本发明涉及定位测量系统，尤其涉及一种动作捕捉系统的坐标系精确配准装置及方法。
背景技术：
1、动作捕捉系统是一种基于视觉的定位测量系统，它利用多个不同角度的固定红外相机，接收物体上被测靶球发射或反射的红外线，结合相关算法建立物体刚体并实时定位，可实时测量范围内的多个物体。目前其测量精度可达毫米级别以下。随着相关技术发展，动作捕捉系统的应用领域逐渐增加，如今已开始出现在运动学模拟、精确装配、智能加工等应用场景。这些应用往往有较高的精度要求，随之出现一个问题，即系统对物体建立的坐标系与其三维物理模型难以精确匹配。例如飞机部件装配中，需要实时获取部件表面或内部一些重要的关键点或定位点的精确位置，这些点可以与三维物理模型相对应，定位点在加工过程进行了标记。因为靶球半径可达约1cm，而且是手动粘贴到部件表面的，所以测得的靶球位置与定位点实际位置偏差可达1cm以上，且测量系统建立的物体测量坐标系与三维物理模型中的本体坐标系偏差较大，难以满足装配、加工、运动模拟等任务的精度要求。在此情况下，需要一种可以将动作捕捉系统中的测量坐标系与物体本体坐标系配准的装置和方法，以拓展动作捕捉系统的应用范围。根据调研，目前尚没有针对此问题的解决方案。
技术实现思路
1、鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种动作捕捉系统的坐标系精确配准装置及方法，使动作捕捉系统对被测物体建立的测量坐标系与被测物体三维物理模型精确匹配，以满足装配、加工、运动模拟等任务的精度要求，拓展动作捕捉系统的应用范围。
2、根据本发明第一方面实施例的动作捕捉系统的坐标系精确配准装置，所述动作捕捉系统的坐标系精确配准装置为t型探针，包括：
3、板件，所述板件的一侧面上设有红外线发射模块，所述红外线发射模块至少有三个且呈不对称分布；
4、探针，所述探针的一端与所述板件固定，所述探针的另一端端头固定有刚性球珠。
5、使用本发明第一方面实施例的动作捕捉系统的坐标系精确配准装置进行配准时，需要进行标定环节和匹配环节。其中，在标定环节中：首先建立t型探针坐标系，在动作捕捉系统中为至少三个红外线发射模块建立探针刚体，并以其中一个红外线发射模块的靶点为原点；然后将t型探针的刚性球珠放在球窝标定工装的凹面中，保持刚性球珠位置固定不变，变换t型探针的位姿，用动作捕捉系统测出至少四组t型探针坐标系的位姿；随后用最小二乘法对测量出的至少四组不同位姿的t型探针的原点进行球面拟合，得到刚性球珠的球心在t型探针坐标系下的精确位置；在匹配环节中：将t型探针的刚性球珠置于被测刚性物体的定位点，由t型探针位姿和标定结果求出定位点的坐标；对被测刚性物体上至少三个定位点的坐标与被测刚性物体的三维物理模型的坐标系中定位点坐标进行icp点云匹配，求出最优的转换矩阵，从而完成动作捕捉系统中的被测刚性物体的测量坐标系与其三维物理模型中的本体坐标系的高精度配准，其精度可达亚毫米级别。此时可根据三维物理模型间接地测量被测刚性物体任意点的精确位置，可达到动作捕捉系统本身的亚毫米级精度。这大幅降低了现有技术中靶球半径、手工粘贴方式等因素带来的厘米级误差，拓展了动作捕捉系统的应用范围，可满足更多复杂任务的需求。
6、根据本发明第一方面实施例的动作捕捉系统的坐标系精确配准装置，具有如下的优势：利用球窝标定工装和球面拟合方法标定特制t型探针，使动作捕捉系统能够测量刚性物体表面定位点(包括被遮挡点)的精确位置；再通过icp算法将定位点测量值与三维物理模型中定位点坐标匹配，最后求出测量坐标系与物体本体坐标系的精确转换关系，其精度可达亚毫米级别，实现将动作捕捉系统中的测量坐标系与其三维物理模型中的本体坐标系的高精度配准，从而可间接地测量对应三维物理模型的任意点的精确位置，有助于推动动作捕捉系统在智能装配、加工、运动模拟、数字孪生等众多领域的应用。此外，t型探针的靶点不对称分布结构有效避免了系统错误识别且充分利用了板件的空间，t型探针的结构还使其可以测量被遮挡的定位点。再者，基于球面拟合的标定方法以及基于icp的点云匹配方法有效降低了测量误差对配准结果的影响。
7、在一些实施例中，所述板件为复合材料板件。
8、在一些实施例中，所述探针为不锈钢探针。
9、在一些实施例中，所述板件的另一侧面上设有供电模块和开关，所述供电模块用于向所述红外线发射模块供电，所述开关用于控制所述红外线发射模块通电或断电。
10、在一些实施例中，所述板件上设有手持部。
11、在一些实施例中，所述手持部为设置在所述板件上的通孔。
12、在一些实施例中，所述红外线发射模块有六个，其中，在六个所述红外线发射模块中，部分所述红外线发射模块通过基座固定在所述板件上，部分所述红外线发射模块直接固定在所述板件上。
13、根据本发明第二方面实施例的动作捕捉系统的坐标系精确配准方法，采用本发明第一方面实施例的动作捕捉系统的坐标系精确配准装置进行配准，包括如下步骤：
14、标定环节：首先建立t型探针的坐标系，在动作捕捉系统中为至少三个所述红外光发射模块建立探针刚体，并以其中一个所述红外光发射模块为原点；然后将所述t型探针的所述刚性球珠放在球窝标定工装的凹面中，保持所述刚性球珠位置不变，变换所述t型探针的位姿，用动作捕捉系统测出至少四组所述t型探针坐标系的位姿；随后用最小二乘法对测量出的至少四组不同位姿的所述t型探针的所述原点进行球面拟合，得到所述刚性球珠的球心在所述t型探针坐标系下的精确位置；
15、匹配环节：将所述t型探针的所述刚性球珠置于被测刚性物体的定位点，由所述t型探针的位姿和标定结果求出定位点的坐标；对至少三个定位点的坐标与被测刚性物体的三维物理模型中定位点的坐标进行icp点云匹配，求出最优的转换矩阵，从而完成坐标系的精确配准。
16、根据本发明第二方面实施例的动作捕捉系统的坐标系精确配准方法，具有如下的优势：利用球窝标定工装和球面拟合方法标定特制t型探针，使动作捕捉系统能够测量刚性物体表面定位点(包括被遮挡点)的精确位置；再通过icp算法将定位点测量值与三维物理模型匹配，最后求出测量坐标系与物体本体坐标系的精确转换关系，其精度可达亚毫米级别，实现将动作捕捉系统中的测量坐标系与其三维物理模型中的本体坐标系的高精度配准，从而可间接地测量对应三维物理模型的任意点的精确位置，有助于推动动作捕捉系统d在智能装配、加工、运动模拟、数字孪生等众多领域的应用。此外，t型探针的靶点不对称分布结构有效避免了系统错误识别且充分利用了板件的空间，t型探针的结构还使其可以测量被遮挡的定位点。再者，基于球面拟合的标定方法以及基于icp的点云匹配方法有效降低了测量误差对配准结果的影响。
17、在一些实施例中，所述标定工装的凹面为圆锥面。
18、在一些实施例中，在所述标定环节中，以距离所述刚性球珠的球心最远的一个所述红外光靶点为所述原点。
19、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
1.一种动作捕捉系统的坐标系精确配准装置，其特征在于，所述动作捕捉系统的坐标系精确配准装置为t型探针，包括：
2.根据权利要求1所述的动作捕捉系统的坐标系精确配准装置，其特征在于，所述板件为复合材料板件。
3.根据权利要求1所述的动作捕捉系统的坐标系精确配准装置，其特征在于，所述探针为不锈钢探针。
4.根据权利要求1所述的动作捕捉系统的坐标系精确配准装置，其特征在于，所述板件的另一侧面上设有供电模块，所述供电模块用于向所述红外线发射模块供电。
5.根据权利要求1所述的动作捕捉系统的坐标系精确配准装置，其特征在于，所述板件上设有手持部。
6.根据权利要求5所述的动作捕捉系统的坐标系精确配准装置，其特征在于，所述手持部为设置在所述板件上的通孔。
7.根据权利要求1所述的动作捕捉系统的坐标系精确配准装置，其特征在于，所述红外线发射模块有六个，其中，在六个所述红外线发射模块中，部分所述红外线发射模块通过基座固定在所述板件上，部分所述红外线发射模块直接固定在所述板件上。
8.一种动作捕捉系统的坐标系精确配准方法，其特征在于，采用如权利要求1至7中任意一项所述的动作捕捉系统的坐标系精确配准装置进行配准，包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的动作捕捉系统的坐标系精确配准方法，其特征在于，所述标定工装的凹面为圆锥面。
10.根据权利要求8所述的动作捕捉系统的坐标系精确配准方法，其特征在于，在所述标定环节中，以距离所述刚性球珠的球心最远的一个所述红外光靶点为所述原点。
