CN109158871A - 一种非向心多孔轴精密视觉连续对准系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非向心多孔轴精密视觉连续对准系统及其方法，系统包括底座；偏转轴，该偏转轴搭建在底座上；Y方向电控平移轴，该Y方向电控平移轴安装在偏转轴上，其运动方向与偏转轴平行；X方向电控平移轴，该X方向电控平移轴安装在Y方向电控平移轴上，并与Y方向电控平移轴的运动方向垂直；电控旋转轴，该电控旋转轴安装在X方向电控平移轴，其轴线与X方向电控平移轴的运动方向平行；待装配立体部件，该待装配立体部件固定在电控旋转轴上；垂直方向电控平移轴，该垂直方向电控平移轴安装在底座；视觉系统，该视觉系统安装在垂直方向电控平移轴上。与现有技术相比，本发明具有适用于对复杂形状部件上非向心多孔轴连续对准装配任务等优点。

Description

一种非向心多孔轴精密视觉连续对准系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种自动装配领域的自动对准系统及方法，尤其是涉及一种使用五自由度机构的复杂形状部件上非向心多孔轴精密视觉连续对准系统及其方法。

背景技术

孔轴对准装配任务是最为广泛的一种对准装配任务，其对准装配过程一般可以分成两个步骤：第一个步骤是对准装配系统需要判断孔和轴的相对位置，通过机械运动使孔与轴在一条直线上进行对准，如采用激光对中仪实现旋转传动轴的对准，或用视觉系统沿装配孔的轴线方向进行对准，在这些对准方法中，利用视觉系统的对准方法可以在非接触的情况下检测对准过程中的二维位置偏差，因此应用十分普遍。然而这种传统的视觉系统对准方法存在一个明显的缺点和不足：当所需对准的部件形状复杂，装配孔的轴线与视觉系统的轴线不平行时，视觉系统的检测效果会受到很大的影响，有些情况下甚至不能正常检测装配孔的位置。这一缺陷很大程度影响了视觉系统在对复杂形状立体部件上孔轴对准装配过程中的使用，同时也限制了所述孔轴对准装配过程的自动化。

目前，国内外推出的能够实现对复杂形状立体部件上装配孔进行对准的方式有以下几种：

第一种是通过边缘接触力的检测，引导相互接触的复杂形状立体部件上孔和轴之间的对准。但这种方法需要部件相互接触并且是在一个平面上进行检测，不适用于在三维空间内从孔到孔的定位。

第二种是通过相机透视原理结合部件几何特征，对斜面上多个平行分布的装配孔的位置进行了三维空间上的定位。但这种依靠透视原理进行位置分析的方法，其注重对部件整体的观察，不能对部件上单个孔进行观察和角度判断，进行对准。

第三种是采用平面二维精密机械系统与视觉系统相结合，通过沿装配孔边缘移动视觉系统的方式进行多次图像采集，完成检测与对准。这一系统能对平面上的轮廓特征进行检测和对准，但不能对立体部件上的孔进行对准和测量。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种非向心多孔轴精密视觉连续对准系统及其方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种非向心多孔轴精密视觉连续对准系统，包括

底座；

偏转轴，该偏转轴搭建在底座上；

Y方向电控平移轴，该Y方向电控平移轴安装在偏转轴上，其运动方向与偏转轴平行；

X方向电控平移轴，该X方向电控平移轴安装在Y方向电控平移轴上，并与Y方向电控平移轴的运动方向垂直；

电控旋转轴，该电控旋转轴安装在X方向电控平移轴，其轴线与X方向电控平移轴的运动方向平行；

待装配立体部件，该待装配立体部件固定在电控旋转轴上；

垂直方向电控平移轴，该垂直方向电控平移轴安装在底座，与偏转轴、Y方向电控平移轴、X方向电控平移轴和电控旋转轴组成五轴运动控制平台；

视觉系统，该视觉系统安装在垂直方向电控平移轴上。

优选地，所述的偏转轴为电控连续角度可调的偏转轴或者手动分档调节并锁紧的偏转轴。

优选地，所述的电控旋转轴为可绕轴进行360度旋转并具有自锁功能的旋转轴。

优选地，所述的视觉系统为单目视觉系统，包括CCD摄像机、镜头和光源。

优选地，所述的镜头为远心镜头。

优选地，所述的光源的照明方式为同轴光照明或反射光照明。

一种所述的非向心多孔轴精密视觉连续对准系统的方法，包括以下步骤：

第一步是采用五轴运动控制平台对装配孔的位置与姿态进行调整，具体为通过对复杂形状上装配孔几何信息的提取与初始状态的建立，按照机器人学计算各个运动部件的运动参数，进而基于运动参数来控制运动部件，将待装配孔或部分定位于视觉系统的视场以内，进行粗对准；

第二步是采用视觉系统对装配孔的成像和位置修正，具体为采用视觉系统(8)采集待装配孔边缘图像并进行计算，获得各个运动部件的运动参数的修正值，同样再基于运动参数的修正值来控制运动部件，实现精对准。

与现有技术相比，本发明针对现有对准方法不适用于复杂形状部件非向心多孔轴连续对准的问题，提出一种使用五自由度机构的复杂形状部件上非向心多孔轴精密视觉连续对准系统及其方法，针对第三种依靠视觉的对准系统存在的不足和缺陷进行改进，解决了现有技术依赖多目视觉，采用复杂机械臂调整观察角度和采用图像处理算法识别三维部件的困扰，可适用于对复杂形状部件上非向心多孔轴连续对准装配任务。

附图说明

图1为本发明使用五自由度机构的复杂形状部件上非向心多孔轴精密视觉连续对准系统实施例示意图；

图2为本发明实施例视觉系统结构示意图；

图3为本发明实施例待装配立体部件的端面图与相应坐标系示意图；

图4为本发明实施例截面坐标系与装配孔坐标系示意图；

图5为本发明实施例对准系统中的坐标系和连杆示意图；

图6为本发明实施例带装配孔端部图像与精对准运动参数修正值计算方法示意图，其中(a)为精对准后孔端部图像，(b)为(a)通过图像处理后得到的图像，(c)为粗对准后孔端部图像，(d)为(c)通过图像处理后得到的图像；

图7为本发明待装配立体部件的结构示意图；

图8为本发明待装配立体部件的平面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

图1是本发明使用五自由度机构的复杂形状部件上非向心多孔轴精密视觉连续对准系统。包括底座E1，偏转轴E2，Y方向电控平移轴E3，X方向电控平移轴E4，待装配立体部件E5，电控旋转轴E6，垂直方向电控平移轴E7，视觉系统E8。其中，在底座E1上搭建偏转轴E2，在偏转轴E2上安装Y方向电控平移轴E3，Y方向电控平移轴E3的运动方向与偏转轴E2平行。在Y方向电控平移轴E3上搭建X方向电控平移轴E4，X方向电控平移轴E4与Y方向电控平移轴E3的运动方向垂直。在X方向电控平移轴E4上搭建电控旋转轴E6，电控旋转轴E6的轴线与X方向电控平移轴E4的运动方向平行。在电控旋转轴E6上固定待装配立体部件E5。另外在底座E1上搭建垂直方向电控平移轴E7从而组成五轴运动控制平台即五自由度机构，最后在垂直方向电控平移轴E7上搭建视觉系统E8。

待装配立体部件E5是一个有圆柱形特征的立体部件，其表面上的装配孔分布如图7所示。孔的总数为24个，其中部分孔分布在圆柱体外表面上，如装配孔a，b，c，另一些在凹槽中，如d。大部分的装配孔的轴线都与圆柱体的端面平行,如b，c孔的轴线就都在同一个与端面平行的横截面上，也有一些装配孔如a的轴线与圆柱体端面不平行，其与端面存在一定的角度，但这些孔的轴线与圆柱端面的角度较小，偏转轴E2即为这些孔的对准而设，在此立体部件中，这样的孔只有两个，为降低系统复杂性，偏转轴E2设计为手动分档调节并进行锁紧的机构。通过除控制视觉系统E8调焦的垂直方向电控平移轴E7之外的其它四自由度运动机构(偏转轴E2、Y方向电控平移轴E3、EX方向电控平移轴E4和电控旋转轴E6)的运动，就可以调整部件的位置与姿态。另外由于部件上有些装配孔还分布在凹槽中，在控制四自由度运动机构使装配孔与视觉系统E8光轴对准后，这些孔的端面到视觉系统E8的距离与分布在圆柱体外表面上的孔到视觉系统E8的距离是不同的，因此还需要通过垂直方向运动机构电控平移轴E7来调节视觉系统E8的高度，保持视觉系统E8与装配孔端面的距离即物距一致，以使孔端面能清晰成像。在这里，视觉系统E8是一单目视觉系统，如图2所示，由CCD摄像机8.1，镜头8.2和光源8.3组成，镜头为远心镜头，采用反射光照明。下面详细阐述这种待装配立体部件E5上各孔分别和视觉系统E8光轴的分步连续对准算法。

(1)系统对准原理

我们可知，对准过程实际上就是通过运用合适的运动参数来控制五自由度机构或五自由度机器人，调节视觉系统E8与装配孔之间的相对位置和姿态，实现对准。由于多自由度平台各运动关节相互连接，共同影响位置与姿态，待装配立体部件E5的位置与姿态控制不能简化为二维的平移运动。因此，为分析各个运动机构在对准过程中的影响，需要建立机器人运动学模型。首先，系统可以被分成两个不同的部分：运动平台部分与视觉系统E8部分。建立坐标系，令O_C-X_CY_CZ_C,O_B-X_BY_BZ_B,O_S-X_SY_SZ_S分别代表部件坐标系、底座坐标系与视觉坐标系。令^BT_C代表从底座坐标系与部件坐标系间的转换矩阵，^BT_S表示底座坐标系与视觉系统坐标系之间的转换矩阵。假设P是在装配孔顶面中心的位置或者轴线的姿态，令^BP,^CP,^SP分别表示P在底座、部件和视觉系统坐标系中的坐标，可以建立如下的坐标系转换关系：

^BP＝^BT_C·^CP (1)

^BP＝^BT_S·^SP (2)

令式(1),(2)相等，又由于转换矩阵是可逆的，故：

^VP＝(^BT_S)^-1·^BT_S·^CP (3)

式(3)说明部件坐标系上点或向量的坐标可以表示成视觉系统坐标系中点或向量的坐标。这说明可以通过求取转换矩阵来计算部件坐标系与视觉坐标系之间的坐标转换关系。另一方面，视觉系统E8对复杂部件上任意孔的对准过程实际上是要使不同装配孔在视觉系统坐标系中有相同的位置和姿态。如果用^VP_D代表对准时的装配孔在视觉坐标系中的坐标，^CP_n代表第n个孔的坐标，则：

^VP_D＝(^BT_S ⁽ⁿ⁾)^-1·^BT_C ⁽ⁿ⁾·^CP_n (4)

式(4)也表明在对部件上的第n个装配孔进行对准时，需要得到对应的转换矩阵(^BT_S ⁽ⁿ⁾)^-1×^BT_C ⁽ⁿ⁾以获得各个自由度上运动机构的运动参数。

(2)装配孔几何信息的提取

在这里，采用齐次坐标来表示点或向量的位置与姿态。假设有任意孔arb，它的顶面圆心相对于某一坐标系的位置用P表示，它的孔轴线姿态用G表示，这样：

P_arb＝(x y z 1)^T G_arb＝(a b c 0)^T (a²+b²+c²＝1) (5)

从对准原理的分析可知，为了对装配孔进行对准，需要将装配孔的几何信息转换成可以在式(4)中进行计算的形式，即将装配孔转换到固定的位置与姿态，因此需要先计算待装配立体部件E5上不同装配孔在部件坐标系中的位置与姿态。通过分析待装配立体部件E5上装配孔的分布特征，建立以部件端面圆心为原点O_C，以圆柱形部件轴线为Y_C轴，Z_C指向部件圆柱表面的缺口对称中心，Z_CO_CX_C平面固连在部件端面上的部件坐标系O_C-X_CY_CZ_C。而由于有22个轴线平行于圆柱端面的装配孔并且其轴线分别分布在三个圆柱横截面上，因此分别以这三个横截面建立截面坐标系O_C1-X_C1Y_C1Z_C1、O_C2-X_C2Y_C2Z_C2、O_C3-X_C3Y_C3Z_C3，如图3所示，它们可由部件坐标系沿圆柱体轴线方向移动得到。这些装配孔用1到22进行标记，另有两个轴线不平行于圆柱端面的装配孔，用23，24标记，这两个装配孔的端面圆心在截面Z_C1O_C1X_C1上，它们的轴线与截面Z_C1O_C1X_C1有一定的夹角，其在截面Z_C1O_C1X_C1上的投影与垂线已在图3中标出。

依据所选用待装配立体部件E5上装配孔的特征，有：

O_CO_C1＝80mm,O_C1O_C2＝9mm,O_C2O_C3＝9mm。为求取孔相对于部件坐标系的位置和姿态坐标，以装配孔10为例，在图3中作以装配孔端面的圆心为原点，x轴沿装配孔的轴线方向的装配孔坐标系O₁₀-X₁₀Y₁₀Z₁₀。装配孔坐标系与截面坐标系O_C3-X_C3Y_C3Z_C3的关系如图4所示。

在装配孔坐标系中，装配孔的位置坐标是¹⁰P₁₀＝(0 0 0 1)^T，轴线的姿态坐标是¹⁰G₁₀＝(1 0 0 0)^T。由于装配孔坐标系可以通过截面坐标系平移[P_X10 0 P_Z10]，然后绕自己的Y轴旋转135°得到，因此装配孔坐标系与截面坐标系之间的转换矩阵可以用下式表示：

^C3T₁₀＝Trans(P_X10 0 P_Z10)Rot(y,135°) (6)

又由于截面坐标系O_C3-X_C3Y_C3Z_C3是从部件坐标系沿Y轴平移98mm得到的，因此截面坐标系与部件坐标系之间的转换矩阵可以用下式表示：

^CT_C3＝Trans(0 98 0) (7)

联立(6)(7)，从装配孔坐标系到部件坐标系的转换矩阵可用下式表示：

^CT₁₀＝^CT_C3×^C3T₁₀＝Trans(0 98 9)Trans(P_X10 0 P_Z10)Rot(y,135°) (8)

利用式(8)的转换矩阵，可以将装配孔10的几何信息转变为齐次坐标表达式(5)的形式：

^CP₁₀＝^CT₁₀×¹⁰P₁₀＝^CT₁₀×[0 0 0 1]^T＝[107.435 98 103.1921]^T (9)

当装配孔的轴线与截面不平行，求取姿态更加复杂，对图3中23、24装配孔进行分析，以孔23的端面圆心为原点，轴线方向为X轴作坐标系O₂₃-X₂₃Y₂₃Z₂₃。在前文的基础上分析：装配孔坐标系可以通过截面坐标系平移[P_X23 0 P_Z23]，然后绕自己的Y轴旋转45°，最后绕自己的Z轴旋转-15°得到。又因为截面坐标系是由部件坐标系经过沿Y轴平移80mm得到的，可以计算从部件坐标系到O₂₃-X₂₃Y₂₃Z₂₃的转换矩阵如下式：

^CT₂₃＝^CT_C1 ^C1T₁₀＝Trans(0 98 9)Trans(P_X23 0 P_Z23)Rot(y,45°)Rot(z,-15°)(11)

利用式(13)中的转换矩阵，可以将轴线不平行于圆柱端面的孔的位置与姿态表达为齐次坐标表达式：

^CP₂₃＝^CT₂₃ ²³P₂₃＝^CT₂₃·[0 0 0 1]^T＝[107.435 98 103.192 1]^T (12)

^CG₂₃＝^CT₂₃ ²³G₂₃＝^CT₂₃·[1 0 0 0]^T＝[0.6830 -0.2588 -0.6830 0]^T (13)

通过这种方式可以将部件上24个孔的几何信息转变为相对于部件上部件坐标系的位置与姿态坐标，用式(5)中的命名方式整理为表1。

表1

	Xc(mm)	Zc(mm)	Yc(mm)	a	b	c
							1	97.864	112.006	89	-0.70710678	0	-0.70710678
2	112.006	-97.864	89	-0.70710678	0	0.70710678
							3	34.751	-95.137	89	0.57357644	0	0.81915204
4	-34.751	-95.137	89	-0.57357644	0	0.81915204
							5	-97.864	-112.006	89	0.70710678	0	0.70710678
6	-112.006	97.864	89	0.70710678	0	-0.70710678
							7	-34.751	95.137	89	-0.57357644	0	-0.81915204
8	34.751	95.137	89	0.57357644	0	-0.81915204
							9	57.000	136.316	98	0	0	-1
10	107.435	103.192	98	-0.70710678	0	-0.70710678
							11	103.238	-107.480	98	-0.70710678	0	0.70710678
12	57.000	-136.302	98	0	0	1
							13	34.628	-95.551	98	0.76604444	0	0.64278761
14	-34.613	-95.531	98	-0.76604444	0	0.64278761
							15	-107.480	-103.238	98	0.70710678	0	0.70710678
16	-103.173	107.416	98	0.70710678	0	-0.70710678
							17	-40.435	106.288	98	-0.57357644	0	-0.81915204
18	37.588	100.980	98	0.70710678	0	-0.70710678
							19	35.850	98.405	80	0.70710678	0	-0.70710678
20	45.000	140.977	80	0	0	-1
							21	35.850	-98.405	80	0.70710678	0	0.70710678
22	45.000	-140.977	80	0	0	1
							23	-112.006	97.864	80	0.6830	-0.2588	-0.6830
24	-97.864	-112.006	80	0.6830	-0.2588	0.6830

轴线平行于圆柱端面的装配孔姿态坐标中的b项为0，轴线不平行于圆柱端面的装配孔姿态坐标中的b项则不为0。

(3)初始状态的建立与对准系统的坐标转换

在建立了待装配立体部件E5上装配孔的位置与姿态坐标后，为采用运动平台实现对装配孔位置与姿态的变换，需对五自由度的运动平台进行分析。为描述对准过程，首先在对准系统上建立如图5左图所示的各个坐标系。坐标系O_B-X_BY_BZ_B固连在基座上，叫基座坐标系，其X_B轴与A偏转轴中心线重合,Z_B轴与视觉系统E8的光轴重合。坐标系O₂-X₂Y₂Z₂固连在平移平台上，与坐标系O_B-X_BY_BZ_B重合。建立固连在视觉系统E8上的视觉坐标系O_S-X_SY_SZ_S，它的Z_S轴与Z_B轴重合，X_S轴与X_B轴平行，Y_S轴与Y_B轴平行。以旋转轴B为Y₃轴，建立固连在旋转轴B上的坐标系O₃-X₃Y₃Z₃，它的X₃轴与X_B轴平行，Y₃轴与Y_B轴平行。在对准装配之前，需要将部件固定在旋转轴B上。由于在上节中，已经在部件上构建了坐标系O_C-X_CY_CZ_C，部件上装配孔的定位也以部件坐标系为参照，在固定过程中，需要使部件坐标系O_C-X_CY_CZ_C与坐标系O₃-X₃Y₃Z₃重合，此时各个坐标系的Z轴重合、X，Y轴平行。将此状态作为对准系统的初始状态，下面计算如何通过运动机构的平移和旋转从初始状态开始对装配孔进行对准。

假设运动机构绕偏转轴A偏转角度ω，运动机构沿X轴平移l，沿Y轴平移d，绕旋转轴B旋转θ。为研究在运动机构移动过程中各个坐标系的转换关系，作相应连杆示意图，如图5右图。则坐标系之间的变换关系为底座坐标系O_B-X_BY_BZ_B绕X_B旋转角度ω得到坐标系O₂-X₂Y₂Z₂。坐标系O₂-X₂Y₂Z₂在X₂方向平移l，在Y₂方向的平移d，在Z₂方向平移固定距离S后得到坐标系O₃-X₃Y₃Z₃，S是旋转轴B与偏转轴A的轴线间的距离，与系统的具体设计有关。坐标系O₃-X₃Y₃Z₃绕Y_C(Y₃)旋转θ后部件坐标系O_C-X_CY_CZ_C。这样从底座坐标系到部件坐标系的变换过程是不断相对于当前坐标系进行变换，可通过右乘变换矩阵得到转换矩阵，用下式表示：

^BT_C＝^BT₂·²T₃·³T_C＝Rot(x,ω)Trans(l,d,S)Rot(y,θ) (14)

进一步可以写为:

用(15)式的矩阵转换关系可以表达点或矢量在基座和部件坐标系之间的转换,如(16)式。

这种通过机器人运动参数确定装配孔在不同坐标系中位置和姿态的算法也叫机器人运动学的正运算。假设垂直方向移动的视觉系统坐标系O_S-X_SY_SZ_S与基座坐标系O_B-X_BY_BZ_B的距离是H。建立基座坐标系和视觉坐标系之间的转换关系：

由式(16)和式(17)，通过分析可计算基座坐标系关于部件坐标系和视觉坐标系的转换矩阵，得部件坐标系与视觉坐标系间转换矩阵如下式：

由式(18)可知，通过控制各个运动参数可以控制五自由度平台调整装配孔相对于视觉系统坐标系的位置和姿态，实现对准。在给定各个运动参数时，装配孔在系统运动后的位置与姿态可以由式(18)求得，这一过程即该平台的机器人正运动学分析。由于机器人正运动学的结果只与转换矩阵有关，对准过程的结果与各个机构的运动顺序无关。

装配孔相对于部件坐标系的位置与姿态坐标已经在表1中采集，在计算转换矩阵后，求对准装配孔过程中运动机构的运动参数。

(4)运动参数求解

假设有任意孔arb，在部件坐标系中的位置和轴线的姿态用下式表示：

^CP_arb＝(x y z 1)^T (19)

^CG_arb＝(a b c 0)^T (20)

式中x,y,z为装配孔位置的参数，a,b,c为装配孔轴线姿态的参数。

为进行孔轴对准，需要通过部件运动使得待对准的某一孔的轴线与视觉系统的光轴重合，即与图5中的Z_S轴相重合，这样，孔相对于视觉坐标系的位置和轴线的姿态可以用下面式子表示：

^SP_arb＝(0 0 h 1)^T (21)

^SG_arb＝(0 0 -1 0)^T (22)

其中h为视觉系统能清晰成像时的物距。通过式(4)，可将部件坐标系中的齐次坐标转换为视觉坐标轴系中的齐次坐标，见式(23)(24)：

(0 0 h 1)^T＝^ST_C×(x y z 1)^T (23)

(0 0 -1 0)^T＝^ST_C×(a b c 0)^T (24)

对(23)(24)式进行求解，得到转换矩阵中运动机构的运动参数：

这里，d,l为对准系统中X，Y平移机构移动的距离，H为与视觉系统连接的垂直机构移动的距离，ω为偏转轴A的偏转角度，θ为旋转轴B的旋转角度。

式(25)表明，确定初始状态之后，可以用部件坐标系中装配孔的位置与轴线姿态坐标来求取运动参数ω，θ，d，l，H，进而依据这些参数，来控制每个自由度上的运动机构，实现对准。但是，在这种对准方式中，求得的运动参数都依赖于从初始位置开始对准，在连续对多个孔进行对准的任务中，每次对准下一个孔都需要重新从初始位置开始，这会降低对准装配效率。为解决这个问题，需要研究直接从孔到孔的连续对准算法。

(5)多孔和轴的分步连续对准

假设先后需要对准的两个装配孔是m和n，通过式(25)可计算得到其运动参数分别为ω_m，θ_m，d_m，l_m，H_m和ω_n，θ_n，d_n，l_n,H_n。在采用装配孔m的运动参数对准装配孔m后，装配孔n在基座坐标系中的位置与轴线姿态坐标^BP_n可以用下式计算：

^BP_n＝^BT_C·^CP_n＝Rot(x,ω_m)·Trans(l_m,d_m,S)·Rot(y,θ_m)·^CP_n (26)

式(26)中，^BT_C是系统对准装配孔m时部件坐标系到基座坐标系的转换矩阵。同样根据式(25)，为对n进行对准，系统回到初始位置后，采用装配孔n的运动参数进行对准，此时装配孔n在基座坐标系中的位置与轴线姿态坐标用^BP_n'表示，如下：

^BP_n'＝^BT_C'·^CP_n＝Rot(x,ω_n)·Trans(l_n,d_n,S)·Rot(y,θ_n)·^CP_n (27)

设计连续对准的算法，就是要求取从对准孔m的状态到对准孔n的状态的过程中，运动机构的运动参数。假设在该过程中，四个自由度对准系统运动机构的连续运动参数分别为Δω，Δθ，Δd，Δl。由于转换矩阵不具有乘法交换性，不能直接通过旋转与平移矩阵相乘求转换矩阵，需要重新对构建的各个坐标系进行分析。

在对准过程中，首先，旋转轴B旋转了角度Δθ，装配孔n在坐标系O₃-X₃Y₃Z₃中的坐标用³P_n表示，则它的表达式如下：

³P_n＝Rot(y,Δθ)·Rot(y,θ_m)·^CP_n (28)

然后，平移运动系统的X和Y运动轴分别移动了Δl，Δd，装配孔n在坐标系O₂-X₂Y₂Z₂中的坐标用²P_n表示，则它的表达式如下：

²P_n＝Trans(Δl,Δd,0)·Trans(l_m,d_m,S)·³P_n (29)

最后，偏转轴A偏转了角度Δω，装配孔n在坐标系O_B-X_BY_BZ_B中的坐标用^BP_n'表示，则他的表达式如下：

^BP_n'＝Rot(x,Δω)·Rot(x,ω_m)·²P_n (30)

联立式(28)，(29)，(30)得：

^BP_n'＝Rot(x,Δω)·Rot(x,ω_m)·Trans(Δl,Δd,0)·Trans(l_m,d_m,S)·Rot(y,Δθ)·Rot(y,θ_m)·^CP_n (31)

简化(31)，得到：

^BP_n'＝Rot(x,Δω+ω_m)·Trans(Δl+l_m,Δd+d_m,S)·Rot(y,Δθ+θ_m)·^CP_n (32)

将其与式(32)与式(27)直接计算得到的转换矩阵对比，可知从对准n孔的状态到对准m孔的过程中，各个运动机构的连续运动参数为：

式(33)表明，对准过程中运动机构从对准装配孔m到装配孔n的运动距离和旋转角度就是这两个孔从初始状态开始对准时的运动机构参数的差。所以要实现从孔到孔连续对准，不需要回到初始位置，在对准装配孔m后只需要沿X轴平移Δl,沿Y轴平移Δd，绕偏转轴A旋转Δω，绕旋转轴B旋转Δθ就可以对准装配孔n。

根据计算结果，连续对准过程中运动系统的连续对准路径规划与装配孔的排列顺序有关。按照不同排列顺序进行连续对准的过程中，运动系统的平移路程和旋转角度可以通过式(33)计算。系统对准后的状态应如图8所示，通过调整待装配立体部件E5的位置与姿态，装配孔12的轴线与视觉系统E8的轴线平行，装配孔12的顶面可以在视觉系统E8内清晰成像，完成了粗对准。下面介绍采用单目视觉系统E8来实现精对准的过程。

在粗对准完成后，一般待装配孔全部或者局部已经进入视觉系统E8的视场，因此可通过与装配孔的轴线平行的远心视觉系统E8来采集装配孔表面的图像，采用改良的Sobel算子处理图像的边缘并进行三次样条插值获得清晰的边缘图像。通过Hough变换检测图像中的圆形边缘，获得装配孔边缘的准确位置。

如图6所示，假设在检测后，所得到的装配孔在视觉系统E8中沿x、y轴的偏差为Δx,Δy个像素，若视觉系统E8的像素宽度为Δp,可以计算装配孔中心在对准过程中相对于图像中心的偏差为：

这样，可基于在粗对准状态下运动机构的状态，获得各个运动部件的运动参数的修正值。

将(35)式计算得到的各个运动部件的运动参数的修正值来控制运动部件，即Y方向电控平移导轨E3平移Δl'，X方向电控平移导轨E4平移Δd'，电控垂直方向平移导轨E7平移ΔH'，从而完成精对准。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种非向心多孔轴精密视觉连续对准系统，其特征在于，包括

底座(E1)；

偏转轴(E2)，该偏转轴(E2)搭建在底座(E1)上；

Y方向电控平移轴(E3)，该Y方向电控平移轴(E3)安装在偏转轴(E2)上，其运动方向与偏转轴(E2)平行；

X方向电控平移轴(E4)，该X方向电控平移轴(E4)安装在Y方向电控平移轴(E3)上，并与Y方向电控平移轴(E3)的运动方向垂直；

电控旋转轴(E6)，该电控旋转轴(E6)安装在X方向电控平移轴(E4)，其轴线与X方向电控平移轴(E4)的运动方向平行；

待装配立体部件(E5)，该待装配立体部件(E5)固定在电控旋转轴(E6)上；

垂直方向电控平移轴(E7)，该垂直方向电控平移轴(E7)安装在底座(E1)，与偏转轴(E2)、Y方向电控平移轴(E3)、X方向电控平移轴(E4)和电控旋转轴(E6)组成五轴运动控制平台；

视觉系统(E8)，该视觉系统(E8)安装在垂直方向电控平移轴(E7)上。

2.根据权利要求1所述的一种非向心多孔轴精密视觉连续对准系统，其特征在于，所述的偏转轴(E2)为电控连续角度可调的偏转轴或者手动分档调节并锁紧的偏转轴。

3.根据权利要求1所述的一种非向心多孔轴精密视觉连续对准系统，其特征在于，所述的电控旋转轴(E6)为可绕轴进行360度旋转并具有自锁功能的旋转轴。

4.根据权利要求1所述的一种非向心多孔轴精密视觉连续对准系统，其特征在于，所述的视觉系统(E8)为单目视觉系统，包括CCD摄像机、镜头和光源。

5.根据权利要求4所述的一种非向心多孔轴精密视觉连续对准系统，其特征在于，所述的镜头为远心镜头。

6.根据权利要求4所述的一种非向心多孔轴精密视觉连续对准系统，其特征在于，所述的光源的照明方式为同轴光照明或反射光照明。

7.一种采用权利要求1所述的非向心多孔轴精密视觉连续对准系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步是采用五轴运动控制平台对装配孔的位置与姿态进行调整，具体为通过对复杂形状上装配孔几何信息的提取与初始状态的建立，按照机器人学计算各个运动部件的运动参数，进而基于运动参数来控制运动部件，将待装配孔或部分定位于视觉系统(E8)的视场以内，进行粗对准；

第二步是采用视觉系统(E8)对装配孔的成像和位置修正，具体为采用视觉系统(E8)采集待装配孔边缘图像并进行计算，获得各个运动部件的运动参数的修正值，同样再基于运动参数的修正值来控制运动部件，实现精对准。