面向石雕切割工件测量的机器人扫描视点规划方法及系统

本发明涉及立体石雕三维测量领域，特别涉及一种面向立体石雕切割工件三维测量的机器人扫描视点规划方法及系统。

背景技术：

1、立体石雕是文化与艺术的载体，具有轮廓形状复杂多变、纹理细节繁多等特点，其加工技术难度大，是石雕制品中具有高经济附加值的产品。由于机器人具有灵活性强，自由度多等特性，采用机器人立体石雕加工成为了石雕行业发展的新趋势。在机器人立体石雕加工中主要包括绳锯切割粗加工和细节磨削精加工。对立体石雕切割工件进行三维测量，可用于检测加工表面质量，优化加工工艺和指导后续的细节磨削精加工。

2、采用机器人三维扫描的方式测量立体石雕切割工件具有自动化程度高、精度高、效率高、非接触、无损伤等优势。然而，由于石雕切割工件结构起伏变化大，无法通过一次扫描获得完整的石雕切割工件三维模型，必须要规划出多个扫描视点。因此如何规划立体石雕切割工件的扫描视点，是一项极具挑战性的任务。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种面向石雕切割工件测量的机器人扫描视点规划方法及系统，根据立体石雕切割工件的stl模型进行扫描视点规划，从而保证扫描的完整性、精度和效率，实现立体石雕切割工件的自动化测量。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一方面，一种面向石雕切割工件测量的机器人扫描视点规划方法，包括：

4、s101，采用改进的区域生长算法对立体石雕切割工件的stl模型表面进行区域划分获得三角面片簇；

5、s102，将划分后的每个三角面片簇离散为三维点云获得点云模型；

6、s103，对每个点云模型进行obb包围盒求取，获得obb包围盒的大小；

7、s104，根据obb包围盒的最大中间平面大小与扫描仪单次扫描的视野大小划分四种扫描情况，分别对每种扫描情况进行扫描视点规划，获得各扫描视点在工件坐标系下的位置坐标；

8、s105，将机械臂限制在立体石雕切割工件的单个侧面进行移动扫描，通过三次转台带动工件旋转，每次旋转90°，生成切割工件的全貌扫描路径；

9、s106，将生成的扫描路径导入到cam软件中，生成机械臂可执行程序，进行实际扫描。

10、优选的，s101中，所述采用改进的区域生长算法对立体石雕切割工件的stl模型表面进行区域划分获得三角面片簇之后，还包括：

11、对划分后的面片簇进行优化，合并面积小于设定阈值的三角面片簇将其合并到与它相邻且平均法向量夹角最小的簇中，在优化合并后的三角面片簇中，剔除存在扫描干扰的面片簇。

12、优选的，所述s101，具体包括：

13、读取立体石雕切割工件的stl三角面片模型的每个面片ti＝(p1,p2,p3)的三个顶点坐标和法向量ni，并求取所有与三角面片ti的共用一个或两个顶点的三角面片的相关三角面片tj；

14、采用改进的区域生长算法对立体石雕切割工件的stl模型表面进行区域划分获得三角面片簇；

15、其中，三角面片ti和它的一个相关三角面片tj的法向量之间的余弦值av(ti,j)，表示如下：

16、av(ti,j)＝cos(f(ti),f(tj))

17、其中，f(ti)表示三角面片ti的法向量；f(tj)表示三角面片tj的法向量；

18、三角面片ti与它的所有相关三角面片的法向量期望e(ti)，表示如下：

19、

20、三角面片ti与它的所有相关三角面片的法向量方差d(ti)，表示如下：

21、

22、其中，k是三角面片ti的相关三角面片的数量。

23、优选的，所述s103，具体包括：

24、针对每个三角面片簇的点云模型，根据点云模型的空间点pm(xm,ym,zm)计算出均值μ(x,y,z)，并将它作为obb包围盒的中心，如下：

25、

26、其中，μx表示x轴的均值；μy表示y轴的均值；μz表示z轴的均值；pm1表示空间点pm的xm；pm2表示空间点pm的ym；pm3表示空间点pm的zm；n表示点云模型总的空间点数；m表示第m个空间点；

27、由均值μ计算协方差cov(ci,cj)，如下：

28、

29、其中，i,j＝1,2,3；u1＝μx,u2＝μy,u3＝μz；ci＝{c1,c2,c3},c1表示x分量,c2表示y分量，c3表示z分量；

30、根据协方差可获得协方差矩阵c，如下：

31、

32、通过协方差矩阵便可求解出其特征值及对应的特征向量，由于协方差矩阵为对称矩阵，因此，其三个特征向量是相互正交的，将其单位化后即为obb包围盒局部坐标系的三个主方向；

33、将模型所有顶点投影到三个主方向上，求出其最大值和最小值，确定出obb包围盒的大小。

34、优选的，所述s104，具体包括：

35、根据obb包围盒的最大中间平面的长宽与扫描仪单次扫描的视野大小划分为四种扫描情况，如下：

36、(1)孔洞边界的obb包围盒的最大中间平面的长、宽小于扫描仪单次扫描的长、宽，进行扫描一次便可扫全该孔洞区域；扫描视点的计算如下：

37、

38、

39、其中，为o'-x'y'z'坐标系z'轴的单位向量，为o'-x'y'z'相对o-xyz坐标系的旋转矩阵，o'-x'y'z'为obb包围盒的中心坐标系，o-xyz为工件坐标系，o'o-xyz为obb包围盒的中心点o'在o-xyz下的坐标，上述参数在计算obb包围盒时可获得，vpo'-x'y'z'(0,0,d)为视点vp在o'-x'y'z'坐标系下的位置坐标，d为扫描距离；

40、(2)孔洞边界的obb包围盒的最大中间平面的长小于扫描仪单次扫描的长，宽大于扫描仪单次扫描的宽，需水平移动扫描以扫全该孔洞区域；具体需要规划两个扫描视点vp1和vp2，其扫描方向和在o'-x'y'z'坐标系下的坐标值vp'(x',y',z')的计算如下：

41、

42、

43、其中，w为扫描单次扫描宽度，d为扫描距离，(xa,ya,0)为最大中间平面的顶点a在o'-x'y'z'坐标系下的坐标值；表示视点vp1的扫描方向；表示视点vp2扫描方向；表示与坐标轴z'方向相反的单位向量；x′1表示扫描视点vp1在o'-x'y'z'坐标系下的x值；y′1表示扫描视点vp1在o'-x'y'z'坐标系下的y值；z′1表示扫描视点vp1在o′-x'y'z'坐标系下的z值；x'2表示扫描视点vp2在o'-x'y'z'坐标系下的x值；y'2表示扫描视点vp2在o'-x'y'z'坐标系下的y值；z'2表示扫描视点vp2在o'-x'y'z'坐标系下的z值；

44、在求得视点在o'-x'y'z'坐标系下得坐标值后，获得扫描视点vpi在q-xyz坐标系下的位置坐标vpi(xi,yi,zi)：

45、

46、(3)孔洞边界的obb包围盒的最大中间平面的长大于扫描仪单次扫描的长，宽小于扫描仪单次扫描的宽，需竖直移动扫描以扫全该孔洞区域；具体需规划两个扫描视点vp1和vp2，其扫描方向和在o'-x'y'z'坐标系下的坐标值vp'(x',y',z')的计算如下：

47、

48、

49、其中，l为扫描单次扫描长度，根据上述间变换即可求得扫描视点在q-xyz下的值；

50、(4)扫描仪单次扫描的长、宽小于obb包围盒最大中间平面的长、宽时，需要规划多个扫描视点，如下：

51、确定总的扫描视点个数n：

52、

53、其中，b为最大中间平面的宽度，w为扫描仪单次扫描宽度。根据确定出的扫描视点个数n，得到扫描间距c：

54、

55、在o'-x'y'z'坐标系下，其最大中间平面上的采样点pi(xip,yip,zip)的坐标：

56、

57、

58、在获得采样点pi(xip,yip,zip)后，计算出扫描视点的扫描方向和在o′-x′y′z′坐标系下位置坐标vp′i(x′i，y′i，z′i)：

59、

60、

61、根据空间变换求得扫描视点在q-xyz下的值。

62、优选的，所述s105，具体包括：

63、采用遗传算法对每次扫描内的多个obb包围的中心点o'进行路径寻优，计算出最优的扫描路径。

64、优选的，所述s106，具体包括：

65、将生成的扫描路径导入cam软件中，通过虚拟仿真检测扫描路径是否存在碰撞，并对存在碰撞的视点进行优化，调整其扫描方向，直到不发生碰撞为止；最后对安全无碰撞的扫描路径进行编译生成机械臂的可执行程序，实现对立体石雕切割工件的自动化测量。

66、另一方面，一种面向石雕切割工件测量的机器人扫描视点规划系统，包括：

67、区域划分模块，用于采用改进的区域生长算法对立体石雕切割工件的stl模型表面进行区域划分获得三角面片簇；

68、点云模型获取模块，用于将划分后的每个三角面片簇离散为三维点云获得点云模型；

69、包围盒大小获取模块，用于对每个点云模型进行obb包围盒求取，获得obb包围盒的大小；

70、位置坐标获取模块，用于根据obb包围盒的最大中间平面大小与扫描仪单次扫描的视野大小划分四种扫描情况，分别对每种扫描情况进行扫描视点规划，获得各扫描视点在工件坐标系下的位置坐标；

71、扫描路径生成模块，用于将机械臂限制在立体石雕切割工件的单个侧面进行移动扫描，通过三次转台带动工件旋转，每次旋转90°，生成切割工件的全貌扫描路径；

72、工件扫描模块，用于将生成的扫描路径导入到cam软件中，生成机械臂可执行程序，进行实际扫描。

73、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

74、立体石雕切割工件是由直纹面构成，纹理细节少，不会产生孔洞、局部凹坑等形状，本发明根据立体石雕切割工件的表面特征，采用改进的区域生长算法对立体石雕切割工件stl模型进行合理划分与优化，并根据不同区域的obb包围盒最大中间平面大小与扫描仪单次扫描的视野大小进行不同的视点规划，有效提高了扫描的质量、效率和完整性，能够生成良好的冗余视点集合，同时针对不同形状的立体石雕切割工件具有较强的适应性，视点规划算法简单高效，易实现。