一种基于激光传感器和机器人的工件扫描成像方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于激光传感器和机器人的工件扫描成像方法，包括以下步骤：步骤A、获取激光扫描所得的工件轮廓点数据；步骤B、处理点数据以生成工件轮廓图像；其中获取激光扫描所得的工件轮廓点数据的步骤实现了获取激光扫描点数据的功能；处理点数据以生成工件轮廓图像的步骤解决了由原始激光扫描点数据获得工件轮廓二值化图像的问题。本发明具有实用灵活、抗干扰性能良好等优势，解决了传统CCD相机在特殊工业作业场合抗干扰性能不足的问题等优点。
【专利说明】一种基于激光传感器和机器人的工件扫描成像方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种工件扫描成像技术，特别涉及一种基于传感器和机器人的工件扫描成像方法；本发明的扫描成像方法是一种基于条纹式激光传感器和工业机器人的工件扫描成像方法，是以工业机器人为机械运动执行装置，以工业机器人和条纹式激光传感器为测量装置，以计算机为通信、数据采集及处理平台，用来对工件进行扫描式成像。
【背景技术】
[0002]由于视觉系统具有良好的检测性能和定位性能，所以机器人视觉系统开发己成为机器人研究领域的热点与重点。视觉传感方法因获得的信息量丰富，以及高灵敏度、高精度、与工件无接触等优点，而越来越受到人们的重视。
[0003]目前，视觉传感采集的图像有基于自然光、人工普通光的图像和以激光为主动光源的结构光图像。在某些特殊的工业环境中，比如在焊接现场存在着强弧光、粉尘、烟雾等不良干扰因素，传统CXD相机的性能受到了较为严重的干扰，在这种环境下传统的CXD相机就不能良好地完成任务。相比之下，所述条纹式激光传感器基于三角测量原理，通过线性激光束激光进行物体截面轮廓测量，采用与激光同等波长的光学滤光片滤掉所有的包括弧光在内的杂散光，传感器内部集成的光学接收装置、CMOS平面检测器只接收并形成激光条纹的图像。这种条纹式激光传感器的优点是不采用任何移动式部件，坚固耐用，不受电弧光、烟尘、飞溅等干扰。
[0004]激光作为主动光源具有高能量、高亮度、单色性好、抗干扰能力强等优点，因此激光视觉传感器有很大的发展前景。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于激光传感器和机器人的工件扫描成像方法，该方法包括获取激光扫描所得工件轮廓点数据、处理点数据以生成工件轮廓图像这两个步骤，具有实用灵活、抗干扰性能良好等特点。
[0006]本发明的目的通过下述技术方案实现:
[0007]—种基于激光传感器和机器人的工件扫描成像方法，该方法米用一部内部集成有光学接收装置、CMOS平面检测器的条纹式激光传感器和机器人(含机器人控制器)，其中条纹式激光传感器固定安装在机器人末端法兰，共同完成获取激光扫描所得工件轮廓点数据的测量任务；
[0008]该方法所采用的条纹式激光传感器发出的线性激光束投射到被测物表面上时，激光束会形成与被测物表面轮廓相一致的图像，在该激光束上有一系列连续、均布的P个激光采样点，然后传感器返回该束激光中的P个采样点相对于传感器坐标系中的Z轴和X轴坐标值；
[0009]该方法还采用计算机来完成激光扫描点数据的采集、处理进而对工件轮廓进行成像的任务；[0010]该方法还需要采用一些其他部件，例如:工件平台、工件等。其中工件平台用来放直工件；
[0011]所述基于激光传感器和机器人的工件扫描成像方法，包括以下步骤:
[0012]步骤A、获取激光扫描所得工件轮廓点数据；
[0013]步骤B、处理点数据以生成工件轮廓图像；
[0014]所述步骤A包括以下步骤:
[0015]Al)当工件平台上的工件处于机器人工作半径内某一空间位置点A时，机器人驱动条纹式激光传感器运动至工件上方某一合适的另一固定的空间位置点B ；
[0016]A2)控制机器人驱动条纹式激光传感器从所述B点开始对工件以恒定速度V做直线扫描测量运动，控制条纹式激光传感器不断以周期T发射激光束测量物体并返回激光采样点相对于激光传感器坐标系中Z轴和X轴的坐标值；扫描期间保证条纹式激光传感器背部平面与工件平台两者之间间距恒定。按照S=d来确定所述速度V ;其中:s表示相邻两束激光在传感器坐标系Y轴方向上的间距，S=VT ;d表示激光束中相邻激光采样点在传感器坐标系X轴方向上的间距；
[0017]A3)控制计算机以周期T从机器人控制器中不断实时读取机器人的末端在条纹式激光传感器测量坐标系的Y轴方向的坐标信息；
[0018]A4)扫描运动结束时,条纹式激光传感器运动至工件上方某一合适的另一固定的空间位置点C，机器人停止运动，同时传感器停止发射激光对工件进行测量；
[0019]A5)计算机通过与机器人控制器、条纹式激光传感器之间的通信获得上述扫描过程所得到的工件轮廓点数据。
[0020]所述步骤B包括以下步骤:
[0021]BI)对少数噪声点进行插补:由于某些工件形状轮廓极其不规则、高度落差大等缘故致使传感器内部的光学接收装置、CMOS平面检测器无法检测到某些处的激光采样点，这样就无法获得这些噪声采样点所在位置的实际坐标值。采取二次插值的方式对所述噪声点进行插补；
[0022]B2)对传感器激光束发射周期T不精确的误差进行插补:通过定时器设置条纹式激光传感器扫描触发的周期为T (ms)，实际上周期T是小幅度浮动的。按照理想步长s对每一束激光对应着的P个采样点返回的Z轴坐标值进行线性插值；
[0023]B3)对传感器坐标系X轴方向上的激光采样点的个数进行插补。对每束激光的X轴方向上的P个采样点对应的Z轴坐标值进行插值；
[0024]B4)建立生成工件二值化图像矩阵的准则:建立一个筛选准则，根据激光采样点返回的Z轴坐标高度信息将在工件轮廓表面上的激光采样点和不在工件轮廓表面上的激光采样点分离出来，对于每个激光采样点，若判断它在工件表面上则令工件图像二值化矩阵里的对应元素为O ;反之，为255 ；
[0025]B5)根据二值化的图像矩阵生成工件轮廓二值化图像:
[0026]工件图像二值化矩阵里为O的元素对应为一个黑色的像素点，为255的元素对应为一个白色的像素点。
[0027]本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
[0028]1、本发明的实用性强，使用灵活、抗干扰性能良好。[0029]2、本发明的适用于某些特殊工业场合，很好地解决了传统CXD相机技术在特殊工业作业场合抗干扰性能不足的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1是本发明中激光扫描成像总体示意图。
[0031]图2是本发明中噪声点插补示意图。
[0032]图3是本发明中相邻激光束间距和相邻激光采样点间距示意图，其中，符号“〇”表示每个圆点对应为工件二值化图片里的一个对应的像素点。
[0033]图4是本发明对激光束发射周期不精确所引起误差进行插补示意图。
[0034]图5是本发明中对采样点个数进行插补示意图。
[0035]图6是本发明中一束激光照到工件轮廓表面的情况示意图。
【具体实施方式】
[0036]下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0037]实施例
[0038]在机器人末端安装上一部条纹式激光传感器，该传感器和机器人(含机器人控制器)，其中条纹式激光传感器 固定安装在机器人末端法兰，共同完成获取激光扫描所得的工件轮廓点数据的测量任务。
[0039]该方法所采用的条纹式激光传感器发出的激光束投射到被测物表面上时，激光束会形成与被测物表面轮廓相一致的图像，在该激光束上有一系列连续、均布的P个激光采样点，然后传感器返回该束激光中的P个采样点相对于传感器测量坐标系中的Z轴和X轴坐标值。
[0040]计算机与激光传感器和机器人控制器进行通信来完成激光扫描点数据的采集、处理进而对工件轮廓进行成像的任务。
[0041]该实施例中还需要采用一些其他附件:工件平台、工件等。其中工件平台用来放置工件。
[0042]所述步骤A (获取激光扫描所得工件轮廓点数据)包括以下步骤，如图1所示:
[0043]Al)当工件平台6上的工件5处于机器人I工作半径内某一空间位置点A时，机器人驱动条纹式激光传感器3运动至工件上方某一合适的另一固定的空间位置点B ；
[0044]A2)机器人I驱动条纹式激光传感器3从所述B点开始沿着某一扫描路径7对工件5以恒定速度V沿传感器坐标系Y轴做直线扫描测量运动，控制条纹式激光传感器3不断以周期T发射激光束测量工件5并返回激光束中采样点相对于传感器坐标系4中Z轴和X轴的坐标值；扫描期间保证条纹式激光传感器背部平面2与工件平台6两者之间间距恒定；如图3所示，所述速度V需要满足表达式s=d ;其中:s表示相邻两束激光在传感器坐标系Y轴方向上的间距，S=VT ；d表不激光束中相邻激光米样点在传感器坐标系X轴方向上的间距，d=Xmax-Xmin/n,Xmax、Xmin分别为一条激光束中米样点返回的相对于传感器坐标系X轴最大、最小坐标值，η为一条激光束中激光采样点的总数；
[0045]A3)计算机8以周期T从机器人控制器9中不断实时读取机器人I的末端在条纹式激光传感器测量坐标系4的Y轴方向的位置信息；
[0046]A4)扫描运动结束时，条纹式激光传感器3运动至工件上方某一合适的另一固定的空间位置点C，机器人停止运动，同时传感器停止发射激光对工件进行测量；
[0047]A5)计算机8通过与机器人控制柜9、条纹式激光传感器3之间的通信获得上述扫描过程所得到的工件轮廓点数据；
[0048]传感器在移动扫描测量期间一共周期性地发射了 N条激光束进行采样测量。
[0049]所述步骤B (处理点数据以生成工件轮廓图像)包括以下步骤:
[0050]BI)对少数噪声点进行插补:
[0051 ]由于某些工件形状轮廓极其不规则、高度落差大等缘故致使传感器内部的光学接收装置、CMOS平面检测器无法检测到某些处的激光采样点。这时，激光传感器返回到计算机的激光采样点的X轴和Z轴坐标值全部是0，这里称这种激光采样点为噪声点；
[0052]如图2所示，假设第i+3 (i〈N-3)道激光中的第m (m〈P)个激光采样点为噪声点，利用拉格朗日二次插值方式得到该点的Z轴坐标值:
【权利要求】
1.一种基于激光传感器和机器人的工件扫描成像方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤A、获取激光扫描所得的工件轮廓点数据； 步骤B、处理点数据以生成工件轮廓图像； 所述步骤A包括以下步骤: Al)当工件平台上的工件处于机器人工作半径内某一空间位置点A时，机器人驱动条纹式激光传感器运动至工件上方某一合适的另一固定的空间位置点B ； A2)机器人驱动条纹式激光传感器从B点开始对工件以速度V做直线扫描测量运动； A3)计算机以周期T从机器人控制器中不断实时读取坐标信息； A4)扫描运动结束时，条纹式激光传感器运动至工件上方某一合适的另一固定的空间位置点C，机器人停止运动，同时传感器停止发射激光对工件进行测量； A5)计算机通过与机器人控制器、条纹式激光传感器之间的通信获得上述扫描过程所得到的工件轮廓点数据； 所述步骤B包括以下步骤: BI)对少数噪声点进行插补； B2)对传感器激光束发射周期T不足够精确的误差进行插补:通过定时器设置条纹式激光传感器扫描触发的周期为`T ;按照理想步长s对每一束激光对应着的P个激光采样点返回的Z轴坐标值进行线性插值； B3)对传感器坐标系X轴方向上的激光采样点的个数进行插补； B4)建立生成工件二值化图像矩阵的准则； B5)根据二值化的图像矩阵生成工件轮廓二值化图像: 工件图像二值化矩阵里为O的元素对应为一个黑色的像素点，为255的元素对应为一个白色的像素点。
2.如权利要求1所述的基于激光传感器和机器人的工件扫描成像方法，其特征在于，所述步骤A2)中，所述条纹式激光传感器不断以周期T发射激光束进行测量并返回测量数据，所述测量数据指激光采样点相对于传感器坐标系中Z轴和X轴的坐标值；扫描期间保证条纹式激光传感器背部平面与工件平台之间间距恒定，直线扫描运动的速度V按照s=d来确定； 其中:s表示相邻两束激光在传感器坐标系Y轴方向上的间距，S=VT ;d表示激光束中相邻激光米样点在传感器坐标系X轴方向上的间距。
3.如权利要求1或2所述的基于激光传感器和机器人的工件扫描成像方法，其特征在于，所述步骤A3)中，所述坐标信息指机器人的末端在条纹式激光传感器测量坐标系的Y轴方向的坐标信息。
4.如权利要求1至3任一项所述的基于激光传感器和机器人的工件扫描成像方法，其特征在于，在所述步骤BI)中，采取二次插值的方式对所述少数噪声点进行插补。
5.如权利要求1至4任一项所述的基于激光传感器和机器人的工件扫描成像方法，其特征在于，所述步骤B3)中，所述插补指对每束激光的X轴方向上的P个激光采样点对应的Z轴坐标值进行插值。
6.如权利要求1至5任一所述的基于传感器和机器人的工件扫描成像方法，其特征在于，所述步骤B4)包括以下步骤:步骤B41、建立一个筛选准则，根据激光采样点返回的Z轴坐标高度信息将在工件表面上的激光采样点和不在工件表面上的激光采样点分离出来； 步骤M2、对于每个激光采样点，若判断它在工件表面上则令工件图像二值化矩阵里的对应元素为O ;反之，为255·。
【文档编号】G01B11/245GK103822594SQ201410072626
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月28日 优先权日:2014年2月28日
【发明者】张铁, 李波, 邹焱飚 申请人:华南理工大学