CN106767401A - 一种基于十字激光和机器视觉的轴孔类零件定姿定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了自动化领域的一种基于十字激光和机器视觉的轴孔类零件定姿定位方法，具体包括如下检测步骤：a)轮廓特征点检测：采用十字线结构光，一次性获得空间圆上的四个点；b)零件端面法相矢量检测：根据四个点计算空间圆的法向矢量；c)空间圆圆心和半径检测：根据法向矢量，建立空间圆的局部坐标系，在此局部坐标系中对空间圆轮廓进行降维处理，并采用非线性递归算法，获得空间圆在局部坐标系中的圆心和半径参数；d)机器人坐标系下的位置和姿态检测：将空间圆的法向矢量、圆心位置转换到机器人坐标系中，获得机器人坐标系下的空间圆的位置、姿态和半径。本发明方便机器人实时调整卡具、规划路径，实现快速、精准地搬运和安装。

Description

一种基于十字激光和机器视觉的轴孔类零件定姿定位方法

技术领域

本发明涉及自动化领域，特别涉及一种基于十字激光和机器视觉的轴孔类零件定姿定位方法。

背景技术

近年来，随着现代工业的发展，人们出于提高生产效率，稳定和提高产品质量，改善工人劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化；但是，现有技术中，机器人在搬运、安装工程中，往往因为无法快速定位轴孔类零件的位置和姿态，因此无法确定被抓取零件的位置和被安装处的位置和姿态，使得机器人无法实时调整卡具、规划路径，导致机器人不能精准地搬运和安装，工作效率低。

发明内容

本发明的目的是提供方便机器人实时调整卡具、规划路径，实现快速、精准地搬运和安装的一种基于十字激光和机器视觉的轴孔类零件定姿定位方法。

本发明的目的是这样实现的：一种基于十字激光和机器视觉的轴孔类零件定姿定位方法，包括激光器、相机、轴孔类零件；所述激光器发出十字激光，形成两个相交的激光光平面照射到轴孔类零件端面上；

所述轴孔类零件分为轴类零件、孔类零件，所述轴孔类零件的端面为一个空间圆，中心为C，方向矢量为V；其中两个相交的激光光平面分别包括第一光平面、第二光平面，所述第一光平面切割端面形成两个特征断点和，所述第二光平面切割端面形成两个特征断点和，分别通过相机成像；

所述的定位定姿方法具体包括如下检测步骤：

a)轮廓特征点检测：采用十字线结构光，一次性获得空间圆上的四个点；

b)零件端面法相矢量检测：根据四个点计算空间圆的法向矢量；

c)空间圆圆心和半径检测：根据法向矢量，建立空间圆的局部坐标系，在此局部坐标系中对空间圆轮廓进行降维处理，并采用非线性递归算法，获得空间圆在局部坐标系中的圆心和半径参数；

d)机器人坐标系下的位置和姿态检测：将空间圆的法向矢量、圆心位置转换到机器人坐标系中，获得机器人坐标系下的空间圆的位置、姿态和半径。从而实现轴孔类零件的定位和定姿。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过机器视觉方式，不仅可以通过一次检测实现轴孔类零件的定位和定姿，还可以实现其基本尺寸的测量；由于激光器发出十字激光，形成两个相交的激光光平面照射到轴类零件的端面上，第一光平面切割端面形成两个特征断点 和，第二光平面切割端面形成两个特征断点和，分别通过相机成像，方便机器人实时调整卡具、规划路径，实现快速、精准地搬运和安装。

作为本发明的改进，所述的a)步骤对轮廓特征点检测的具体流程如下：

以相机坐标系为为基准坐标系，假定两个光平面的法向矢量分别为距离原点的距离分别为。

第一光平面的参数方程为：

第二光平面的参数方程为：

假定镜头焦距为，像素单元尺寸为 ，图像中心为，对四个特征点对应的图像测量值分别为：

，，，。

则的三维坐标可通过如下的方程组获得：

的三维坐标可通过如下的方程组获得：

的三维坐标可通过如下的方程组获得：

的三维坐标可通过如下的方程组获得：

。

作为本发明的进一步改进，所述的b)步骤对零件端面法相矢量检测的具体流程如下：

第一光平面和轴孔类零件端面相交得到的直线的单位方向矢量为：

第二光平面和轴孔类零件端面相交得到的直线的单位方向矢量为：

零件端面的法向矢量为

。

作为本发明的进一步改进，所述的c)步骤对空间圆圆心和半径检测的具体流程如下：

建立零件端面坐标系K，其坐标原点为相机坐标原点，其三个坐标轴的方向分别为

将其归一化处理后可得K坐标系的转换矩阵：

其中是的归一化单位矢量。

在该坐标系下，轴孔类零件的轮廓为一个平面圆，可以采用降维处理的方式对其位置和尺寸参数进行检测。

将测量得到三维数据转换到K坐标系：

在该坐标系下，轴孔类零件的端面轮廓为圆心为 半径为r的圆，其法向矢量为

满足如下关系

定义目标函数为

求解参数为。

可设定初值为

对（1.14）进行最小二乘非线性参数回归，可得，可通过如下公式求解：

至此可以获得端面轮廓曲线参数，圆心位置为可通过如下公式转换到相机坐标系中：

其中为的转置矩阵。

作为本发明的进一步改进，所述的d)步骤中获取机器人坐标系下位置和姿态的具体流程如下：

若已知传感器相对机器人的姿态矩阵为，位置偏移为，则可以通过如下公式获得机器人坐标系下的位置数据和姿态数据；

至此，可获得机器人坐标系下的圆心位置和法相矢量。

附图说明

图1为本发明轴类零件的检测示意图。

图2为本发明孔类零件的检测示意图。

其中，1激光器，2相机，3轴类零件，4孔类零件，5第一光平面，6第二光平面。

具体实施方式

如图1-2所示，一种基于十字激光和机器视觉的轴孔类零件定姿定位方法，包括激光器1、相机2、轴孔类零件；激光器1发出十字激光，形成两个相交的激光光平面照射到轴孔类零件端面上；

轴孔类零件分为轴类零件3、孔类零件4，轴孔类零件的端面为一个空间圆，中心为C，方向矢量为V；其中两个相交的激光光平面分别包括第一光平面5、第二光平面6，第一光平面5切割端面形成两个特征断点 和，第二光平面6切割端面形成两个特征断点和，分别通过相机2成像；

定位定姿方法具体包括如下检测步骤：

a)轮廓特征点检测：采用十字线结构光，一次性获得空间圆上的四个点；

b)零件端面法相矢量检测：根据四个点计算空间圆的法向矢量；

c)空间圆圆心和半径检测：根据法向矢量，建立空间圆的局部坐标系，在此局部坐标系中对空间圆轮廓进行降维处理，并采用非线性递归算法，获得空间圆在局部坐标系中的圆心和半径参数；

d)机器人坐标系下的位置和姿态检测：将空间圆的法向矢量、圆心位置转换到机器人坐标系中，获得机器人坐标系下的空间圆的位置、姿态和半径。从而实现轴孔类零件的定位和定姿。

上述的a)步骤对轮廓特征点检测的具体流程如下：

以相机坐标系为为基准坐标系，假定两个光平面的法向矢量分别为距离原点的距离分别为。

第一光平面5的参数方程为：

第二光平面6的参数方程为：

假定镜头焦距为，像素单元尺寸为 ，图像中心为，对四个特征点对应的图像测量值分别为：

，，，。

则的三维坐标可通过如下的方程组获得：

的三维坐标可通过如下的方程组获得：

的三维坐标可通过如下的方程组获得：

的三维坐标可通过如下的方程组获得：

。

上述的b)步骤对零件端面法相矢量检测的具体流程如下：

第一光平面5和轴孔类零件端面相交得到的直线的单位方向矢量为：

第二光平面6和轴孔类零件端面相交得到的直线的单位方向矢量为：

零件端面的法向矢量为

。

上述的c)步骤对空间圆圆心和半径检测的具体流程如下：

建立零件端面坐标系K，其坐标原点为相机坐标原点，其三个坐标轴的方向分别为

将其归一化处理后可得K坐标系的转换矩阵：

其中是的归一化单位矢量。

在该坐标系下，轴孔类零件的轮廓为一个平面圆，可以采用降维处理的方式对其位置和尺寸参数进行检测。

将测量得到三维数据转换到K坐标系：

在该坐标系下，轴孔类零件的端面轮廓为圆心为 半径为r的圆，其法向矢量为

满足如下关系

定义目标函数为

求解参数为。

可设定初值为

对（1.14）进行最小二乘非线性参数回归，可得，可通过如下公式求解：

至此可以获得端面轮廓曲线参数，圆心位置为可通过如下公式转换到相机坐标系中：

其中为的转置矩阵。

上述的d)步骤中获取机器人坐标系下位置和姿态的具体流程如下：

若已知传感器相对机器人的姿态矩阵为，位置偏移为，则可以通过如下公式获得机器人坐标系下的位置数据和姿态数据；

至此，可获得机器人坐标系下的圆心位置和法相矢量。

图1示出了一种基于十字激光和机器视觉的轴孔类零件定姿定位方法的轴类零件检测示意图。

图2示出了一种基于十字激光和机器视觉的轴孔类零件定姿定位方法的孔类零件检测示意图。

本发明的工作原理阐述如下，由激光器1发出十字激光，形成两个相交的激光光平面（第一光平面5和第二光平面6）照射到轴孔类零件的端面上（该端面为一个空间圆，中心为C，方向矢量为V），第一光平面5切割端面形成两个特征断点 和，第二光平面6切割端面形成两个特征断点和，分别通过相机2成像。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于十字激光和机器视觉的轴孔类零件定姿定位方法，其特征在于：包括激光器（1）、相机（2）、轴孔类零件；所述激光器（1）发出十字激光，形成两个相交的激光光平面照射到轴孔类零件端面上；

所述轴孔类零件分为轴类零件（3）、孔类零件（4），所述轴孔类零件的端面为一个空间圆，中心为C，方向矢量为V；其中两个相交的激光光平面分别包括第一光平面（5）、第二光平面（6），所述第一光平面（5）切割端面形成两个特征断点和，所述第二光平面（6）切割端面形成两个特征断点和，分别通过相机（2）成像；

所述的定位定姿方法具体包括如下检测步骤：

a)轮廓特征点检测：采用十字线结构光，一次性获得空间圆上的四个点；

b)零件端面法相矢量检测：根据四个点计算空间圆的法向矢量；

c)空间圆圆心和半径检测：根据法向矢量，建立空间圆的局部坐标系，在此局部坐标系中对空间圆轮廓进行降维处理，并采用非线性递归算法，获得空间圆在局部坐标系中的圆心和半径参数；

d）机器人坐标系下的位置和姿态检测：将空间圆的法向矢量、圆心位置转换到机器人坐标系中，获得机器人坐标系下的空间圆的位置、姿态和半径；从而实现轴孔类零件的定位和定姿。

2.根据权利要求1所述的一种基于十字激光和机器视觉的轴孔类零件定姿定位方法，其特征在于，所述的a)步骤对轮廓特征点检测的具体流程如下：

以相机坐标系为为基准坐标系，假定两个光平面的法向矢量分别为距离原点的距离分别为；

第一光平面（5）的参数方程为：

第二光平面（6）的参数方程为：

假定镜头焦距为，像素单元尺寸为 ，图像中心为，对四个特征点对应的图像测量值分别为：

，，，；

则的三维坐标可通过如下的方程组获得：

的三维坐标可通过如下的方程组获得：

的三维坐标可通过如下的方程组获得：

的三维坐标可通过如下的方程组获得：

。

3.根据权利要求1所述的一种基于十字激光和机器视觉的轴孔类零件定姿定位方法，其特征在于，所述的b)步骤对零件端面法相矢量检测的具体流程如下：

第一光平面（5）和轴孔类零件端面相交得到的直线的单位方向矢量为：

第二光平面（6）和轴孔类零件端面相交得到的直线的单位方向矢量为：

零件端面的法向矢量为

。

4.根据权利要求1所述的一种基于十字激光和机器视觉的轴孔类零件定姿定位方法，其特征在于，所述的c)步骤对空间圆圆心和半径检测的具体流程如下：

建立零件端面坐标系K，其坐标原点为相机坐标原点，其三个坐标轴的方向分别为

将其归一化处理后可得K坐标系的转换矩阵：

其中是的归一化单位矢量；

在该坐标系下，轴孔类零件的轮廓为一个平面圆，可以采用降维处理的方式对其位置和尺寸参数进行检测；

将测量得到三维数据转换到K坐标系：

在该坐标系下，轴孔类零件的端面轮廓为圆心为 半径为r的圆，其法向矢量为

满足如下关系

定义目标函数为

求解参数为；

可设定初值为

对（1.14）进行最小二乘非线性参数回归，可得，可通过如下公式求解：

至此可以获得端面轮廓曲线参数，圆心位置为可通过如下公式转换到相机坐标系中：

其中为的转置矩阵。

5.根据权利要求1所述的一种基于十字激光和机器视觉的轴孔类零件定姿定位方法，其特征在于，所述的d)步骤中获取机器人坐标系下位置和姿态的具体流程如下：

若已知传感器相对机器人的姿态矩阵为，位置偏移为，则可以通过如下公式获得机器人坐标系下的位置数据和姿态数据；

至此，可获得机器人坐标系下的圆心位置和法相矢量。