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2005全国先进制造装备与机器人技术高峰论坛论文集 基于机器人三维坐标测量的研发 汤青吴水华宁随军刘平刘华根孙云权 (智通机器人系统有限公司，河北廊坊开发区鸿润道30号，065001) 摘要：本文结合激光扫描系统及机器人系统，介绍了基于机器人三维坐标测量的相关应用。文中首先描述了 三维扫描原理及机器人测量系统的基本组成；其次。对基于三维坐标测量的相关应用进行了较详细介绍：最 后，给出了总结及对后续工作的展望。 关键字：激光扫描，机器人三维坐标测量系统(RCMM)，工件校准，再制造，实时跟踪 O引言 视觉在人类认知世界的过程中扮演了很重要的角色，同时视觉也为人进行复杂作业提供 了充分信息。基于机器视觉的研究是当前机器人领域的热点之一【1】【2】【31。但就工业机器人应用 而言，系统鲁棒性是其基本要求，而普通机器视觉由于易受环境因素影响等问题，在工业应 用上有其局限性。激光扫描因为其良好的抗干扰能力，推动了视觉的工业应用。本文将对基 于机器人三维测量系统的应用及相关算法进行介绍。 1系统介绍 1．1激光扫描原理 激光器产生的线结构光投射到工件表面，经反射后由摄像机接收。被扫描点在摄像机上 的对应成像点被识别出来后，经过计算可以恢复出被扫描点的三维坐标。激光测量原理如图l 所示： 图1激光测量原理 假设激光扫描仪三维坐标系为：Os(x，y，z)，摄像机图像平面坐标系为：Oi(u，V) 则二者具有如下关系[4】： 忤一1蚓㈥驴 (1) 通过激光扫描仪内部标定，可确定图像坐标Oi与三维坐标Os的转换矩阵M： 160 2005全国先进制造装备与机器人技术高峰论坛论文集 ； M (2) 同时，在内部标定过程中，可以得到激光平面在扫描仪坐标系下的位置表达，再结合转换矩 阵M，可将摄像机获取的二维图像信息转换为激光扫描仪坐标系下的三维信息。 1．2RCMM系统介绍 机器人三维坐标测量系统(下简称RCMM)由机器人与便携式三维扫描仪组成。在该系 统中，机器入既是～个执行装置，同时又是一个测量装置。图2给出系统的构成： 图2系统构成 图2(1)中给出了机器人夹持三维扫描仪时的测量，对于被扫描点： (3) Pw—Toolo*1：r木只 其中：Pw为被扫描点在世界坐标下的坐标，Tool。为机器人末端位姿，毪r为三维扫描仪坐标 系与Tool。的转换关系，￡为被扫描点在三维扫描仪坐标系下的坐标。 图2(2)中给出了机器人夹持被扫描工件时的测量，对于被扫描点： 只=Toolo叫水：z术只(3) 其中：只为被扫描点在机器人末端坐标下的坐标，Toolo为机器人末端位姿，：z为三维扫描 仪坐标系与世界坐标的转换关系，只为被扫描点在三维扫描仪坐标系下的坐标。 进行机器人测量，需要首先确定三维扫描坐标系与机器人末端坐标系(在机器人夹持扫 描仪时)或世界坐标系(在机器人夹持被扫描工件时)的位置关系，文献[41给出了一种将姿态 标定和位置标定解耦的方法，完成了这一工作。 以机器人夹持扫描仪为例： 161 2005全国先进制造装备与机器人技术高峰论坛论文集 图3RCMM系统标定 需要标定的是：扫描仪坐标系与机器人末端坐标系的位置转换关系。在标定时，我们使用了 简单的几何形体一球来辅助标定算法的实现。 当机器人平动(保持姿态不变运行时，通过三维扫描仪能够得到球体中心在三维扫描 仪坐标系上的运动方向，根据相对运动关系，该运动方向与机器人末端在世界坐标下运动的 方向相反。因此，在机器人沿多个方向平动后，我们能够得到一组向量对应关系(某方向矢 量在