CN103791838A - 一种微零件位姿自动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微零件位姿自动测量方法。首先，利用显微视觉和标定物标定显微视觉视场光轴中心和激光三角测量仪激光光轴中心的位置关系；然后利用显微视觉检测微零件的平面位置信息，根据平面位置信息自动引导三角测量仪分别测量微零件特征面上不在同一条直线上的三个点的深度信息，最后通过三个点的空间坐标计算微零件特征面的法向量从而得到微零件的姿态。本发明的测量方法用于微米厚度、毫米大小微零件位姿的自动测量，操作方便、自动化程度高、测量精度高，具有较好的应用前景。

Description

一种微零件位姿自动测量方法

技术领域

 本发明属于微装配技术领域，具体涉及一种微零件位姿的测量方法。

背景技术

微装配技术是先进制造领域里的关键技术之一，通常涉及不同加工工艺、复杂几何外形以及不同加工材料的产品装配，可广泛应用于微机电系统（Micro-Electro-Mechanism System MEMS）、纳米制造、精密光电子工程、生物工程、医学、激光物理实验等领域。其中显微视觉为微装配提供了必不可少的观察手段，也提高了其自动化水平。然而，由于显微视觉系统具有景深小的特点，各路显微视觉几乎没有公共视野从而难以构成传统的立体视觉系统，所以单纯基于显微视觉的位姿测量面临着许多困难。

目前微零件位姿测量技术研究主要以空间位置测量技术居多，其中深度信息作为研究难点之一吸引了众多学者的研究，目前主要有基于显微视觉的聚焦/离焦法、线性激光扫描法和多路视觉方法。而对于微零件的姿态测量目前很少涉及，Wang LiDai等人利用显微视觉只实现了微镜片的一维姿态测量（参见文献：L Wang, J. K. Mills, W. L. Cleghorn. Assembly of three-dimensional Microsystems using a hybrid manipulation strategy. IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, 2008, 545-550）；法国Tamadazte利用CAD模型来检测MEMS器件三维姿态但是这种方法依赖于微器件的先验CAD模型，对其应用具有一定的局限性（参见文献： B. Tamadazte, E. Marchand, S. Dembele, N. L. F. Piat. CAD model based tracking and 3D visual-based control for MEMS microassembly. International Journal of Robotics Research, 2010, 29(11): 1416-1434）。

发明内容

为了解决现有技术中对于微零件位姿测量的难点问题，本发明提供一种微零件位姿自动测量方法。

本发明的微零件位姿自动测量方法，其特点是，所述的位姿自动测量方法首先利用显微视觉和标定物标定显微视觉视场光轴中心和激光三角测量仪激光光轴中心的位置关系；然后利用显微视觉检测微零件的平面位置信息，并根据平面位置信息自动引导三角测量仪分别测量微零件特征面上不在同一条直线上的三个点的深度信息，最后通过三个点的空间坐标计算微零件特征面的法向量从而得到微零件的姿态。

本发明的微零件位姿自动测量方法，其特点在于，显微视觉视场光轴中心和激光三角测量仪激光光轴中心位置关系（Δx, Δy）只需标定一次，而且标定物采用圆柱体结构且沿轴线方向设有直径与激光光斑大小相匹配的深孔。

本发明的微零件位姿自动测量方法，其特点在于，显微视觉视场光轴中心与激光三角测量仪激光光轴中心位置关系（Δx, Δy）的标定采用以下步骤:

a、显微视觉对标定物的上表面进行聚焦成像，经过图像处理后得到深孔的图像坐标（u ₀, v ₀），同时记录调整运动平台的位置信息（x _w1, y _w1）；

b、通过运动平台移动激光测量仪使激光光路中心移动至深孔，其中通过判断激光三角测量仪输出的深度值是否发生突变来判断激光光轴中心是否从孔周围落入孔中，并同时记录调整运动平台的位置信息（x _w2, y _w2）；

c、结合深孔的图像坐标（u ₀, v ₀）和运动平台的位置差（x _w2- x _w1,y _w2 –y _w1）得到位置关系（Δx, Δy），其中Δx= x _w2- x _w1- u ₀δ，Δy= y _w2- y _w1- v ₀δ，δ为显微视觉的像素当量。 

本发明的微零件位姿自动测量方法，其特点在于，测量微零件特征面上某一目标点的深度信息采用以下步骤:

a、显微视觉聚焦微零件被测目标点所在的特征平面并得到该目标点的图像位置信息（u _I1-0,v _I1-0）；

b、根据显微视觉视场光轴中心与激光三角测量仪激光光轴中心的位置关系（Δx, Δy），计算使得激光三角测量仪激光光轴中心运动至目标点的引导控制量，即运动平台的x轴和y轴的调整量（Δx _W1, Δy  _W1）

其中，δ为显微视觉的像素当量；

c、根据引导控制量（Δx _W1, Δy  _W1）来调整运动平台的x轴和y轴使激光光轴中心自动移动至被测目标点，从而通过激光三角测量仪得到微零件上被测目标点的深度信息。

本发明提供的微零件位姿自动测量方法，其特点在于，微零件的姿态通过测量微零件某一特征面上不在同一条直线上三个点的空间坐标来确定，其中三个点的深度信息采用如权利要求4所述的步骤进行测量。

本发明提供的微零件位姿自动测量方法，其特点在于，微零件的姿态测量采用以下步骤：

a、选择能够表征微零件姿态的某一特征平面，并利用显微视觉对特征平面聚焦；

b、通过显微视觉测量得到该特征平面上某一基准点的图像位置信息（u _I1-1,v _I1-1），然后计算使得激光三角测量仪的激光光轴中心运动至该平面上不在同一条直线上的三个点P1、P2和P3所需的引导控制量，即平台W1的x轴和y轴的运动控制量（Δx_W1-i, Δy_W1-i）, i=1,2,3。

其中，δ为显微视觉的像素当量，（Δu _I1-i , Δv _I1-i ）为基准点与第Pi个点之间的图像距离，可随意选取，只需保证三个点不在同一条直线即可；

c、根据引导控制量（Δx _W1-i , Δy  _W1-i ）来调整运动平台的x轴和y轴使激光光轴中心分别自动移动至Pi点，从而通过激光三角测量仪得到不在同一条直线上的三个点P1、P2和P3的深度信息z_W1-1 , z_W1-2和z_W1-3；

d、根据该平面上三个点的空间位置坐标（x_W1-i, y_W1-i, z_W1-i）i=1,2,3，计算该平面的法向量 n ：

其中，n _x ，n _y 和n _z 分别为法向量 n 的分量，最终得到微零件的一种姿态表示：

其中φ _x 为法向量 n 在平面o _W1 y _W1 z _W1的投影与轴o _W1 y _W1的夹角，φ _y 为法向量 n 在平面o _W1 x _W1 z _W1的投影与轴o _W1 x _W1的夹角，φ _z 为法向量 n 在平面o _W1 x _W1 y _W1的投影与轴o _W1 x _W1的夹角，其中π/2为偏移量。

本发明的微零件位姿自动测量方法，基于显微视觉自动引导的方式实现了微零件深度信息的自动测量，利用测量微零件某一特点面上不在同一条直线上三个点的空间坐标实现了姿态信息的测量。本发明的测量方法具有简单易行、自动化程度高的特点，能够实现微零件空间位姿的高精度自动测量。随着微装配技术的快速发展，本发明具有较好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的微零件位姿自动测量方法采用的硬件系统示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1是本发明的微零件位姿自动测量方法采用的硬件系统示意图，如图1所示，本发明中的硬件系统包括：显微视觉系统1、激光三角测量仪2、标定物3、微零件4、运动平台5、运动平台6、计算机7、夹持器12，其中：

显微视觉系统1和激光三角测量仪2安装于运动平台5，随着运动平台一起运动。显微视觉系统1的光轴与激光三角测量仪2的激光光路近似平行，显微视觉系统1的光轴中心与激光三角测量仪2的激光光路中心在同一平面上相差（Δx, Δy）。零件4通过夹持器12安装于运动平台6，随着运动平台一起运动。

所述显微视觉系统1通过视觉联接线9连接至计算机7；所述激光三角测量仪2通过数据联接线10连接至计算机7；所述运动平台5通过控制线11连接至计算机7；所述运动平台6通过控制线12连接至计算机7。

本发明的实施例中，显微视觉系统1采用德国AVT公司的PIKE摄像机和远心显微镜头；激光三角测量仪2采用日本KEYENCE公司的LK系列产品；所述运动平台5和运动平台6均具有3个电动平移自由度X，Y和Z，每路电机均由浚河精密电机驱动；计算机7采用研华工控机；标定物3采用内部有中空深孔的圆柱形结构，高度约为2mm，外径约为5mm。微零件4为薄片环形结构，厚度约为30μm，外圆直径约为4.4mm，内圆直径约为2.6mm。 

本发明的微零件位姿自动测量方法工作过程描述如下：首先，按照标定步骤得到显微视觉视场光轴中心与激光三角测量仪激光光轴中心的位置关系（Δx, Δy）=（25.642 mm, -11.726 mm）。 

然后，基于显微视觉引导激光三角测量仪自动测量微零件姿态信息的方法，按照步骤1选择微零件4的上表面作为特点平面，并移动运动平台5使显微视觉系统聚焦；按照步骤2得到微零件4的内圆圆心图像坐标（u _I1-1,v _I1-1）=（1023pix, 1265pix）=（5.313mm，6.569mm），其中显微视觉的像素像素当量δ=5.192μm/pix，同时计算得到使激光三角测量仪的激光光轴中心运动至该平面上不在同一条直线上的三个点P1、P2和P3所需的引导控制量，即平台W1的x轴和y轴的运动控制量（Δx_W1-i, Δy_W1-i）分别为（30.223mm，-6.909mm），（28.469mm，-5.155mm），（30.223mm，-3.404mm），此时运动平台的位置为（25.150mm，-24.508mm）；按照步骤3根据引导控制量来调整运动平台5的x轴和y轴使激光光轴中心分别自动移动至Pi点，从而得到P1、P2和P3的深度信息z_W1-1 , z_W1-2和z_W1-3分别为-29.922mm，-29.922mm，-29.918mm；按照步骤4利用该平面上三个点的空间位置坐标计算该平面的法向量 n 为（0.007，0.007，6.1513），投影姿态角为（89.93o，89.93o，45.00o），以微零件4的P1点的位置来表征其空间位置，则微零件的空间位置和姿态在运动平台的坐标系OXYZ中表示为（55.373mm，-31.417mm，-29.922mm）和（89.93o，89.93o，45.00o）。一系列的自动测量实验表明本发明所提供的测量方法的位置检测精度小于3μm，姿态检测精度小于0.5 o，具有很高的测量精度，达到了微装配应用要求。

本发明采用显微视觉和激光三角测量仪，实现了微零件三维空间位置和姿态的自动测量，测量方法简单易行、自动化程度高、并且能够达到较高的测量精度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微零件位姿自动测量方法，其特征在于：所述的位姿自动测量方法首先利用显微视觉和标定物（3）标定显微视觉视场光轴中心和激光三角测量仪激光光轴中心的位置关系；然后利用显微视觉检测微零件的平面位置信息，并根据平面位置信息自动引导三角测量仪分别测量微零件特征面上不在同一条直线上的三个点的深度信息，最后通过三个点的空间坐标计算微零件特征面的法向量从而得到微零件的姿态。

2.根据权利要求1所述的位姿自动测量方法，其特征在于，所述显微视觉视场光轴中心和激光三角测量仪激光光轴中心位置关系（Δx, Δy）只需标定一次，而且标定物（3）采用圆柱体结构且沿轴线方向设有直径与激光光斑大小相匹配的深孔。

3.根据权利要求1所述的位姿自动测量方法，其特征在于，显微视觉视场光轴中心与激光三角测量仪激光光轴中心位置关系（Δx, Δy）的标定采用以下步骤:

a、显微视觉对标定物（3）的上表面进行聚焦成像，经过图像处理后得到深孔的图像坐标（u ₀, v ₀），同时记录调整运动平台（5）的位置信息（x _w1, y _w1）；

b、通过运动平台（5）移动激光测量仪使激光光路中心移动至深孔，其中通过判断激光三角测量仪输出的深度值是否发生突变来判断激光光轴中心是否从孔周围落入孔中，并同时记录调整运动平台（5）的位置信息（x _w2, y _w2）；

c、结合深孔的图像坐标（u ₀, v ₀）和运动平台（5）的位置差（x _w2- x _w1,y _w2 –y _w1）得到位置关系（Δx, Δy），其中Δx= x _w2- x _w1- u ₀δ，Δy= y _w2- y _w1- v ₀δ，δ为显微视觉的像素当量。

4.根据权利要求1所述的位姿自动测量方法，其特征在于，测量微零件特征面上某一目标点的深度信息采用以下步骤:

a、显微视觉聚焦微零件被测目标点所在的特征平面并得到该目标点的图像位置信息（u _I1-0,v _I1-0）；

b、根据显微视觉视场光轴中心与激光三角测量仪激光光轴中心的位置关系（Δx, Δy），计算使得激光三角测量仪激光光轴中心运动至目标点的引导控制量，即运动平台（5）的x轴和y轴的调整量（Δx _W1, Δy  _W1）

其中，δ为显微视觉的像素当量；

c、根据引导控制量（Δx _W1, Δy  _W1）来调整运动平台（5）的x轴和y轴使激光光轴中心自动移动至被测目标点，从而通过激光三角测量仪得到微零件上被测目标点的深度信息。

5.根据权利要求1所述的位姿自动测量方法，其特征在于，微零件的姿态通过测量微零件某一特征面上不在同一条直线上三个点的空间坐标来确定，其中三个点的深度信息采用如权利要求4所述的步骤进行测量。

6.根据权利要求1所述的位姿自动测量方法，其特征在于，微零件的姿态测量采用以下步骤：

a、选择能够表征微零件姿态的某一特征平面，并利用显微视觉对特征平面聚焦；

b、通过显微视觉测量得到该特征平面上某一基准点的图像位置信息（u _I1-1,v _I1-1），然后计算使得激光三角测量仪的激光光轴中心运动至该平面上不在同一条直线上的三个点P1、P2和P3所需的引导控制量，即平台W1的x轴和y轴的运动控制量（Δx_W1-i, Δy_W1-i）, i=1,2,3

其中，δ为显微视觉的像素当量，（Δu _I1-i , Δv _I1-i ）为基准点与第Pi个点之间的图像距离，可随意选取，只需保证三个点不在同一条直线；

c、根据引导控制量（Δx _W1-i , Δy  _W1-i ）来调整运动平台（5）的x轴和y轴使激光光轴中心分别自动移动至Pi点，从而通过激光三角测量仪得到不在同一条直线上的三个点P1、P2和P3的深度信息z_W1-1 , z_W1-2和z_W1-3；

d、根据该平面上三个点的空间位置坐标（x_W1-i, y_W1-i, z_W1-i）i=1,2,3，计算该平面的法向量 n ：

其中，n _x ，n _y 和n _z 分别为法向量 n 的分量，最终得到微零件的一种姿态表示：

其中φ _x 为法向量 n 在平面o _W1 y _W1 z _W1的投影与轴o _W1 y _W1的夹角，φ _y 为法向量 n 在平面o _W1 x _W1 z _W1的投影与轴o _W1 x _W1的夹角，φ _z 为法向量 n 在平面o _W1 x _W1 y _W1的投影与轴o _W1 x _W1的夹角，其中π/2为偏移量。

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