具有运动约束的结构光大尺度测量机器人标定方法研究

With the high-level and deep integration between industrialization and informatization of large equipment manufacturing industry, the large scale three-dimensional (3D) coordinate measurement, as an important foundation support, has become a hot and difficult point in the field of precision measurement. At present, the field increasingly complex industrial environment and the diversity of large scale products lead to some outstanding problems, such as insufficient precision, poor adaptability and low efficiency. Therefore, this project takes a class of extremely large products as research object, aiming to establish a precision calibration method for structured-light large scale measuring robot. The mathematical model of structured light sensor with long baseline distance is to be constructed, and the contradiction between the large size of the whole product and the complexity of local morphology will be solved. Moreover, the new measurement mechanism of lens distortion will be explored to reveal its relation with distortion degree. Besides that, the mapping of the structured light sensor parameters is to be constructed, and the geometric constraints of the mapping parameters can be derived. In view of the technical bottleneck of robot motion constraint, the hand eye calibration data set will be established to analyze its influence on the hand eye calibration accuracy. Some key scientific problems will be studied in above research process: accurate calibration of parameters of large scale structured light sensor with long baseline distance, and the construction of sufficient hand eye calibration data set under motion constraint and exact solution method for hand eye relationship. Some innovative research results will provide a solid theoretical foundation and key technical reserves for the popularization and application of the method, to achieve leapfrog development of the equipment manufacturing level of our country.

随着大型装备制造业信息化与工业化的高层次深度融合，作为其重要基础支撑的大尺度空间坐标测量成为精密测量领域的热点和难点。目前，日益复杂的工业现场环境以及大尺寸产品的多样性，导致现有方法存在精度不足、适应性差、效率低下等突出问题。本项目拟以一类极端大型产品为研究对象，建立一套结构光大尺度测量机器人精准标定方法。构建长基线距结构光传感器模型，解决整体尺寸庞大与局部形貌复杂的矛盾；探索镜头畸变新型度量机理，揭示其与畸变度的内在关联；建立结构光传感器参数空间映射，推导映射参数的几何约束；针对机器人运动约束的技术瓶颈，构造手眼标定数据集，分析其对标定精度的影响。重点解决研究过程遇到的关键科学问题：长基线距大尺度结构光传感器结构参数的精确标定、运动约束下手眼关系充足标定数据集的构造与精确求解。取得的创新性研究成果为该方法在实际中的推广应用提供坚实的理论基础与关键技术支撑，促进我国装备制造水平跨越式发展。

近年来，以重大技术装备及制造为代表的先进制造业在我国国民经济中的地位日益重要。飞机机身、铁路车辆等一系列极端大型工件装备关系着我国国民经济发展，是具有重要战略意义的工业产品，其装备制造的关键技术水平代表着我国制造业的核心竞争力。在大型装备的生产制造过程中，通常外形结构复杂且具有严格的准确度要求。因此，作为大型装备制造业的核心技术之一，大尺寸空间坐标的测量技术至关重要。.本项目以一类大型工件装备空间坐标测量为背景，紧密围绕我国装备制造领域内重大工程需求，设计长基线距大尺度结构光传感器，并应用于机器人三维测量。深入研究和探索了结构光大尺度测量机器人面临的一些新的瓶颈问题，并开展实验验证，取得了较好的研究成果，为拓展大尺寸空间坐标测量技术提供理论与技术支撑。主要包括：（1）研究了镜头畸变的非量测度量和参数优化，定义了基于熵修正的畸变测度函数，提出了随机位置更新的人工蜂群算法，并应用于优化畸变测度函数，提升了畸变校正性能；（2）设计了大尺度结构光传感器的空间几何标定方法，对传感器中结构光平面参数进行映射变换，提高了标定精度，简化了标定过程。（3）解决了运动约束下机器人手眼关系标定，采用主动视觉技术构建较为充足的标定集合，并建立数据筛选机制，定义新的优化目标函数，进一步提升了手眼标定精度。.课题组在本项目的资助下，取得了系列研究成果，已发表学术论文14篇（SCI期刊6篇，EI期刊5篇（含2篇待检索EI源刊论文），中文核心3篇）；申请受理国家发明专利10项，授权发明专利2项，授权软件著作权4项；指导硕士研究生毕业1人；项目负责人晋升副教授职称，荣获河南省优青、河南省教育厅学术技术带头人等学术荣誉称号；荣获河南省科技进步二等奖1项（项目负责人排名第2）、河南省教育厅科技成果一等奖1项（项目负责人排名第2）。