（西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，西安 710054）

楊樹明

2009年在英國哈德斯菲爾德大學儀器科學與納米技術專業(yè)獲得博士學位。西安交通大學機械工程學院教授，博士生導師。研究方向為微納制造及測量、光學測量技術及儀器等。發(fā)表學術論文80多篇，申請和授權發(fā)明專利20多項。現(xiàn)任中國計量測試學會理事、中國創(chuàng)新設計產業(yè)戰(zhàn)略聯(lián)盟專家工作委員會委員、陜西省機械工程學會理事、陜西省儀器儀表學會理事等；擔任國際期刊Journal of Manufacturing Systems副主編、西安交通大學學報責任編委以及10余個國際知名期刊的審稿專家。

柔性測量是指由于某種測量方法在實際測量過程中存在約束和限制，所以需要結合其他一種或多種測量方法和技術，實現(xiàn)靈活智能的實時測量。隨著先進制造技術的不斷發(fā)展，測量參數(shù)和環(huán)境越來越復雜[1]，為了滿足高精度、高效率以及高適應性的測量需求，從20世紀末開始，國內外出現(xiàn)了多傳感器結合的復合式測量理論及試驗研究，如1998年Motavalli等[2]提出了視覺傳感器和坐標測量機（CMM）集成的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)中首先利用視覺傳感器獲取物體表面信息，然后指導CMM進行測量，在保證關鍵點測量精度的基礎上極大地提高了測量效率。2010年Weckenmann等[3]提出了一種用于微小物體表面信息檢測的多傳感器集成系統(tǒng)，該系統(tǒng)由多種不同用途的傳感器組合而成，可以測量三維標準幾何特征的形狀和位置、表面形貌以及膜厚等。幾何尺寸與形位測量已經從一維、二維拓展到了三維，測量對象也從具有規(guī)則特征的物體拓展到了具有復雜曲面的物體，并且被測物體尺寸小到納米甚至原子量級，大到幾十米甚至幾百米?？傊?，先進制造技術的快速發(fā)展正在促使測量技術中的新原理、新技術、新裝置及新測量理念不斷出現(xiàn)[4-6]，旨在提高測量的完整性、準確性和高效性[7]，柔性測量就是在這樣的背景下出現(xiàn)的新技術。

本文首先通過分析目前測量技術的發(fā)展現(xiàn)狀，提出柔性測量技術的概念，然后根據(jù)實際應用對典型的柔性測量系統(tǒng)進行分類介紹，最后對柔性測量系統(tǒng)的發(fā)展趨勢進行預測。

柔性測量技術的發(fā)展現(xiàn)狀及關鍵技術

1 單一傳感器三維測量技術存在的問題

（1）接觸式測量。

接觸式測量又稱為機械測量，即利用探針連接桿或機械臂關節(jié)處的傳感器直接接觸被測物體的表面以獲取其三維點坐標數(shù)據(jù)。接觸式探針測量系統(tǒng)主要用于對點云密度要求不高的場合，如圓柱、棱柱等規(guī)則特征物體逆向建模以及已知模型的質量檢測。CMM是典型的接觸式測量設備，測量過程中首先將各種幾何元素的測量轉換為點集坐標位置的測量，然后再由軟件按一定的評定準則算出這些元素的尺寸、形狀和相對位置，一般測量精度可達微米級[8]。盡管CMM測量精度相對較高，但是也存在很多不足，如測量速度慢，測量前需要規(guī)劃測量路徑；不能測量軟質材料及探頭無法觸及的表面；探頭易磨損，需經常矯正補償，而且對環(huán)境要求高。

（2）非接觸式測量。

相比于接觸式的表面測量方法易于損傷被測工件表面以及測量效率低的缺點，非接觸式測量方法，如光學測量法、工業(yè)計算機斷層成像技術（CT）以及掃描探針顯微鏡等，在測量領域中應用越來越廣泛，正朝著速度更快、分辨率更高、測量范圍更大的方向發(fā)展[9-10]。

光學傳感器在三維測量中的應用具有廣闊的前景，根據(jù)所采用光源的類型不同可以分為點結構光傳感器（1維測量）、線結構光傳感器（2維測量）和面結構光傳感器（3維測量）。實際上，面結構光測量法也只能測量物體表面上的點，無法實現(xiàn)真正意義上的3維測量，故稱之為2.5維測量。一套光學三維測量系統(tǒng)能否精確完成測量工作主要取決于該系統(tǒng)的測量原理以及被測物的表面材質和幾何特征。光學測量技術主要有三角測量法、偏折法[11]、共聚焦顯微技術[12]、白光干涉方法[13]、變焦顯微測量法[14]、圖像測量法以及激光自動聚焦法、色差法及錐光測量法等。光學測量法能夠快速獲得被測物表面密集的點云數(shù)據(jù)，并且對于表面特征復雜以及材質柔軟的物體具有獨特優(yōu)勢。與接觸式測量方法相比，具有精度不高、視角受限、無法測量光滑表面等缺點。因此，由光學傳感器所測得的點云數(shù)據(jù)往往具有很多噪點，并且在某些區(qū)域存在數(shù)據(jù)冗余或缺失。

工業(yè)CT技術一次掃描就可以無損的獲取被掃對象內外結構尺寸信息，這一特點使得CT在裝配檢測以及復雜內部結構的產品非破壞測量上具有獨特的優(yōu)勢，在一些工業(yè)測量領域，CT也像CMM測量設備一樣被作為產品尺寸質量控制的標準檢測手段。然而，CT測量過程也受很多因素的限制，比如被測工件的放置方式、機械軸的幾何誤差、射線能量、圖像偽影以及數(shù)據(jù)處理等[15]。

由于分辨率高（原子級分辨率）、實時原位成像，對樣品無特殊要求（不受其導電性、干燥度、形狀、硬度、純度等限制），可在大氣、常溫環(huán)境甚至溶液中成像，同時具備納米操縱及加工功能，系統(tǒng)及配套相對簡單、廉價等優(yōu)點，掃描探針顯微鏡（SPM）廣泛應用于納米科技、材料科學、物理、化學和生命科學等領域[16]。SPM缺點包括掃描速度受限、定位和尋找特征結構較困難、對樣品表面粗糙度要求較高以及探針的幾何寬度和曲率半徑等都會引起成像失真。

2 多傳感器信息融合測量方法

隨著先進制造技術的不斷發(fā)展，測量對象越來越復雜，對測量系統(tǒng)的精度和效率、柔性和自動化水平的要求也在不斷地提高。對于具有復雜特征或極限尺寸的物體，利用單一傳感器難以精確、快速、完整地獲取其幾何尺寸和形貌特征。因此現(xiàn)代測量系統(tǒng)需要結合多個測量傳感器，形成優(yōu)勢互補，以滿足測量的需求。如Lu[17]將視覺傳感器、激光測頭安裝到CMM上，實現(xiàn)自適應測量路徑規(guī)劃，有效提高了自由曲面接觸式數(shù)字化測量的效率和精度。

對于多傳感器結合的柔性測量方法，由于一個完整的被測物在不同部位對測量精度的要求不同，首先要考慮各傳感器的分辨力和測量范圍，如圖1所示。另一方面，由于各傳感器都有自己獨特的測量優(yōu)勢，如用光學傳感器獲取復雜曲面點云數(shù)據(jù)、用接觸式傳感器測量規(guī)則特征以及關鍵點、用SPM實現(xiàn)納米級測量、用工業(yè)CT獲取物體內部結構數(shù)據(jù)等以實現(xiàn)合理的測量分工。

3 柔性測量關鍵技術

（1）系統(tǒng)集成及全局標定技術。

目前大部分柔性測量系統(tǒng)由CMM、接觸式測頭、視覺傳感器、光學非接觸探頭及外圍電子設備構成。系統(tǒng)集成及全局標定技術主要包括3個方面：各傳感器硬件集成到機器設備上完成數(shù)據(jù)采集；傳感器自身的建模與標定技術；傳感器之間坐標系的轉換。牟魯西[18]針對觸發(fā)式測頭和關節(jié)臂激光掃描儀組成的多傳感器測量系統(tǒng)提出了基于單元四元數(shù)表達和數(shù)學形態(tài)學優(yōu)化的全局標定方法。Fan[19]研究了由姿態(tài)角傳感器、角編碼器、激光測距儀及全站儀構成的柔性測量系統(tǒng)，并提出了全局標定方法并實現(xiàn)了大尺度空間隱藏區(qū)域坐標測量。

圖1 典型測量儀器的分辨力和測量范圍Fig.1 Resolution and measurement range of typical instruments

（2）基于特征的智能化測量技術。

智能化測量的實質就是特征指導下的測量規(guī)劃，即根據(jù)測量對象及測量參數(shù)選擇最優(yōu)傳感器組合。由已知實體模型得到曲面和邊界特征，通過編輯檢測路徑實現(xiàn)特征曲面和邊界的自動檢測[20]。采用視覺測量獲取孔洞、邊界特征及工件的位置，利用這些簡單特征進行工件定位[21]。以宏觀控制指導微測量，利用結構光視覺傳感器進行快速測量并構建簡單模型，然后基于該模型指導接觸式測頭進行“精測”[22]。

（3）多傳感器測量數(shù)據(jù)融合技術。

對于多傳感器集成柔性測量系統(tǒng)來說，可以將多個傳感器測量數(shù)據(jù)對齊到同一坐標系下，但是由于采用不同類型傳感器和測量方法，使得信息具有多樣性和復雜性。因此，信息融合方法的基本要求是魯棒性和并行處理能力。目前國內外研究的數(shù)據(jù)融合算法主要包括遺傳算法結合模糊理論、遺傳算法結合神經網(wǎng)絡理論、模糊邏輯結合卡爾曼濾波、小波變換結合卡爾曼濾波、模糊理論結合最小二乘法等[23]。

典型柔性測量系統(tǒng)

根據(jù)目前國內外的研究情況，柔性測量系統(tǒng)大致可以分為3類：視覺和接觸式傳感器集成系統(tǒng)、多視覺傳感器集成系統(tǒng)[24]以及微納米柔性測量系統(tǒng)。

1 視覺和接觸式傳感器柔性測量系統(tǒng)

（1）CMM與結構光視覺傳感器集成的柔性測量系統(tǒng)。

在眾多傳感器集成的柔性測量系統(tǒng)中，以視覺傳感器與CMM接觸式測頭的互補性最強。其中視覺傳感器獲取的物體三維點密集、測量速度快，但精度不高；CMM獲取物體三維點稀疏、測量速度慢，但精度較高，因此二者的結合能夠揚長避短。

立體視覺傳感器的作用主要體現(xiàn)在輔助定位和邊界信息指導，實現(xiàn)實際工件與其模型之間的精確對齊，并獲取被測面的邊界信息用以指導接觸式測頭進行自動化測量。黃強先等[21]針對現(xiàn)有微納米CMM測量逼近效率低的問題，設計了一種基于視覺引導的三維納米測頭，采用3個微型高倍攝像機對工作臺做視覺引導。

結構光視覺傳感器可以為后續(xù)接觸式測量提供更加完整的信息，概括為以結構光測量方法得到的粗模型指導CMM進行精確測量。首先采用結構光視覺傳感器對被測物體進行快速測量，從而建立被測物體的模型，然后以此模型指導CMM進行自適應測量。Li等[22]開發(fā)了一種線激光掃描和CMM的集成系統(tǒng)，首先由激光掃描系統(tǒng)采集被測物數(shù)據(jù)，然后采用CMM接觸式探頭對沒有掃描到的地方進行補充測量，并對精度要求較高的幾何特征進行重復測量。

（2）手持式探針與視覺傳感器集成柔性測量系統(tǒng)。

由于CMM不能移動，而光學測量方法對大幅面或帶有槽孔工件的測量具有限制。根據(jù)探針上空間位置相對固定的一組標志點的坐標信息建立探針坐標系，并確定探針觸頭在其坐標系中的坐標。定位時根據(jù)標志點的空間坐標計算世界坐標系和探針坐標系之間的轉換關系，就可通過坐標轉換得到探針觸頭在世界坐標系中的位置信息。李磊剛等[25]基于工業(yè)近景攝影測量理論和立體視覺技術，研制了一種基于點陣式探針測量原理的便攜式光學探針測量系統(tǒng)。

2 多視覺傳感器柔性測量系統(tǒng)

對于大尺寸物體的數(shù)字化測量，盡管視覺傳感器具有全場測量能力，但由于其測量幅面的限制，而且存在測量盲區(qū)，后期將得到的多個面形數(shù)據(jù)進行拼接處理以獲得完整測量數(shù)據(jù)，這無疑使得測量過程繁瑣、后期數(shù)據(jù)處理工作量增大。因此，可以采用多視覺傳感器集成系統(tǒng)提高測量效率。多視覺傳感器集成的柔性測量系統(tǒng)也可分為兩類：多視角全方位互補型測量系統(tǒng)和輔助定位自動拼接測量系統(tǒng)。

（1）多視角全方位互補型測量系統(tǒng)。

多視角互補型測量系統(tǒng)是指在被測物周圍布置多個視覺傳感器以實現(xiàn)全方位、無盲區(qū)地完整信息采集。如Turton等[26]開發(fā)的多視角激光掃描傳感器集成測量系統(tǒng)。系統(tǒng)由3個工業(yè)相機和4個線激光發(fā)射器組成，其中3個線激光發(fā)射器在同一水平面呈等角度環(huán)形分布，第4個線激光發(fā)射器位于中間，測量時各傳感器協(xié)同工作，使得測量盲區(qū)大大減少，所以僅通過一次掃描便可獲得完整的物體形貌數(shù)據(jù)，極大提高了測量效率。

（2）輔助定位自動拼接測量系統(tǒng)。

針對現(xiàn)有的大尺寸物體形貌測量系統(tǒng)測量效率低、自動化程度不高的缺點，張德海[27]提出一種工業(yè)數(shù)字近景三維攝影測量系統(tǒng)和結構光投影雙目立體視覺系統(tǒng)相結合的多視覺傳感器集成測量系統(tǒng)，采用近景攝影測量系統(tǒng)計算大型工件表面粘貼的編碼點和非編碼點坐標作為全局控制點，實現(xiàn)每幅點云數(shù)據(jù)的高精度自動拼接。鐘凱等[28]又將結構光測量系統(tǒng)與室內定位系統(tǒng)（GPS）相結合，提出了一種組合式大尺寸三維測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用室內GPS追蹤固定在結構光測量系統(tǒng)頂部的傳感器，實時跟蹤結構光測量系統(tǒng)在全局坐標系下的三維位姿，然后利用預先標定的系統(tǒng)結構參數(shù)將結構光測量系統(tǒng)所測得的局部三維點云數(shù)據(jù)自動轉換到全局坐標系。

3 微納米柔性測量系統(tǒng)

隨著微納米技術的迅速發(fā)展，人們對微觀世界探索不斷深入，測量對象尺度越來越小。目前納米級柔性測量系統(tǒng)主要分為兩類：以激光干涉為代表的光學測量方法和以SPM為代表的非光學測量方法。

（1）基于激光干涉儀的柔性測量系統(tǒng)主要體現(xiàn)在與光纖傳感技術的結合，由于光纖的可集成性、可遠距離傳輸、抗干擾能力強，用作光傳導部分能夠實現(xiàn)干涉儀的小型化和集成化。另一方面，為突破激光干涉方法受半波長的限制，實現(xiàn)遠程和絕對測量，Xie等[29]提出了一種高相干和低相干相結合的復合式光纖干涉測量系統(tǒng)。Yang等[30-31]提出通過研制芯片級光學元件，實現(xiàn)了用于納米柔性在線測量的集成光學干涉系統(tǒng)。

（2）基于SPM的納米級測量系統(tǒng)，其缺點主要在于測量效率不高，需要集成輔助測量裝置以提高該系統(tǒng)的柔性。Guo等[32]提出將原子力顯微鏡（AFM）與白光干涉儀相結合的復合式測量系統(tǒng)，通過白光干涉測量的輔助定位以提高AFM的測量效率。

柔性測量系統(tǒng)發(fā)展趨勢

（1）高度集成化。柔性測量系統(tǒng)的未來研究方向將會以運行在未知、動態(tài)環(huán)境下的多傳感器集成測量系統(tǒng)為研究對象。硬件集成方面，微傳感器技術的發(fā)展將會使得系統(tǒng)集成度大規(guī)模增加，并靈活應用到工業(yè)現(xiàn)場；數(shù)據(jù)融合方面，人工智能和神經網(wǎng)絡將繼續(xù)成為研究的熱點。

（2）高度智能化。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，要求測量儀器能夠對所測物體進行高度智能化的分析，從而自動選擇最優(yōu)化的測量方法。根據(jù)測量對象及測量參數(shù)選擇最優(yōu)的傳感器組合，就選擇的實時性可分為預先和實時選擇法。前者預先對傳感器做最優(yōu)配置；后者根據(jù)環(huán)境變化進行實時配置以達到局部最優(yōu)。

（3）良好的環(huán)境適應性。惡劣環(huán)境對于光學元件的工作精度和準確性具有較大的影響，甚至導致有些光學儀器不能正常工作，這就要求測量系統(tǒng)能夠適應不同的工況條件和環(huán)境。光纖傳感器將取代一些大部頭光學器件，在提高環(huán)境適應性的同時，使得測量系統(tǒng)更加小巧靈活。

結束語

本文系統(tǒng)介紹了物體三維信息獲取過程中所用到的各種測量技術及其基本原理，通過分析發(fā)現(xiàn)，每一種測量技術和方法都有自己獨特的優(yōu)勢和適用場合。對于具有復雜特征或極限尺寸的物體，利用單一測量方法難以精確、快速、完整地獲取其幾何尺寸和形貌特征。因此現(xiàn)代柔性測量系統(tǒng)需要結合多種測量方法的優(yōu)點，形成優(yōu)勢互補，以滿足現(xiàn)代測量領域對精確、高效和完整測量的需求?，F(xiàn)代柔性測量系統(tǒng)不僅要求測量設備具有靈活性和適用性，由于涉及多傳感器集成的復合式測量，因此研究多傳感器信息融合技術以實現(xiàn)在線測量和實時控制。

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