中值中值濾波能夠很好地對網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光形成網(wǎng)格的角點和邊緣線的信息保護(hù)較好；

在兩幅點云圖像中，利用對應(yīng)的3個角點或者4個角點將兩幅表面結(jié)構(gòu)光的圖像進(jìn)行匹配，并對匹配后圖像內(nèi)的對應(yīng)的表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光曲線進(jìn)行曲線擬合；將圖像內(nèi)的兩套表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光擬合后的六條曲線記為六條空間曲線；

步驟4、使用matlab軟件計算六條空間曲線中空間曲線(4-5-6)和(2-5-8)的交點點(5)，計算結(jié)果就是期望的著漆中心點的空間三維坐標(biāo)，并通過著漆中心點的空間三維坐標(biāo)計算著漆中心點法向方向的信息；進(jìn)而得到著漆中心點的三維坐標(biāo)和法向方向的信息。

具體實施方式二：

本實施方式步驟4所述使用matlab軟件計算六條空間曲線中空間曲線(4-5-6)和(2-5-8)的交點點(5)的過程包括以下步驟：

設(shè)空間曲線(4-5-6)的函數(shù)表達(dá)方程：y＝γ(t)，z＝ω(t)

設(shè)空間曲線(2-5-8)的函數(shù)表達(dá)方程：x＝ρ(t)，y＝σ(t)，z＝τ(t)其中，x、y、z是因變量，表示圖像三維空間中x軸、y軸、z軸位置，t表示自變量；γ(t)、ω(t)表示空間曲線(4-5-6)在圖像三維空間中x軸、y軸、z軸對應(yīng)的函數(shù)表達(dá)方程；ρ(t)、σ(t)、τ(t)表示空間曲線(2-5-8)在圖像三維空間中x軸、y軸、z軸對應(yīng)的函數(shù)表達(dá)方程；

空間曲線方程可能比較復(fù)雜，其實這兩條空間曲線函數(shù)表達(dá)方程上的絕大部分點的坐標(biāo)都能夠通過圖像擬合后的點云圖像得到；因此可以利用x、y、z方向上坐標(biāo)等值變化逐步逼近，計算出交點點(5)的坐標(biāo)。

其他步驟和參數(shù)與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：

本實施方式步驟4所述通過著漆中心點的空間三維坐標(biāo)計算著漆中心點法向方向的信息的過程包括以下步驟：

在以(i,j,k)為基向量的三維空間中，將點(5)的坐標(biāo)表示為(x0，y0，z0)；

空間曲線(4-5-6)的切線向量表達(dá)式：

空間曲線(2-5-8)的切線向量表達(dá)式：

γ′(·)、ω′(·)分別為γ(·)、ω(·)的導(dǎo)數(shù)，ρ′(·)、σ′(·)、τ′(·)分別為ρ(·)、σ(·)、τ(·)的導(dǎo)數(shù)，t0表示自變量；

根據(jù)點5的坐標(biāo)(x0，y0，z0)求得γ′(t0)、ω′(t0)、ρ′(t0)、σ′(t0)、τ′(t0)的值；進(jìn)而求得兩條空間曲線切線向量的向量積就是空間交點法向量法向量的方向就是空間交點的法向；

其中，(i,j,k)是三維空間的基向量。

其他步驟和參數(shù)與具體實施方式一或二相同。

具體實施方式四：

本實施方式步驟3所述的利用對應(yīng)的3個角點或者4個角點將兩幅表面結(jié)構(gòu)光的圖像進(jìn)行匹配的過程包括以下步驟：

首先通過harris算法提取出兩幅表面結(jié)構(gòu)光的圖像中對應(yīng)的角點(1)(3)(7)(9)中的3個或者4個；然后將兩幅表面結(jié)構(gòu)光的圖像中對應(yīng)的角點(1)(3)(7)(9)中的3個或者4個作為特征點對兩幅圖像進(jìn)行特征點匹配，最后將兩幅表面結(jié)構(gòu)光的圖像匹配成一幅具有空間信息的擬合空間結(jié)構(gòu)光圖像，該擬合空間結(jié)構(gòu)光圖像包含著空間三維位置信息和法向信息。

其他步驟和參數(shù)與具體實施方式一至三之一相同。

具體實施方式五：

本實施方式步驟3所述的將圖像內(nèi)的兩套表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光擬合后的六條曲線記為六條空間曲線的過程包括以下步驟：

匹配過程中兩幅點云圖像的6條表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光曲線一一對應(yīng)，然后對表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光曲線進(jìn)行曲線擬合得到擬合空間結(jié)構(gòu)光圖像點云，兩幅點云圖像中6條表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光曲線擬合為6條擬合空間結(jié)構(gòu)光曲線，利用最小二乘法提取6條擬合空間結(jié)構(gòu)光曲線的中心線上的點云坐標(biāo)，得到六條空間曲線。

最小二乘法除掉了偏離結(jié)構(gòu)光中心線較遠(yuǎn)的點，減少了結(jié)構(gòu)光圖像的寬度，這可以提高精度，減少后續(xù)的運算量。

其他步驟和參數(shù)與具體實施方式一至四之一相同。