CN107782244A - 一种基于视觉的六自由度小位移检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉的六自由度小位移检测方法，在被检测对象的上表面设置一矩形视觉标靶，并在被检测对象的上表面设置一准直光光源1在光接收器1上形成光斑1，并对矩形视觉标靶成像，根据矩形视觉标靶图像的平移得到被测对象发生的平移Tx和Ty，根据矩形视觉标靶图像的转动得到被测对象发生的旋转位移Rz；由光斑1发生的位移得到被测对象的转动位移Rx和Ry；在被检测对象上表面偏离视觉标靶的位置设置一平面反射镜，并在被检测对象上方设置准直光光源2发出的准直光经反射面反射后由光接收器2的敏感面接收，由光斑2发生的位移ΔYs得到被测对象的平动位移Tz。本发明的有益效果是对六自由度位移检测精度高。

Description

一种基于视觉的六自由度小位移检测方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种基于视觉的六自由度小位移检测方法。

背景技术

目前六自由度位移的测量方法遍及超声波技术、红外技术、电磁技术以及光学技术等。从检测系统的基本结构形式上可分为接触式测量和非接触式测量两类。接触式测量可采用三维坐标测量机和多关节随动测量系统进行静态精度检测，但由于在测量过程中将不可避免地发生测量接触力，因此不适合于高精度精密测量要求，也不适合被测物不可触碰的场合；非接触式测量则无测量接触力的存在，因此具有更大的灵活性，并同时适用于机构位姿的静态和动态性能的检测。目前针对多自由度机构的位姿检测方法的研究主要集中于：基于激光检测的方法、基于位移传感器的检测方法以及最为热门的基于视觉的检测方法。基于激光跟踪仪的多自由度位姿检测方法较为直接，即直接检测被测多自由度机构动平台上若干点(不少于3个非共线的点)的空间三维坐标，从而解算动平台的位姿。这种基于激光测量的方法具有高精度、高效率和大测量空间的优点，但是仪器昂贵(百万元量级)，在实际应用中受到限制。采用精密位移检测传感器件进行合理构建检测系统，也是常用的多自由度机构位姿直接检测方法。基于计算机视觉的多自由度机构位姿非接触测量技术是近二十年来的研究热点，主要可分为结构光学法、双目立体视觉法和基于单目(单相机)的视觉检测法。基于单目、双目和结构光的非接触视觉位姿检测方法的精度尚远不能满足多自由度精密位移检测精度的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于视觉的六自由度小位移检测方法，按照以下步骤进行：

步骤1：首先对被测对象定义三维坐标系OXYZ，原点O和坐标轴X、Y在被测面上，按右手定则，坐标轴X、Y、Z两两相互垂直；定义沿3根坐标轴方向的3个平移自由度上的位移为Tx、Ty和Tz；定义绕3根坐标轴按右手定则转动的3个转动自由度上的转动位移为Rx、Ry和Rz；

步骤2：在被检测对象的上表面设置一矩形视觉标靶，并在被检测对象的上表面中心或中心区域设置一准直光光源1，并平行于Z轴出射，在距被检测对象L处设置光接收器1，准直光光源1在其上形成光斑1，并对矩形视觉标靶成像，根据矩形视觉标靶图像的平移dx和dy得到被测对象发生的平移Tx和Ty，根据矩形视觉标靶图像的转动，得到被测对象发生的旋转位移Rz；

步骤3：建立光接收器1的坐标系Os1Xs1Ys1Zs1与OXYZ坐标系平行，并将Xs1Ys1平面设置在光接收器1敏感面内，当被测对象发生了转动位移Rx和Ry时，准直光光源1在光接收器1敏感面上形成的光斑1将由初始位置移动到新的位置，记光斑1位移向量为(Δx，Δy)，则在转动位移Rx和Ry为小量的条件下，有：

Rx＝Δy/L

Ry＝-Δx/L

反过来，由光斑1在光接收器1敏感面上发生的位移可得到被测对象的转动位移Rx和Ry；

步骤4：求检测被测对象沿Z向的平动位移Tz；

在被检测对象上表面偏离视觉标靶的位置设置一平面反射镜，并在被检测对象上表面的平行于YZ平面且过平面反射镜的平面内，设置一准直光光源2和光接收器2，使准直光光源2发出的准直光经反射面反射后由光接收器2的敏感面接收；记准直光光源2发出的准直光入射角为θ；记光接收器2到反射镜距离为W；建立光接收器2的坐标系Os2Xs2Ys2Zs2，将Xs2Ys2平面设置在光接收器2敏感面内，使Xs2轴与X轴平行，并使Ys2Zs2平面与YZ平面平行，Ys2和Zs2一同顺时针转θ角，当被测对象发生Z向平移Tz时，平面反射镜也向右发生位移Tz，则准直光光源2发出的准直光在光接收器2的敏感面的光斑2将沿Ys2轴发生位移ΔYs，Tz与ΔYs之间的关系如下：

Tz＝ΔYs/(2sinθ)

反过来，由光斑2在光接收器2敏感面上发生的位移ΔYs可得到被测对象的平动位移Tz。

进一步，步骤4中准直光光源2和光接收器2相对于Z轴对称设置。

进一步，步骤3中，因Tx和Ty而发生的dx和dy将直接叠加耦合在光斑1的位移Δx和Δy上，所以按下式计算Rx和Ry：

Rx＝(Δy-dy)/L

Ry＝-(Δx-dx)/L

进一步，步骤4中Rx将引起光斑2沿Ys2轴的附加位移2W*Rx，因此，Tz按下式计算：

Tz＝(ΔYs-2W*Rx)/(2sinθ)。

本发明的有益效果是对六自由度位移检测精度高。

附图说明

图1是被测对象物体示意及坐标系定义示意图；

图2是被测对象上表面中心处设置有靶标和准直光源1的示意图；

图3是被测对象上表面中心处准直光源1与光接收器1的关系示意图；

图4是光接收器1敏感面及光班1位移示意图；

图5是被测对象与准直光光源2及光接收器2位置关系示意图；

图6是光接收器2敏感面及光班2位移示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

以一圆盘作为被检测对象示意，在其上表面中心如图1定义坐标系OXYZ，其中，XY面在被测对象上表面内，Z为被测对象圆盘的上表面的法线方向，则，记沿3根坐标轴方向的3个平移自由度上的位移为Tx、Ty和Tz；记绕3根坐标轴按右手定则转动的3个转动自由度上的转动位移为Rx、Ry和Rz。下面具体介绍本发明提出的对这六个自由度小位移进行检测的方法。

第一步：首先，参见图2和图3，在被检测对象的上表面设置一矩形视觉标靶，并在被检测对象的上表面中心或中心区域设置一准直光光源1，并使之沿被测对象法线，即平行于Z轴，出射。在距被检测对象L处设置光接收器1，则准直光光源1在其上形成光斑1，并对矩形视觉标靶成像。这样，根据矩形视觉标靶图像的平移--记为dx和dy--可以得到被测对象发生的平移Tx和Ty，而根据矩形视觉标靶图像的转动，则可以得到被测对象发生的旋转位移Rz。

然后，第二步，参见图4，建立光接收器1的坐标系Os1Xs1Ys1Zs1与OXYZ坐标系平行，正方向一致，并将Xs1Ys1平面设置在光接收器1敏感面内。当被测对象发生了转动位移Rx和Ry时，准直光光源1在光接收器1敏感面上形成的光斑1将由初始位置移动到新的位置。记光斑1位移向量为(Δx，Δy),则，在转动位移Rx和Ry为小量的条件下，有：

Rx＝Δy/L

Ry＝-Δx/L

即，反过来，可由光斑1在光接收器1敏感面上发生的位移得到被测对象的转动位移Rx和Ry。

最后，第三步，检测被测对象沿Z向的平动位移Tz。参见图5，在被检测对象上表面偏离上述视觉标靶的位置设置一平面反射镜，并在被检测对象上表面(图中该面法线向右)的垂直面内，如图中所示的在平行于YZ平面并过反射镜的平面内，设置一准直光光源2和光接收器2，使二者关于被检测对象的法线，图中Z轴，对称设置，使准直光光源2发出的准直光经反射面反射后由光接收器2的敏感面接收。记准直光光源2发出的准直光入射角为θ；记光接收器2到反射镜距离为W。参见图6，建立光接收器2的坐标系Os2Xs2Ys2Zs2，将Xs2Ys2平面设置在光接收器2敏感面内，使Xs2轴与X轴平行，正方向一致，并使Ys2Zs2平面与YZ平面平行，Ys2和Zs2的正方向一同顺时针转θ角。这样，当被测对象发生Z向平移Tz时，平面反射镜也向右发生位移Tz，则准直光光源2发出的准直光在光接收器2的敏感面的光斑2将沿Ys2轴发生位移ΔYs。Tz与ΔYs之间的关系如下：

Tz＝ΔYs/(2sinθ)

即，反过来，可由光斑2在光接收器2敏感面上发生的位移ΔYs得到被测对象的平动位移Tz。

这样，由上述步骤可检测出被测对象全部6个自由度上的小位移量。

更精确的，在第二步检测Rx和Ry中，第一步中的因Tx和Ty而发生的dx和dy将直接叠加耦合在光斑1的位移Δx和Δy上，所以应按下式计算Rx和Ry：

Rx＝(Δy-dy)/L

Ry＝-(Δx-dx)/L

更精确的，在第三步检测Tz中，因Tx和Ty只是引起平面反射镜的平移，不影响准直光2的反射和光接收器2对之的接收，因此Tx和Ty对Tz的检测无影响；同理，Rz只是引起平面反射镜的旋转，也不影响Tz的检测。Ry只引起光斑2沿Xs2轴的平移，对沿Ys2轴的位移量ΔYs无影响，因此，Ry也不影响Tz的检测；而Rx将引起光斑2沿Ys2轴的附加位移2W*Rx，因此，Tz应按下式计算：

Tz＝(ΔYs-2W*Rx)/(2sinθ)

本发明的优点还在于采用的器件具有简单、耐用、价廉等优点，且可实现远距离非接触六自由度小位移的高精度测量。本发明逐步检测六个自由度上的位移，以突破现有六自由度位置检测技术的局限，适用于非接触、小位移测量范围的要求，具有检测精度高，测量距离远等优点。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种基于视觉的六自由度小位移检测方法，其特征在于按照以下步骤进行：

步骤1：首先对被测对象定义三维坐标系OXYZ，原点O和坐标轴X、Y在被测面上，按右手定则，坐标轴X、Y、Z两两相互垂直；定义沿3根坐标轴方向的3个平移自由度上的位移为Tx、Ty和Tz；定义绕3根坐标轴按右手定则转动的3个转动自由度上的转动位移为Rx、Ry和Rz；

步骤2：在被检测对象的上表面设置一矩形视觉标靶，并在被检测对象的上表面中心或中心区域设置一准直光光源1，并平行于Z轴出射，在距被检测对象L处设置光接收器1，准直光光源1在其上形成光斑1，并对矩形视觉标靶成像，根据矩形视觉标靶图像的平移dx和dy得到被测对象发生的平移Tx和Ty，根据矩形视觉标靶图像的转动，得到被测对象发生的旋转位移Rz；

步骤3：建立光接收器1的坐标系Os1Xs1Ys1Zs1与OXYZ坐标系平行，并将Xs1Ys1平面设置在光接收器1敏感面内，当被测对象发生了转动位移Rx和Ry时，准直光光源1在光接收器1敏感面上形成的光斑1将由初始位置移动到新的位置，记光斑1位移向量为(Δx，Δy)，则在转动位移Rx和Ry为小量的条件下，有：

Rx＝Δy/L

Ry＝-Δx/L

反过来，由光斑1在光接收器1敏感面上发生的位移得到被测对象的转动位移Rx和Ry；

步骤4：求检测被测对象沿Z向的平动位移Tz；

在被检测对象上表面偏离视觉标靶的位置设置一平面反射镜，并在被检测对象上表面的平行于YZ平面并过平面反射镜的平面内，设置一准直光光源2和光接收器2，使准直光光源2发出的准直光经反射面反射后由光接收器2的敏感面接收，记准直光光源2发出的准直光入射角为θ；记光接收器2到反射镜距离为W，建立光接收器2的坐标系Os2Xs2Ys2Zs2，将Xs2Ys2平面设置在光接收器2敏感面内，使Xs2轴与X轴平行，并使Ys2Zs2平面与YZ平面平行，Ys2和Zs2一同顺时针转θ角，当被测对象发生Z向平移Tz时，平面反射镜也向右发生位移Tz，则准直光光源2发出的准直光在光接收器2的敏感面的光斑2将沿Ys2轴发生位移ΔYs，Tz与ΔYs之间的关系如下：

Tz＝ΔYs/(2sinθ)

反过来，由光斑2在光接收器2敏感面上发生的位移ΔYs得到被测对象的平动位移Tz。

2.按照权利要求1所述一种基于视觉的六自由度小位移检测方法，其特征在于：所述步骤4中准直光光源2和光接收器2相对于Z轴对称设置。

3.按照权利要求1所述一种基于视觉的六自由度小位移检测方法，其特征在于：所述步骤3中，因Tx和Ty而发生的dx和dy将直接叠加耦合在光斑1的位移Δx和Δy上，所以按下式计算Rx和Ry：

Rx＝(Δy-dy)/L

Ry＝-(Δx-dx)/L 。

4.按照权利要求1所述一种基于视觉的六自由度小位移检测方法，其特征在于：所述步骤4中Rx将引起光斑2沿Ys2轴的附加位移2W*Rx，因此，Tz按下式计算：

Tz＝(ΔYs-2W*Rx)/(2sinθ)。