遮擋區(qū)域空間位姿的多傳感組合測量方法研究

陸 野，馬國鷺，曾國英，肖興維

（西南科技大學(xué) 制造過程測試技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621010）

引言

工業(yè)設(shè)備的自動(dòng)化裝配技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)制造過程中扮演著重要角色[1-3]，其中設(shè)備模塊間相對位姿的測量又是保證設(shè)備質(zhì)量與效益的關(guān)鍵。目前人工測量的方法在效率、精度和可靠性上難以達(dá)到工業(yè)制造要求[2]；同時(shí)存在測量區(qū)域尺度跨度大、空間狹長、易被遮擋等問題[4-6]。因此如何實(shí)現(xiàn)設(shè)備模塊間高效、精確的自動(dòng)位姿測量成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用能識(shí)別豐富信息的立體視覺相機(jī)[7-8]測量模塊間位姿，通過點(diǎn)云匹配[9]等方式較高精度求解位姿，但該方法易受環(huán)境噪聲與障礙遮擋的影響。由于單傳感器的局限，組合測量發(fā)展起來：利用激光測距儀與視覺傳感器[10-11]的精度高、采集信息量大的特點(diǎn)，通過優(yōu)化激光測距儀的位置和數(shù)量提高位姿測量精度，但標(biāo)定復(fù)雜且無法獲取遮擋區(qū)域信息；采用視覺與傾角儀組合測量[12-13]，利用傾角儀提供的額外約束提高了姿態(tài)測量精度，但需靠標(biāo)定的特征點(diǎn)信息來保證測量精度，使得測量效率與可靠性偏低；輪廓儀與視覺組合[14-15]，結(jié)合視覺測量的靈活性與輪廓儀的可靠性，雖結(jié)合各自優(yōu)點(diǎn)提高了測量效率與精度，但該方法僅適合于筒類部件。

本文將短采樣周期獲取大量精確測量點(diǎn)的輪廓儀引入到測量裝置中，結(jié)合傾角儀、激光測距儀構(gòu)成空間位姿測量系統(tǒng)，提出多傳感器組合的跨尺度狹長區(qū)域相對位姿測量方法，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)待裝配模塊間相對位姿的測量與自動(dòng)精密對接。

1 多傳感組合測量系統(tǒng)原理

多傳感器組合測量系統(tǒng)原理如圖1 所示，通過布置在測量目標(biāo)前后的輪廓儀、激光位移傳感器對基目標(biāo)與對準(zhǔn)目標(biāo)上前后對稱且相互垂直的特征面進(jìn)行掃描測量，結(jié)合分別固定在基目標(biāo)與對準(zhǔn)目標(biāo)下表面的傾角儀聯(lián)合解算出2 個(gè)目標(biāo)的相對位姿，間接得出對接區(qū)域位姿。測量系統(tǒng)共有7 個(gè)坐標(biāo)系分別為：輪廓儀坐標(biāo)系 OsXsYsZs、激光傳 感 器 坐 標(biāo) 系 OkXkYkZk、傾 角 儀1 坐 標(biāo) 系 O1X1Y1、傾 角 儀2 坐 標(biāo) 系 O2X2Y2、 基 目 標(biāo) 坐 標(biāo) 系 OzXzYzZz、對準(zhǔn)目標(biāo)坐標(biāo)系 OfXfYfZf與世界坐標(biāo)系OwXwYwZw。

圖 1 多傳感組合測量系統(tǒng)測量原理圖Fig. 1 Measurement schematic diagram of multi-sensor combined measurement system

坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：傾角儀1 坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)、平移矩陣分別為 Rw1、 Tw1；傾角儀2 坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)、平移矩陣分別為 Rw2、 Tw2。以此類推，基目標(biāo)與對準(zhǔn)目標(biāo)坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的矩陣分別為 Rwz、 Twz、 Rwf、 Twf；對準(zhǔn)目標(biāo)坐標(biāo)系到基目標(biāo)坐標(biāo)系的矩陣分別為 R、T；輪廓儀坐標(biāo)系與激光位移傳感器到世界坐標(biāo)系的矩陣分別為 Rws、 Tws、 Rwk、 Twk，且可標(biāo)定得到；因傾角儀只輸出2 個(gè)角度，故可設(shè)基目標(biāo)坐標(biāo)系到傾角儀1 坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣為 R1，對準(zhǔn)目標(biāo)坐標(biāo)系到傾角儀2 坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣為 R2，且都可標(biāo)定得到。繞X、Y、Z 軸的旋轉(zhuǎn)角分別為 α 、 β 、 γ，傾角儀X、Y 軸輸出角度分別為 α′、 β′。

由基目標(biāo)坐標(biāo)系、對準(zhǔn)目標(biāo)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的關(guān)系可得：

T′=Twf?Twz

式中： 。根據(jù)文獻(xiàn)[14]提到的傾角儀輸出角與相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系可得：

由基目標(biāo)坐標(biāo)系、傾角儀1 坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的關(guān)系可得：

將（3）式帶入（4）式可求得：

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果

2.1 組合測量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

多傳感組合測量自動(dòng)對接平臺(tái)如圖2 所示。輪廓儀采用米銥的29X0 型，測量分辨率與范圍分別為4 μm、50 mm～100 mm；激光位移傳感器采用SICK的CD2-50W10 型，測量精度與距離分別為±50 μm、300 mm；傾角儀采用BWS2500 型，測量精度與范圍分別為0.001°、±5°；待裝配模塊的外尺寸為（700×700×400）mm3，對接專用航空插頭與插座直徑都為50 mm（由42 個(gè)長7 mm、直徑φ1±0.01 mm的對接針與42 個(gè)深8 mm、直徑φ1±0.2 mm 的對接孔組成），連接耳垂直與水平面（特征面）尺寸為15 mm×50 mm。根據(jù)對接針與對接孔的尺寸，專用插頭與插孔成功對接的前提是：

式中： ?1、 ?2為對接件的加工誤差，在器件加工上的?1小 于5 μm， ?2小 于0.01°，由于 ?1、 ?2引入的量微小，此時(shí)可忽略此部分。由（10）式可知成功對接的前提是整個(gè)系統(tǒng)的位置與姿態(tài)設(shè)計(jì)精度需分別在0.105 mm、0.17°內(nèi)。精密導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)輪廓儀、激光位移傳感器對待裝配模塊連接耳掃描測量；傾角儀測量待裝配模塊水平角度；六自由度移動(dòng)平臺(tái)、三自由度移動(dòng)平臺(tái)對待裝配模塊進(jìn)行支撐安裝與位姿調(diào)整。

圖 2 多傳感器組合測量自動(dòng)對接平臺(tái)Fig. 2 Automatic docking platform of multi-sensor combined measurement

2.2 實(shí)驗(yàn)測試與結(jié)果

為驗(yàn)證多傳感測量系統(tǒng)的測量精度，設(shè)計(jì)了對比測試實(shí)驗(yàn)。采用AICON 公司的MoveInspect HF 系統(tǒng)（雙目視覺測量系統(tǒng)），測量精度為±10 μm，測量中需先把2 個(gè)待裝配模塊拉開到專用航空插頭與插座的圖像都在雙目視覺測量視場下（實(shí)驗(yàn)中拉開到了200 mm），再進(jìn)行圖像的提取與位姿的解算。運(yùn)用本文測量系統(tǒng)測量位姿，首先需對前面雙目視覺測量后的模塊通過六自由度移動(dòng)平臺(tái)X 方向的移動(dòng)使特征面在輪廓儀與激光位移傳感器的測量范圍內(nèi)，其次傾角儀反饋2 個(gè)移動(dòng)臺(tái)的角度數(shù)據(jù)，然后輪廓儀對模塊前連接耳水平與豎直面掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，接著激光位移傳感器獲取模塊后連接耳豎直面距離信息，最后運(yùn)用第1 節(jié)的相對位姿求解方法對模塊間位姿求解。對待裝配模塊分別用2 種測量系統(tǒng)進(jìn)行20 次重復(fù)測量與裝配，把雙目視覺系統(tǒng)測量值作為真值與多傳感器組合測量對比，得到圖3 多傳感器測量系統(tǒng)與雙目視覺測量值的誤差曲線。

圖 3 組合測量系統(tǒng)位姿誤差曲線圖Fig. 3 Pose error curve of combined measurement system

統(tǒng)計(jì)圖3 實(shí)驗(yàn)誤差曲線表明，本文系統(tǒng)測量位置與姿態(tài)偏差值分別優(yōu)于：40 μm、0.02°，同時(shí)測量最大誤差均在誤差允許范圍內(nèi)。為進(jìn)一步驗(yàn)證多傳感器組合測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性與測量效率，用本文方法進(jìn)行了20 次重復(fù)測量對接實(shí)驗(yàn)。得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：對接成功率為100%且該系統(tǒng)將原來手工對接時(shí)間從1.5 h 壓縮到15 min；由圖4 數(shù)據(jù)可得出本文測量方法的測量位置與姿態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.007、0.003。綜上，本文所提出的測量系統(tǒng)滿足待裝配模塊的測量精度、效率與穩(wěn)定性需求。

圖 4 組合測量重復(fù)試驗(yàn)位姿偏差曲線Fig. 4 Pose deviation curve of repeat test on combined measurement

3 結(jié)論

本文將輪廓儀、傾角儀與激光位移傳感器組合構(gòu)成多傳感器組合測量系統(tǒng)，利用輪廓儀測量點(diǎn)可靠性高、速度快、精度高的特點(diǎn)提高了位置與姿態(tài)測量的效率與精度，同時(shí)通過傾角儀提供的高分辨率角度信息消除水平角度偏差對姿態(tài)求解的影響，最后根據(jù)坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系解出模塊間的相對位姿，間接反映狹長區(qū)域關(guān)鍵部位空間位姿。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對比實(shí)驗(yàn)中統(tǒng)計(jì)分析出了系統(tǒng)的位置與姿態(tài)測量精度分別優(yōu)于40 μm、0.02°；重復(fù)性實(shí)驗(yàn)中證明了所搭建的多傳感測量系統(tǒng)滿足跨尺度狹長遮擋區(qū)域位姿測量需求。本文提出的多傳感器組合測量技術(shù)對同類型位姿測量問題的解決提供了參考，同時(shí)還可以與力/觸覺傳感器或視覺相機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對設(shè)備模塊的自動(dòng)識(shí)別與對接，具有廣闊的市場前景與較重要的研究意義。